Caractérisation, modélisation et intégration de JFET de puissance en carbure de silicium dans des convertisseurs haute température et haute tension PDF Download
Are you looking for read ebook online? Search for your book and save it on your Kindle device, PC, phones or tablets. Download Caractérisation, modélisation et intégration de JFET de puissance en carbure de silicium dans des convertisseurs haute température et haute tension PDF full book. Access full book title Caractérisation, modélisation et intégration de JFET de puissance en carbure de silicium dans des convertisseurs haute température et haute tension by Rami Mousa. Download full books in PDF and EPUB format.
Book Description
Les systèmes d’électroniques de puissance ont grandement bénéficié du progrès révolutionnaire des composants de puissance en silicium (Si). Actuellement la quasi-totalité des applications d’électronique de puissance utilise des composants en Si. Les applications d’électroniques de puissance à haute température, haute tension et forte puissance sont de plus en plus croissantes et le silicium atteint ses limites. Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur à large bande d’énergie interdite. Les propriétés électriques de ce matériau devancent celles du silicium, ce qui signifie qu’un composant en SiC présente de meilleures performances par rapport à son équivalent en silicium (Si). Les différents travaux à travers le monde démontrent un avenir prometteur pour le SiC dans la prochaine génération des composants de puissance. Le transistor JFET-SiC est l’interrupteur le plus avancé dans son développement technologique car il est au stade de la pré-commercialisation. Un modèle de type circuit pour les composants en SiC présente une extrême importance pour l’analyse et la conception de circuits de convertisseurs, en particulier, si une comparaison avec les composants en Si est établie. Le travail réalisé au cours de cette thèse, consiste à caractériser électriquement plusieurs versions de JFET-SiC pour des températures comprises entre 25°C et 225°C. Les caractérisations sont basées sur des mesures DC (Courant - Tension) en utilisant un traceur de caractéristiques, des mesures AC (Capacité - Tension) en utilisant un analyseur d’impédance et des mesures en commutation sur charge R-L (Résistive-Inductive). L’objectif est d’établir un modèle analytique du transistor JFET-SiCED. Ce modèle est basé sur l’analyse physique et comportementale du JFET en tenant compte de l’influence de la température et de la présence des deux canaux intrinsèques. Le modèle a été développé en langage VHDL-AMS et validé en régime statique ainsi qu’en dynamique en utilisant le simulateur SIMPLORER 7.0. La validation du modèle montre une excellente concordance entre les mesures et la simulation.
Book Description
Les systèmes d’électroniques de puissance ont grandement bénéficié du progrès révolutionnaire des composants de puissance en silicium (Si). Actuellement la quasi-totalité des applications d’électronique de puissance utilise des composants en Si. Les applications d’électroniques de puissance à haute température, haute tension et forte puissance sont de plus en plus croissantes et le silicium atteint ses limites. Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur à large bande d’énergie interdite. Les propriétés électriques de ce matériau devancent celles du silicium, ce qui signifie qu’un composant en SiC présente de meilleures performances par rapport à son équivalent en silicium (Si). Les différents travaux à travers le monde démontrent un avenir prometteur pour le SiC dans la prochaine génération des composants de puissance. Le transistor JFET-SiC est l’interrupteur le plus avancé dans son développement technologique car il est au stade de la pré-commercialisation. Un modèle de type circuit pour les composants en SiC présente une extrême importance pour l’analyse et la conception de circuits de convertisseurs, en particulier, si une comparaison avec les composants en Si est établie. Le travail réalisé au cours de cette thèse, consiste à caractériser électriquement plusieurs versions de JFET-SiC pour des températures comprises entre 25°C et 225°C. Les caractérisations sont basées sur des mesures DC (Courant - Tension) en utilisant un traceur de caractéristiques, des mesures AC (Capacité - Tension) en utilisant un analyseur d’impédance et des mesures en commutation sur charge R-L (Résistive-Inductive). L’objectif est d’établir un modèle analytique du transistor JFET-SiCED. Ce modèle est basé sur l’analyse physique et comportementale du JFET en tenant compte de l’influence de la température et de la présence des deux canaux intrinsèques. Le modèle a été développé en langage VHDL-AMS et validé en régime statique ainsi qu’en dynamique en utilisant le simulateur SIMPLORER 7.0. La validation du modèle montre une excellente concordance entre les mesures et la simulation.
Book Description
Dans le domaine de l'électronique de puissance, les dispositifs en carbure de silicium (SiC) sont bien adaptés pour fonctionner dans des environnements à haute température, haute puissance, haute tension et haute radiation. Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur à large bande d'énergie interdite. Ce matériau possède des caractéristiques en température et une tenue aux champs électriques bien supérieure à celles de silicium. Ces caractéristiques permettent des améliorations significatives dans une grande variété d'applications et de systèmes. Parmi les interrupteurs existants, le JFET en SiC est l'interrupteur le plus avancé dans son développement technologique, et il est au stade de la pré-commercialisation. Le travail réalisé au cours de cette thèse consiste à caractériser électriquement des JFET- SiC de SiCED en fonction de la température (25°C-300°C). Des mesures ont été réalisé en statique (courant-tension), en dynamique (capacité-tension) et en commutation sur charge R-L (résistive-inductives) et dans un bras d'onduleur. Un modèle multi-physique du transistor VJFET de SiCED à un canal latéral a été présenté. Le modèle a été développé en langage MAST et validé aussi bien en mode de fonctionnement statique que dynamique en utilisant le simulateur SABER. Ce modèle inclut une représentation asymétrique du canal latéral et les capacités de jonction de la structure. La validation du modèle montre une bonne concordance entre les mesures et la simulation.
Author: Elena Ivanova Dimitrova-Frey Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 196
Book Description
Actuellement, les systèmes à base de composants de puissance connaissent un fort développement dans le domaine des hautes tensions et des hautes températures. Le carbure de silicium (SiC) semble un matériau très prometteur pour remplir ces critères. Dans ce cadre, nous nous sommes concentrés sur l’analyse de composants de puissance, notamment les transistors JFET ainsi que leurs protections périphériques. Dans les gammes de tension envisagées, les composants seront de type verticaux afin d’assurer la tenue en tension. Le but de la thèse est d’améliorer la compréhension des phénomènes qui régissent le fonctionnement de ces composants. Leur structure présente la particularité de comporter deux canaux distincts : un canal vertical et un canal horizontal. On cherche donc à analyser leur fonctionnement interne afin d’optimiser leurs caractéristiques à l’état passant et plus particulièrement le pincement du canal, les lignes de courant et les équipotentielles. Pour cela, nous avons mis en œuvre un logiciel de simulation éléments finis (MediciTMA) afin d’étudier les caractéristiques de ces composants et d’observer l’influence des différents paramètres qui les définissent, qu’ils soient géométriques ou physiques (dopage des différentes zones). Nous avons développé un modèle analytique permettant de prédéterminer les caractéristiques statiques de ces transistors afin d’aider à leur conception. Ensuite nous allons comparer nos résultats avec les caractéristiques réelles des JFET fabriqués par la société SiCED qui présentent également deux canaux et les modélisations analytiques associées. Dans la dernière partie nous avons étudié la tenue en tension des composants SiC verticaux. Celle-ci se fait non seulement dans le volume mais également en périphérie sur la face supérieure de la puce. La structure de protection périphérique que nous avons plus particulièrement étudiée est de type JTE (Junction Termination Extension). Nous avons analysé l’influence de la largeur de la JTE et surtout son dopage afin d’obtenir la tenue en tension maximale. En conclusion, cette thèse permet d’améliorer la connaissance de l’influence des différents paramètres de conception sur le comportement du JFET à deux canaux, que ce soit à l’état bloqué (JTE) ou à l’état passant. Pour cela un modèle analytique a été développé qui permet une aide à la conception, mais aussi de mieux prédéterminer les pertes dans ces composants.
Book Description
Les systèmes intégrés de puissance sont de plus en plus utilisés. Cette technologie rend coûteux le prototypage itératif, c'est pourquoi il est nécessaire de recourir à la simulation des convertisseurs. Pour cela il est nécessaire de modéliser les composants du système. Dans le cadre du GdR "Intégration des systèmes de Puissance à 3 Dimensions", le laboratoire AMPERE a réalisé des diodes PIN en SiC de calibre 4,8kV. La caractérisation statique et en commutation de ces diodes permet de connaître leurs performances et extraire les paramètres technologiques utilisés dans leur modèle : WB, ND, τ et A. La caractérisation électrique utilise des circuits de commutation adaptés aux performances exceptionnelles des diodes SiC (haute tension, rapide). Le dimensionnement et la modélisation des cicruits, ainsi que l'extraction des paramètres sont développés dans la thèse. La validation des paramètres est effectuée dans un circuit original, un circuit de commutation résistive, spécialement développé pour ce type de diodes. Les mesures et les simulations sont suffisamment proches pour valider la procédure de caractérisation et le modèle de la diode. Avec l'obtention du modèle de la diode SiC, il devient possible de simuler son fonctionnement dans un convertisseur.
Book Description
Le carbure de silicium (SiC) est un materiau semi-conducteur a large bande d'energie interdite. Ce materiau possede des caracteristiques en temperature et une tenue aux champs electriques bien superieures a celles du silicium. Les dispositifs a base de ce materiau (SiC) sont bien adaptes pour fonctionner dans des environnements a haute temperature, haute puissance, haute tension et haute radiation. Ces caracteristiques permettent des ameliorations significatives dans une grande variete d'applications et de systemes de puissance. Dans ce travail on presente des etudes analytiques comparatives des modeles des composants a semi-conducteurs en SiC, ainsi que les principales caracteristiques statiques, dynamiques, et thermiques des meilleurs composants comme SiC-JFET, SiC diode Schottky et le SiC-MOSFET, de puissance commercialises de different constructeurs en raison d'elaborer un plan de choix guidant les concepteurs des circuits d'electronique de puissance de selectionner le composant le plus adapte a leur cahier de charge selon leurs objectifs et selon les performances de leurs convertisseurs de puissance.
Book Description
L'aéronautique, dans ses efforts pour un avion plus vert, tend à devenir plus électrique. Cependant dans ce passage au plus électrique, quelques actionneurs de l'avion ainsi que leurs électroniques associées se heurtent à un verrou technologique lié à la haute température (200°C). Dans ce contexte, ce mémoire présente des travaux qui contribuent à lever ce verrou technologique. Nous avons montré que le convertisseur d'électronique de puissance, désigné par onduleur, a été conçu pour répondre à notre besoin avec le composant le plus fiable et le plus mature, le JFET deux canaux de la société SICED INFINEON en carbure de silicium (ou SiC). Pour mieux cerner le fonctionnement du JFET SiC deux canaux et valider ultérieurement son modèle, nous avons effectué des caractérisations électriques de ses comportements statique et dynamique sur une plage de température importante allant de -40°C à +180°C. Nous avons montré et décrit de façon fine, en particulier à 27°C, les phases de commutation du composant JFET en mettant en avant le rôle important des couplages capacitifs (Cgd, Cds et Cgs). Un modèle représentant ses comportements statique et dynamique a été présenté et validé à 27°C. Nous avons ensuite minimisé les effets de l'Interaction Puissance Commande IPC due à Cgd au niveau du JFET fonctionnant en mode roue libre (phénomène de Punch-through à la mise en conduction et possible remise en conduction au blocage sont à considérer). Pour ce faire nous avons étudié et comparé trois circuits d'attaques de grille, et nous avons montré le rôle de l'impédance de grille (RG, lG) vis-à-vis de l'IPC et de l'optimisation des circuits d'attaque de grille. Enfin, nous avons présenté la problématique liée à la stabilité du bus continu à haute température (200°C) et à haute tension (540V). Une solution de stabilisation du bus DC simple et efficace a été présentée.
Book Description
Dans le contexte des transports plus électriques, les parties mécaniques tendent à être remplacées par leurs équivalents électriques plus petits. Ainsi, le composant lui-même doit supporter un environnement plus sévère et de lourdes contraintes (haute tension, haute température). Les composants silicium deviennent alors inappropriés. Depuis la commercialisation des premières diodes Schottky en 2001, le carbure de silicium est le matériau reconnu mondialement pour la fabrication de dispositifs haute tension avec une forte intégration. Sa large bande d'énergie interdite et son fort champ électrique critique permettent la conception de transistors à effet de champ avec jonction (JFET) pour les hautes tensions ainsi que les diodes associées. Les structures étudiées dépendent de nombreux paramètres, et doivent ainsi être optimisées. L'influence d'un paramètre ne pouvant être isolée, des méthodes mathématiques ont été appelées pour trouver la valeur optimale. Ceci a conduit à la mise en place d'un critère d'optimisation. Ainsi, les deux grands types de structures de JFET verticaux ont pu être analysés finement. D'une part, la recherche d'une structure atteignant les tensions les plus élevées possible a conduit à l'élaboration d'un procédé de fabrication complexe. D'autre part, un souci de simplification et de stabilisation des procédés de fabrication a permis le développement d'un composant plus simple, mais avec une limite en tension un peu plus modeste.
Book Description
Le développement de composants de puissance à base de carbure de silicium (SiC) permet la réalisation d'interrupteurs pouvant fonctionner au-delà de 200°C. Le silicium présente plus de limitations au niveau physique du matériau qu'au niveau des technologies d'assemblages. Le SiC est un matériau semi-conducteur grand gap ce qui permet d'obtenir des courants de fuite inverse qui restent faibles à haute température ; d'où un fort intérêt pour des applications haute température. Mise à part son utilisation à des températures pouvant dépasser les 300°C, c'est un matériau qui permet aussi d'augmenter les fréquences de commutation ainsi que la densité de puissance par rapport à des composants à technologie silicium. Ceci en fait un candidat idéal pour des applications forte puissance dans le domaine de la traction, des protections de réseaux électriques ou de la transmission et de la distribution d'énergie. L'utilisation du SiC pour une application haute température pose le problème de son packaging, des choix de matériaux et de sa configuration. Cette thèse a pour but d'effectuer une étude de fiabilité et de durée de vie des briques technologiques d'assemblage et de connexions nécessaires à la réalisation d'un cœur de puissance haute température à base de JFET SiC. Une étude des différentes technologies d'assemblages de convertisseurs de puissance haute température est effectuée afin de définir différentes briques technologiques constitutives de ces systèmes. Cette première étude nous permet de procéder à une sélection de certaines technologies d'assemblages comme le frittage de pâtes d'argent pour la technologie de report de puces. Ces briques technologiques feront l'objet d'études plus approfondies allant de la réalisation de véhicules tests jusqu'à la mise au point des essais de cyclages associés aux techniques d'analyse nécessaires à l'étude de leur défaillance.Les études expérimentales concernent des essais de cyclage passif et de stockage thermique, l'apparition de délaminages en cours de cyclage thermique (scan acoustique, RX), le report par frittage de pâtes d'argent nano et microscopiques et la caractérisation électrique et thermique (Rth, I[V]).
Author: Farah Laariedh (auteur(e) en génie électrique).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
Book Description
Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur à large bande d'énergie interdite, remarquable par ses propriétés physiques situées à mi-chemin entre le silicium et le diamant. Ceci suscite actuellement un fort intérêt industriel pour son utilisation dans la fabrication de composants susceptibles de fonctionner dans des conditions extrêmes : forte puissance et haute température. Les travaux de thèse se sont focalisés sur la levée de verrous technologiques pour réaliser des composants latéraux de type JFET (Junction Field Effect Transistor) et les intégrer monolithiquement dans des substrats SiC-4H. L'objectif est de réaliser un bras d'onduleur intégré en SiC avec deux étages commande et puissance. Dans un premier temps, nous avons entamé cette thèse par une caractérisation de deux lots de composants JFET latéraux à canaux N et P réalisés dans le cadre de deux projets ANR précédents cette thèse. De cette étude nous avons extrait plusieurs points positifs, comme celui qui concerne la tenue en tension des JFET de puissance et l'intégration monolithique des JFET basse tension. Mais, nous avons aussi mis en évidence, la nécessité d'optimiser la structure de composants et d'améliorer certaines étapes technologiques, principalement, la définition des canaux par implantation ionique, le contact ohmique et la gravure profonde. Des études approfondies pour réaliser le contact ohmique sur SiC type P et des procédés pour réaliser une gravure profonde dans le SiC ont été développés. Ces études ont permis d'obtenir une faible résistance de contact comparable à l'état de l'art mondial, d'avoir des calibres en courant plus élevés et par conséquent une meilleure modulation. Pour la gravure, un masque dur à base de silicium et nickel (NiSi), nous a permis de mettre en place un procédé original qui permet des gravures profondes du SiC et réaliser les structures intégrés des JFET. L'ensemble de ces améliorations technologiques nous a permis d'obtenir des nouveaux lots de composants JFET P et N intégrés sur la même puce, avec des meilleures performances par rapport aux précédentes réalisations, notamment avec une conduction dans les canaux 10 à 100 fois plus importante. Nous avons également obtenu une modulation du courant Ids en fonction de la tension Vgs sur un nombre très important de JFET en augmentant significativement le rendement par rapport aux lots précédents.
Author: Loris Pace Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
Book Description
La montée en fréquence de commutation des transistors de puissance à base de Nitrure de Gallium (GaN) présente une avancée technologique conduisant à la réduction de la taille, du poids et du volume des systèmes de conversion de l'énergie. En effet, les propriétés physiques des transistors de type HEMT basés sur l'hétérostructure AlGaN/GaN présentent un fort potentiel pour le développement de convertisseurs statiques haute fréquence. Avec l'augmentation toujours croissante de la part de l'électronique de puissance dans les systèmes électriques actuels, cette filière technologique, associée à la filière du Carbure de Silicium (SiC), vise aujourd'hui à remplacer progressivement les composants de puissance à base de Silicium (Si) notamment pour des raisons de tension de claquage élevée, de robustesse vis-à-vis des conditions sévères de fonctionnement et d'intégration de puissance. La conception optimale des convertisseurs haute fréquence implique une connaissance précise du fonctionnement des composants de puissance au sein de ces systèmes. Ainsi, la conception de ces dispositifs repose sur des étapes d'analyse et de simulations menées à partir des modèles des semi-conducteurs de puissance et des éléments environnants. L'objectif de ce travail de thèse est de proposer une méthodologie de modélisation comportementale de transistors de puissance GaN en boitier basée exclusivement sur des méthodes de caractérisation non-intrusives. Les techniques de caractérisation électriques utilisées pour la modélisation de transistors fonctionnant en gammes radiofréquences, telles que la mesure des paramètres S ou les mesures courant/tension en régime pulsé, sont ici adaptées à la caractérisation du transistor de puissance GaN encapsulé. A partir des résultats de caractérisation, les différents éléments linéaires et non linéaires du modèle électrique du transistor sont obtenus et un modèle électrique complet rassemblant ces éléments est implémenté dans le logiciel de simulation ADS. Un banc de test Double Pulse est alors conçu afin de mettre en application le modèle électrique développé. Après modélisation de l'environnement du transistor, y compris du circuit imprimé, les résultats de simulation des formes d'onde de commutation sont confrontés aux résultats expérimentaux. Afin de tenir compte des effets de la température sur le fonctionnement du transistor, une méthodologie est proposée permettant d'obtenir le modèle thermique du composant à partir de mesures de puissance dissipée et d'une procédure d'optimisation. À partir du modèle obtenu, un convertisseur DC/DC utilisant le transistor GaN modélisé a été conçu et réalisé. Les résultats de simulation des formes d'onde de commutation sont confrontés aux résultats expérimentaux pour différentes températures de fonctionnement du transistor et une prédiction du fonctionnement en continu du convertisseur est réalisée.
Author: Rami Mousa
Author: Rami Mousa
Author: Youness Hamieh
Author: Elena Ivanova Dimitrova-Frey
Author: Damien Risaletto
Author: Lotfi Messaadi
Author: Olivier Berry
Author: Florian Chevalier
Author: Wissam Sabbah
Author: Farah Laariedh (auteur(e) en génie électrique).)
Author: Loris Pace