Contribution à l'Etude d'un Onduleur Haute Température à base de JFET en carbure de silicium PDF Download
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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.
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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.
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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]).
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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.
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Depuis le début des années 2000, les composants en carbure de silicium (SiC) sont présents sur le marché principalement sous la forme de diodes Schottky et de transistors FET. Ces nouveaux semi-conducteurs offrent des performances en commutation bien supérieures à celles des composants en silicium (Si) ce qui se traduit par une diminution des pertes et une réduction de la température de fonctionnement à système de refroidissement identique. L'utilisation de composants SiC ouvre donc la possibilité de concevoir des convertisseurs plus compacts ou à une fréquence de commutation élevée pour une même compacité. C'est avec cet objectif d'augmentation de la fréquence de commutation qu'a été menée cette étude axée sur l'utilisation de composants SiC au sein d'un onduleur triphasé. Le convertisseur sur lequel se base l'étude accepte une tension d'entrée de 450V et fournit en régime nominal un courant de sortie efficace par phase de 40 A. Le choix des composants SiC s'est porté sur des transistors JFET Normally-Off et des diodes Schottky SiC car ces composants étaient disponibles à la vente au début de ces travaux et offrent des pertes en commutation et en conduction inférieures aux autres structures en SiC. Les transistors FET possèdent une structure et des propriétés bien différentes des IGBT habituellement utilisés pour des convertisseurs de la gamme considérée notamment par leur capacité à conduire un courant inverse avec ou sans diode externe. De ce fait, il est nécessaire de développer de nouveaux outils d'aide au dimensionnement dédiés à ces composants SiC. Ces outils de calculs sont basés principalement sur les paramètres électriques et thermiques du système et sur les caractéristiques des composants SiC. Les premiers résultats montrent qu'en autorisant la conduction d'un courant inverse au sein des transistors, il est possible de diminuer le nombre de composants. Basées sur ces estimations, une maquette de bras d'onduleur a été développée et testée. Les premiers thermiques montrent que pour une puissance de 12kW, il est possible d'augmenter la fréquence de commutation de 12 kHz à 100 kHz.
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LES POTENTIALITES DU CARBURE DE SILICIUM EN TANT QUE MATERIAU SEMICONDUCTEUR EN VUE D'OBTENIR UN COMPOSANT DE PUISSANCE SONT ICI ETUDIEES, POUR DES APPLICATIONS DE PUISSANCE DANS LA GAMME (1500 V-1 A). LES PARAMETRES DU MATERIAU CONNUS A CE JOUR PERMETTENT LA CONCEPTION ASSISTEE PAR ORDINATEUR DE COMPOSANTS EN SIC POUR MIEUX CERNER LA TRIPLE ADEQUATION MATERIAU/COMPOSANT/TECHNOLOGIE. LES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DE TROIS TYPES DE TRANSISTORS (BIPOLAIRE, MOSFET ET JFET) SONT ETUDIEES A L'AIDE DE SIMULATIONS ELECTRIQUES BIDIMENSIONNELLES (LOGICIEL PISCES). UNE PROTECTION PERIPHERIQUE DES COMPOSANTS DE PUISSANCE EST NECESSAIRE POUR SE PREMUNIR DU CLAQUAGE PAR AVALANCHE DU A LA HAUTE TENSION. DEUX TYPES DE PROTECTION CLASSIQUES DE LA FILIERE SILICIUM (ANNEAUX DE GARDE ET STRUCTURE MESA) SONT ETUDIEES AVEC LES CONTRAINTES LIEES AU SIC. ENFIN, LA GRAVURE DU SIC APPARAIT COMME UNE ETAPE TECHNOLOGIQUE CLEF POUR LES COMPOSANTS DE PUISSANCE, ET NOUS PRESENTONS NOS RESULTATS EXPERIMENTAUX DE GRAVURE PAR PLASMA DANS UN REACTEUR UTILISANT LE PRINCIPE DE LA RESONANCE CYCLOTRONIQUE ELECTRONIQUE DISTRIBUEE
Author: Elena Ivanova Dimitrova-Frey Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 196
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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.
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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.
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La filière carbure de silicium pour la réalisation de composants de puissance semble être prometteuse dans un avenir proche. Ses propriétés physiques en font un excellent candidat pour des applications où se mêlent haute tension et haute température. Le sujet abordé dans cette thèse entre intégralement dans ce domaine en proposant l'étude d'un composant limiteur de courant en carbure de silicium. Ce dispositif est destiné à la protection des sytèmes électriques contre les surintensités sur un réseau 50 Hz. La fonction demandée est de limiter le courant de surcharge sur une durée limitée et suffisante pour autoriser l'ouverture de la ligne par un organe disjoncteur dans des conditions propices. La conception d'un composant en SiC-4H répondant au cahier des charges (600 V / 50 A) a abouti à une définition des paramètres technologiques assistée par le logiciel de simulation par éléments finis développé par ISEtmTCAD. Un premier prototype, réalisé avec le concours du CNM (Barcelone), montre une densité de courant de saturation d'environ 200.A.cm-2 et une résistance série spécifique de 150 mégaOhms.cm2. Le concept proposé en simulation a été vérifié expérimentalement. Le démonstrateur a permis de "rôder" certains points technologiques et de définir un ensemble de corrections envisagées sur la réalisation d'un second prototype. Les prototypes suivant atteignent une densité de courant de saturation de 800 A.cm-2 avec une résistance série spécifique de 14 mégaOhms.cm2. Les seconds prototypes de composants limiteurs de courant en SiC-4H réalisés se situent parmi les meilleurs représentants des Accu-MOSFETs obtenus dans la littérature.
Author: Olivier Berry
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