308 ACTA ELECTROTEHNICA Mécanismes de défaillance des IGBT sous l'effet d'un court-circuit lors d'une charge inductive Abdelhamid HALLOUCHE RESUME : Les applications en électronique de puissance nécessitent des composants ayant un certain pouvoir de commutation fortement efficace. Les composants subissent des efforts électriques et thermiques durant la commutation notamment quand le défaut se produit. Ainsi il est nécessaire de connaître les limites de fonctionnement extrêmes pour différentes charges. L'utilisation des IGBT dans des convertisseurs de forte puissance les soumet souvent à certaines contraintes électriques assez importantes tels que le courtcircuit et aussi l’ouverture sur une charge inductive La robustesse de l’IGBT sous fortes contraintes est une nécessité assez importante. Mais en raison des limites des paramètres thermiques du semi-conducteur, son propre échauffement plus ou moins important se produit dans des conditions de dissipation à forte puissance, conduisant par la suite à l’incident thermique du dispositif. Mots-clés : IGBT, défaut dans le courant, défaut dans la charge, court-circuit. 1. INTROUCTION Les transistors bipolaires à grille isolés offrent d'excellentes performances en termes de caractéristiques de conduction et de déclenchement, car ils se comportent fondamentalement comme des transistors bipolaires avec la facilité de la commande des MOSFET de puissance. L'application des IGBT dans le domaine des convertisseurs de puissance est intéressante au cas où des valeurs considérables de courant et de tension ainsi que de commutation seraient demandées. Les applications actuelles dans le domaine des fortes puissances imposent aux IGBT des conditions non sans importances comme prouver sa robustesse de fonctionnement au sein de l’aire de sécurité ou « safe operating area » (SOA) et aussi durant le court-circuit, afin d’établir des conditions critiques effectives qui peuvent le conduire à la défaillance [1]. La prévision des défauts représente une issue provocante, parmi les tâches des concepteurs de convertisseur de puissance. © 2008 – Mediamira Science Publisher. All rights reserved. Donc, nous pouvons dire que l'identification d'un défaut dans le courant durant la commutation des composants puis un action rapide appropriée pour y remédier sont énormément importantes pour un fonctionnement fiable et sans problèmes des divers convertisseurs de puissance. En effet, un défaut de court-circuit est une des situations les plus contraignantes dans un circuit puisqu'il peut entraîner une défaillance des dispositifs si des dispositions appropriées pour la protection de ces derniers ne sont pas adoptées. Ce mode de fonctionnement est rencontré lorsqu’un transistor se retrouve accidentellement passant sur une source de tension (généralement à cause d’un défaut de commande). Dans ce cas de figure, c’est le composant seul qui limite le courant dans la maille (courant de court-circuit élevé, 5 à 10 fois le courant nominal), avec la pleine tension d’alimentation à ses bornes. Ce mode de fonctionnement est donc extrêmement contraignant à cause du niveau d’énergie très élevé que doit alors dissiper le composant. Les Volume 49, Number 3, 2008 composants de puissance peuvent toutefois accepter de tels régimes pourvu qu’ils soient fugitifs (d’une durée généralement inférieure à 10µs). D’où la nécessité d’une protection des IGBT à l’égard des défaillances provoquées par des courts-circuits transitoires, nous pouvons dire que la protection est recommandée dans de nombreuses applications industrielles là ou où les composants sont soumis à plusieurs types de défaut [2]. 2. STRUCTURE DE L’IGBT La figure 2 (a) et 2(b), montrent la structure d’un IGBT avec les différents dopages et les différents éléments permettant de déduire le schéma équivalent du composant. 309 effets de cet élément parasite, un contact en surface est réalisé technologiquement entre les couches N+ et P+ par l’émetteur, courtcircuitant ainsi la jonction émetteur-base du transistor NPN [3]. La résistance Rp correspond au puits P+ situé en dessous de la couche N+. Sa valeur doit être la plus faible possible pour éviter le déclenchement du thyristor parasite. La résistance RN-, symbolisant la couche épitaxiée N-, est modulée par l’injection de porteurs minoritaires (trous) depuis la couche P+. Sa valeur doit être aussi très faible. La résistance RN- ne constitue plus qu’une résistance d’accès à la base du transistor PNP. L'effet thyristor apparaît quand la tension aux bornes de Rp atteint la tension VBE, seuil de la jonction base-émetteur du transistor NPN. 3. CONSIDERATIONS IMPORTANTES Fig. 2. (a) Structure de l’IGBT et (b) schéma équivalent. La grille de la structure MOS permet de créer un canal en surface entre la couche N+ et la couche N-. La présence de la couche de collecteur P+ implique l'existence d'un transistor PNP ayant pour base la couche Népaisse et peu dopée et pour jonction collecteur-base la jonction N-/P+ normalement polarisée en inverse. Les trois couches N+P+N- constituent une structure de transistor bipolaire NPN provoquant avec le P+N-P+ un effet thyristor parasite. Afin d'éliminer les Evoluant souvent dans des conditions environnementales et opératoires difficiles, l’ IGBT doit être correctement dimensionné, en tenant compte des contraintes tant électriques que thermiques. Bien que robuste, il ne doit jamais sortir de l’aire de sécurité, ni dépasser les valeurs maximales critiques spécifiées. Son intégration dans un convertisseur de puissance fait par ailleurs intervenir des considérations mécaniques. De ce fait, la température de jonction doit être impérativement indiquer, dès qu’il s’agit de certains paramètres comme : la tenue en courant, de pertes d’énergie, de dissipation maximale de puissance et de temps de commutation [4]. Cela est en particulier le cas pour le courant collecteur dont la valeur maximale admissible évolue fortement en fonction de la température de jonction sans oublier le pic de courant collecteur que l’IGBT doit supporter surtout durant le mode opératoire impulsionnel. En électronique de forte puissance, on a affaire à des dispositifs destinés initialement à la traction ferroviaire [5]. Pour le concepteur, le choix d’un dispositif dont les performances ont été jugées 310 ACTA ELECTROTEHNICA conformes à ses attentes doit être en accord avec ses objectifs essentiels. Ceux-ci seront généralement de diminuer le coût, le poids et le volume de son convertisseur, tout en respectant les contraintes susceptibles de rencontrées inévitablement. Les différentes structures d’IGBT permettent une technologie sophistiquée, lui permettant d’évoluer et de s’adapter aux contraintes particulières de chaque application. Un point important également à ne pas oublier c’est l’estimation des pertes. En effet, les pertes occasionnées au cours des cycles de commutation et aussi de conduction doivent être impérativement évaluées. Bien entendu que dans les applications à haute fréquence de commutation, les premières sont prédominantes. Les pertes en régime de commutation résultent de la somme des pertes à la fermeture et à l’ouverture. La principale cause de destruction d’un IGBT est d’origine thermique. Les conséquences sont alors désastreuses lorsqu’elle entraîne la perte d’un convertisseur ou d’un équipement complet. Une élévation anormale de la température peut résulter d’un court-circuit, d’un amorçage dynamique, d’un effet d’avalanche ou bien elle est liée au cycle et à la fatigue thermique [6]. Hormis la température, bien d’autres phénomènes sont susceptibles de mettre la vie du composant en danger. Ainsi en est-il des courts-circuits, des surintensités et des surtensions. L’IGBT est en court-circuit lorsque le courant qui devient supérieur à la valeur nominale, est limité uniquement par l’IGBT. Ce régime se distingue de celui de la surintensité. En effet, dans ce cas c’est le circuit extérieur qui limite ou impose le courant. Si le régime de court-circuit est supporté par la grande majorité des IGBT, il n’est pas conseillé de rester dans cet état pendant plus de 10us. Une autre cause de destruction de l’IGBT est la surtension aux bornes de celui-ci, se traduisant par une tension collecteur supérieure à celle admissible par le composant. A cet effet, se reporter à l’aire de sécurité c’est définir les zones de fonctionnement autorisées du composant dans le plan courant-tension, figure 1. Fig. 1. Exemple d'aire de sécurité. Dans ces zones, l’IGBT peut travailler sans subir de dommages dans les périodes où à la fois un courant important traverse le semiconducteur et une tension importante est présente à ses bornes, c’est-à-dire en dehors du fonctionnement « saturé » (conducteur et faible chute de tension). Dans tous les cas ces zones de fonctionnement ne peuvent être que transitoires, car les puissances dissipées en valeurs instantanées sont de plusieurs ordres de grandeur au dessus de la puissance admissible nominale du composant [7]. Et enfin, ne pas oublier de donner une importance particulière à la durée de commutation. Ces durées sont susceptibles d’évoluer en fonction de nombreux paramètres, et notamment de la température. 4. RESULTATS ET DISCUTION La capacité de l'IGBT au court-circuit est testée à la température de 125°C en utilisant le circuit représenté sur la figure 3. Fig. 3. Schéma de principe du circuit de test du court-circuit. Volume 49, Number 3, 2008 Le circuit est alimenté par une source de tension continue VCC de 600V. L’IGBT est commandé au travers d’une résistance de grille RG par une source de tension variant par 311 composant ne peut supporter ce qui conduit à un échauffement considérable de celui-ci conduisant à des pertes énormes, figure 5. échelons entre 0V et 15V. La résistance rP de 20m et l’inductance l P de 33nH, représentant les effets parasites dus aux différentes connections dans le circuit, sont indispensables afin d’optimiser les différents résultats. Lorsqu’un court-circuit se produit dans la partie collecteur, le courant commence à grimper jusqu'à ce qu'il atteigne sa valeur maximale définie par la tension d'alimentation, le gain du composant et la tension de la grille. La performance des composants ne peut empêcher la défaillance de ces derniers lors d’un court-circuit ce qui impose une protection de ces dispositifs pour un meilleur fonctionnement. [8]. La présence d’une tension et d’un courant importants d’une manière simultanée au niveau du composant, entraîne des pertes de puissance instantanées très élevée, ce qui induit une élévation de température du composant. Si la durée du problème (stress) dépasse celle indiquée par les fabricants, la destruction du composant est inévitable. Le circuit proposé fonctionne de telle manière qu’il puisse à réduire le temps de conduction lorsque le court-circuit est détecté. [9]. La figure 4, montre l’allure du courant et celle de la tension durant la phase du courtcircuit. Fig. 5. Puissance dissipée. A partir de ces graphes, nous pouvons défendre l’évidence d’une utilisation d’un circuit de protection afin de prévenir les conditions menant à la défaillance du composant. Les niveaux élevés des électrons de conduction durant l'impulsion de court -circuit entraînent des concentrations en porteur non équilibrées dans la base N-. Ces porteurs ont tendance à modifier le dopage de fond effectif et mènent plus tard à de grandes déformations dans la distribution du champ électrique. Un tel comportement provoquera un effet négatif de la résistance différentielle normalement accompagné avec les formations élevées de filaments de courant qui par la suite peuvent entraîner la destruction du dispositif. Une méthode simple pour doter l’IGBT d’une certaine efficacité avec une capacité de pouvoir résister aux courts-circuits est Fig. 4. Allures de la tension et du courant collecteur. Nous remarquons un pic de courant assez important durant la fermeture que le Fig. 7. Circuit de test avec R=50mΩ. 312 ACTA ELECTROTEHNICA d’intercaler une résistance de faible valeur en série avec l’émetteur, figure 7. Cette résistance réduit le gain effectif de l’IGBT sous le courtcircuit en vertu de la tension V R = R × I C . Cette tension assez faible est soustraite directement de la tension globale grilleémetteur. La tension aux bornes de la résistance est assez faible qu’elle ne puisse modifier l’effet de la tension de commande sur la grille. Les oscillogrammes de la figure 8 montrent les résultats obtenus pour le courant collecteur et la tension collecteur-émetteur VCE. Ils montrent aussi l’effet de cette résistance R sur le temps de court-circuit. température menant à une éventuelle défaillance. L'IGBT alors reste efficace avec en plus, des pertes beaucoup moins importantes par rapport à ce que nous avons obtenu auparavant, figure 9. Fig. 9. Puissance dissipée durant le court-circuit. Nous remarquons nettement l’influence de R sur les différents paramètres lors du court-circuit. Le courant de court-circuit est nettement amélioré entraînant ainsi à une nette amélioration des énergies dissipées le long de ce court-circuit. 5. CONCLUSION Fig. 8. Allures du courant IC et de VCE. En effet, cette faible résistance de 50mΩ , permet un temps de court-circuit de 10 μs pour une tension de 600Volts. Nous remarquons aussi un pic de courant à la fermeture de l’IGBT mais qui reste supportable de telle manière qu’il est sans dommage pour celui-ci. Les avantages de l'application sont comme suit: a- Le temps du court-circuit peut être conçu à la valeur spécifique sollicitée pour une application particulière sans changer la conception de l'IGBT en choisissant tout simplement la valeur de la résistance liée à la borne de l’émetteur. Plus court est le temps demandé du court-circuit, plus faible est la valeur de la résistance et moins importantes les supplémentaires [10]. b- Les pertes supplémentaires sont dissipées par la résistance et non par l’IGBT, évitant ainsi une éventuelle élévation de Cet article a montré le phénomène de court-circuit qui peut être destructif pour le composant si nous n’essayons pas de le prévenir ou de le contrôler s’il est inévitable. Pas mal d’astuce sont toujours possibles pour mieux cerner les différents problèmes. Les différents résultats obtenus dans de diverses conditions indiquent que le circuit proposé est assez performant et peut a les procéder à la détection précise de la surintensité ainsi qu’à la détection rapide et la réaction rapide qui sont suffisants pour limiter efficacement le pic du courant initial. Le courant de défaut étant cerner, il réduit de ce fait le pic de la puissance et la dissipation d'énergie et, par conséquent, augmente le temps d'endurance du courant de défaut. Le circuit est donc capable non seulement de contrôler l’état stable, mais aussi le courant de défaut transitoire. Volume 49, Number 3, 2008 REFERENCES 1. M. Ciappa “Selected failure mechanisms of modern power modules”, Microelectronics reliability, Vol. 42, issues 4-5, avril/mai 2002, pp. 653-667 2. R.L. Cassel et al., “A New Type Short Circuit Failures of High Power IGBTs”, Proc. of the 2001 Pulsed Power Plasma Science, Las Vegas, Nevada. 3. Jacques Leclercq “Electronique de puissance : éléments de technologie”, Technique de l’ingénieur volume D, pp D3 220-1 – D3 220-22 4. Philippe Le Turcq, “A Study of Distributed Switching Processes in IGBTs and Other Power Bipolar Devices”, IEEE th 28 Annual Power Electronics Specialists Conference, Vol.1, pp. 139147, 1997 5. F. Saint-Eve, S. Lefebvre, Z. Khatir, “Comportement de transistors IGBT en régime répétitif de court-circuit" Revue Internationale de Génie Electrique, ed. Hermès, juin 2004 6. Jean-Pierre Petit, “Dissipation thermique dans les systèmes électroniques”, Technique de l’ingénieur volume E, pp E3 952-1 – E3 952-16 313 7. Jérôme Vallon, “Introduction à l’étude de la fiabilité des cellules de commutation à IGBT sous fortes contraintes” Thèse de doctorat, L’Institut National Polytechnique de Toulouse, 2003. 8. B. Gutsmann, P. Kanschat, M. Münzer, M. Pfaffenlehner, T. Laska, “Repetitive short circuit behaviour of trench/field stop IGBT”, PCIM 2003, Nuremberg. 9. CIRCUIT AND METHOD FOR IMPROVING SHORT-CIRCUIT CAPABILITY OF IGBT 10. H. Nakamura, et al., “Wide cell pitch 1200V NPT CSTBTs With Short Circuit Ruggedness”, International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 2001. Abdelhamid HALLOUCHE Département d Electrotechnique Laboratoire IRECOM Université Djillali Liabes Sidi Bel Abbes, Algerie [email protected]