Caractérisation électrique en commutation de diodes haute tension

Conclusion générale
Conclusion générale
Nous avons développé une procédure d’extraction des paramètres technologiques de
diodes SiC haute tension. Cette technique est basée sur l’identification des paramètres
du modèle de la diode, par comparaison des ondes de courant et de tension simulées et
mesurées, au blocage dans les circuits de commutation.
Pour effectuer des simulations suffisamment précises de la commutation de la diode, il
est nécessaire de modéliser l’ensemble des composants de chaque circuit, tels que les
semiconducteurs, les éléments passifs, le câblage et les sondes de mesure.
Nous avons plus particulièrement travaillé sur le développement de circuits de
commutation OCVD et DMTVCA permettant de découpler le paramètre τ des
paramètres WB, ND et A, facilitant ainsi l’identification en réduisant le nombre de
paramètres à extraire simultanément.
La cellule de commutation résistive a été développée dans le cadre de cette thèse pour
valider l’ensemble des paramètres dans un circuit de type hacheur, afin de se rapprocher
des conditions de fonctionnement réel du composant. Ce circuit fournit des courbes de
tension et de courant beaucoup moins perturbées que la cellule de commutation
inductive pour de fortes tensions et de faibles courants. Ceci permet d’exploiter plus
facilement les relevés de formes d’ondes, dans la mesure où la modélisation de tous les
couplages inductifs et capacitifs de la cellule de commutation inductive était nécessaire
mais extrêmement compliquée.
L’inductance de lissage est à l’origine des perturbations du courant dans la cellule de
commutation inductive. Il apparaît que pour des niveaux de tension élevés, la bobine à
air est insuffisante en terme de valeur inductive, ou de bande passante, pour assurer la
continuité du courant durant la commutation.
Contrairement à la cellule de commutation inductive, la cellule de commutation résistive
n’utilise pas d’inductance de lissage du courant. La valeur du courant de diode à l’état
passant est fixée par l’intermédiaire d’une résistance film faiblement capacitive et
facilement modélisable.
La simulation du blocage de la diode bipolaire SiC caractérisée dans la cellule de
commutation résistive correspond de façon très satisfaisante à l’expérience (Figure
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4.15). Ce bon accord entre simulation et mesure nous permet de valider la valeur des
paramètres technologiques extraits à partir des circuits OCVD et DMTVCA (Tableau
4.2), ainsi que la procédure d’extraction.
L’augmentation de la tenue en tension et du courant à l’état passant des diodes SiC se
répercute sur le dimensionnement des éléments des circuits de commutation. La tension
d’avalanche de nombreux prototypes de diodes SiC, dépasse largement le plus important
calibre en tension d’un interrupteur commandé à semiconducteur en silicium. La mise en
série de composants à semiconducteur commandés s’effectue au détriment de la rapidité
de commutation, car les systèmes d’équilibrage dynamique ralentissent la commutation
en augmentant la constante de temps du système.
Pour éviter de recourir à la mise en série de MOSFET, il est possible d’utiliser un tube à
vide de type thyratron comme interrupteur de forte puissance. Ils sont capables de
fonctionner jusqu'à des courants de l'ordre de la dizaine de kiloampères, avec des
tensions de plusieurs dizaines de kilovolts et un temps de commutation de l’ordre de la
dizaine de nanoseconde [DUFO-06]. Un banc de test de recouvrement inverse de diodes
SiC haute tension a été réalisé avec un thyratron de calibre 2000V-9A [NUTT-04]. Cela
vérifie la faisabilité d’utiliser un tube à vide pour la caractérisation en commutation de
diodes haute tension rapide.
Une autre possibilité consiste à utiliser un interrupteur commandé de type JFET ou
MOSFET SiC. Récemment un JFET SiC de calibre de 5kV-10A a été créé, des MOSFET
et JFET SiC 10kV sont en cours de conception. Un interrupteur commandé semblable au
JFET SiC a été comparé à un MOSFET en silicium (IRF820) dans un circuit de
caractérisation en commutation d’une diode Schottky SiC (UPSC600) pour VR=250V et
IF=0.2A [SPEE-03]. Cette étude a démontrée une plus grande rapidité de commutation
du JFET SiC par rapport au MOSFET en silicium.
La mesure des commutations rapides de composants SiC comme les diodes 5kV ou les
nouvelles diodes 10kV du laboratoire, n’est pas envisageable avec des sondes de tension
classique. Ceci nécessite une large bande passante (>175MHz) et une amplitude de
tension supérieures aux sondes existantes dans le commerce. Pour caractériser en
commutation ces composants, une possibilité à étudier consiste à utiliser la propriété de
polarisation d’un cristal (niobate de lithium ou tellure de cadmium) sous champ
électrique. La polarisation du faisceau émis par un laser au travers du cristal est
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modifiée de façon linéaire par le champ électrique qui lui est appliqué. En étudiant la
modification de l’intensité lumineuse émergeant de la sonde il est possible de connaître
le champ électrique auquel il est soumis [PASS-03]-[CECE-99]. C’est toutefois une
mesure difficile à mettre en œuvre et nous n’avons pas pu la tester.
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