modélisation physique d`un transistor de puissance

THÈSE NO 3215 (2005)
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
PRÉSENTÉE À LA FACULTÉ SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
Institut des sciences de l'énergie
SECTION DE GÉNIE ÉLECTRIQUE ET ÉLECTRONIQUE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
ingénieur électricien diplômé EPF
de nationalité suisse et originaire de Suchy (VD)
acceptée sur proposition du jury:
Prof. A.-Ch. Rufer, directeur de thèse
Dr S. Azzopardi, rapporteur
Dr F. Bauer, rapporteur
Prof. M.-A. Ionescu, rapporteur
Lausanne, EPFL
2005
MODÉLISATION PHYSIQUE D'UN TRANSISTOR
DE PUISSANCE IGBT -
TRAÎNÉE EN TENSION À L'ENCLENCHEMENT
Serge PITTET

iii
Avant-propos
J’ai débuté mon activité professionnelle au Laboratoire d’Electronique
Industrielle par un mandat de AD-Tranz, concernant la validation de dif-
férents macromodèles de transistors IGBTs dans des circuits particuliers.
Les résultats obtenus en utilisant des modèles existants en commutation
douce n’étaient pas satisfaisants, les phénomènes liés à l’enclenchement
n’ayant été que peu étudiés. Il a été ainsi décidé de poursuivre les re-
cherches concernant la modélisation des transistors IGBTs dans le cadre
d’un travail de doctorat.
Je remercie le Professeur Alfred Rufer, directeur de thèse, pour son sou-
tien, son encadrement et sa confiance pendant ces cinq dernières années,
dont trois consacrées à ce travail de thèse.
Je remercie tous mes collègues du laboratoire, et en particulier Philippe
Barrade, Marc Nicollerat, Sébastien Mariéthoz et Félix Grasser pour leur
aide précieuse.
Merci à Friedhelm Bauer et Nando Kaminski, de ABB Semiconductor à
Lenzburg, pour leur soutien technique et leurs conseils avisés.
Un grand merci à Michel Pilet pour sa correction du manuscrit.
Et finalement un grand merci à ma famille, à ma femme Huanyu, à mes
enfants Raphaël et Elodie pour avoir supporté mes doutes et mes angoisses
durant ces trois années de thèse.

v
Résumé
Le transistor IGBT, associant les avantages en conduction du transis-
tor bipolaire et les avantages en commutation du transistor MOSFET, est
largement utilisé pour les applications de moyenne et forte puissance avec
des tensions d’alimentation comprises entre 600V et 4.5kV. De nouvelles
topologies, permettant une diminution des pertes dans les éléments se-
miconducteurs, sont régulièrement proposées et doivent être validées par
simulation. Les simulateurs par éléments finis (FEM) permettent une ana-
lyse précise et fiable des pertes dans un composant, mais nécessitent un
temps de calcul trop important pour pouvoir être utilisés par les électro-
niciens de puissance lors de la validation de circuits complexes.
Un macromodèle équivalent du transistor prédisant de manière correcte
les courants et tensions à ses bornes pour un temps de calcul réduit est
alors nécessaire. On propose dans ce travail de thèse un modèle complet
d’IGBT, entièrement basé sur une analyse de physique des semiconduc-
teurs et validé par une comparaison avec des résultats de simulation par
éléments finis. Ce modèle donne de très bons résultats quel que soit le
type de sollicitation imposée au transistor et le point de fonctionnement
étudié.
La conduction de la base est modélisée par une approche de charge équi-
valente novatrice, permettant une représentation précise des phénomènes
statiques et dynamiques avec un macromodèle équivalent relativement
simple. La méthode de résolution des équations de Poisson a été revue
pour mieux correspondre aux évolutions récentes de la structure interne
des IGBTs. Toutes les approximations et hypothèses ont été validées par
une série appropriée de simulation par éléments finis.