Caractérisation électrique en commutation de diodes haute tension

Modélisation et caractérisation expérimentale
Chapitre 2
Modélisation et caractérisation expérimentale
Dans ce chapitre nous nous intéressons aux choix des circuits de caractérisation de
diodes de puissance en SiC, ainsi qu’aux moyens de mesure, puis aux modèles des
semiconducteurs utilisés dans ces circuits. Pour cela nous effectuons un état de l’art des
circuits de caractérisation et des moyens de mesure existants. Nous présentons ensuite
les modèles de composants à semiconducteur sélectionnés pour simuler les circuits
expérimentaux.
2.1 Etat de l’art en terme de mesure de diodes de puissance
Le fonctionnement des diodes est décrit suivant deux modes :
- Le régime statique constitué par l’état conducteur et l’état bloqué.
- La commutation à la mise en conduction et au blocage. Le blocage est la phase la
plus intéressante car la plus riche en informations.
Dans les paragraphes suivant nous présentons les circuits permettant d’étudier le
comportement de la diode suivant son fonctionnement en régime statique et en
commutation.
2.1.1 Mesure en statique
Le montage qui permet de caractériser le régime statique est identique pour tous les
types de diodes. Il consiste à appliquer un créneau de tension positive puis négative aux
bornes du composant sous test et de mesurer le courant correspondant. Une résistance
est ajoutée en série pour limiter le courant.
Pour les diodes non encapsulées, la connexion avec la métallisation est effectuée par une
pointe. Les appareils « source de tension-multimètre » (Keithley 2410) permettent
l’automatisation de la mesure, le dialogue avec l’ordinateur utilise une liaison GPIB.
En ce qui concerne les diodes encapsulées, la courbe ID = f(VD) en direct et en inverse
est obtenue par un traceur Tektronix 371A. Il est capable de balayer le plan U-I jusqu'à
3kV et 400A.
THESE - Damien Risaletto - 29 -
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium

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2.1.2 Mesure en commutation
Les circuits de caractérisation en commutation de diodes peuvent se regrouper selon
leurs usages : soit ils servent à étudier le recouvrement inverse, ou bien à déterminer la
durée de vie ambipolaire.
2.1.2.1 Recouvrement inverse
Le circuit le plus couramment utilisé pour la caractérisation en commutation des diodes
de puissance est le convertisseur continu-continu appelé « dévolteur » représenté sur la
figure 2.1.
L
E T D R
Figure 2.1 : Hacheur dévolteur.
La majorité des montages rencontrés font appel à un interrupteur commandé de type
MOSFET en silicium. Cependant pour la caractérisation des diodes de puissance en SiC,
certains circuits font appel à des composants plus originaux tel que le tube à décharges
[NUTT-04], ou encore un interrupteur commandé semblable au JFET SiC [SPEE-03].
Ces composants ont une capacité parasite très faible, donc la possibilité de commuter à
des fréquences plus élevées que le MOSFET en silicium, et aussi une tenue en tension
plus importante.
Le circuit hacheur dévolteur est bien adapté pour effectuer des mesures en conditions
réelles d’utilisation de la diode, notamment pour étudier l’influence de la température
sur les pertes en commutation, ou encore pour comparer les performances électriques
des diodes SiC et silicium [OZPI-03].
2.1.2.2 Durée de vie ambipolaire
Deux différentes techniques faisant appel à un circuit spécifique sont employées pour
estimer la valeur de la durée de vie ambipolaire d’une diode PIN : la méthode appelée
OCVD qui est la plus couramment utilisée, et celle nommée CRT [LEVI-04]-[NEUD-
98].
THESE - Damien Risaletto - 30 -
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Le circuit OCVD présenté au paragraphe 3.3.3 consiste à appliquer un courant direct
dans la diode, puis à l’interrompre rapidement par l’ouverture d’un interrupteur
commandé. La pente de décroissance de la tension de diode après interruption du
courant est dépendante de la durée de vie ambipolaire.
Le circuit CRT schématisé sur la figure 2.2, consiste à faire circuler un courant direct IF
dans la diode, puis à limiter le courant de recouvrement à une valeur IR. La durée du
plateau tS (Figure 2.3) pendant lequel la diode reste conductrice est déterminée par la
durée de vie ambipolaire (Equation 2.1) [NEUD-89].
RI RR
ID
VI VR D
K
Figure 2.2 : Circuit de commutation CRT.
ID
IF
t
IR
tS
Figure 2.3 : Courant de diode au blocage dans le circuit CRT.
2
1
ln 1 /
SRF
tII τ
⎛⎞
=+
⎜
⎝⎠
⎟
(2.1)
2.1.3 Conclusion
Il existe un nombre important de circuits de commutation de diodes SiC permettant
principalement de démontrer la supériorité des diodes SiC par rapport aux diodes en
silicium, en terme de rapidité de commutation, de pertes en commutation et d’influence
de la température.
THESE - Damien Risaletto - 31 -
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Très peu de circuits permettent la caractérisation en commutation des diodes SiC, la
majorité de ces circuits sont similaires à ceux utilisés pour l’étude des diodes en
silicium. Le principal changement réside dans l’utilisation d’un interrupteur commandé
spécifique, afin d’obtenir une importante tenue en tension et une grande rapidité de
commutation, pour s’adapter aux performances électriques des diodes SiC. Mais les
résultats ne sont pas satisfaisants, car pour de fortes tensions, les formes d’ondes de
courant de diodes en commutation sont perturbées. La superposition de la mesure et de
la simulation est alors difficile, ainsi les paramètres extraits ne sont pas validés.
Il est donc nécessaire de déterminer l’origine des perturbations du courant de diode en
commutation, et de proposer une solution à ce problème. Ceci fait l’objet du chapitre 4.
2.2 Systèmes et instruments de mesure
Les sondes sont des dispositifs insérés dans le circuit, permettant de mesurer la tension
et le courant. Dans ce paragraphe nous nous intéressons à la sélection des sondes et aux
interactions avec les éléments auxquels elles sont connectées, ainsi qu’aux éléments
déterminant le choix d’un oscilloscope pour effectuer des mesures en commutation.
Nous avons utilisé une carte d’interface GPIB120A distribuée par la société National
Instruments, pour dialoguer via un ordinateur avec l’oscilloscope et l’alimentation de
tension. La structure de l’équipement est décrite à la figure 2.4.
THESE - Damien Risaletto - 32 -
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THESE - Damien Risaletto - 33 -
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générateur d’impulsions
générateur alimentant les
cartes de commande
circuit de commutation
alimentation de courant
alimentation de tension
inductance de lissage à air
inductance de lissage avec
circuit magnétique
oscilloscope
Figure 2.4 : Photographie de l’équipement du système de mesure.
2.2.1 Oscilloscope
2.2.1.1 Bande passante
Pour des mesures de commutations rapides, nous avons besoin d’un appareil de mesure
avec une bande passante importante. Pour suivre un signal qui a un temps de montée (tr),
on est limité par le temps de montée maximal autorisé par l’appareil de mesure (tm).
Ainsi le temps de montée restitué à la sortie de l’appareil de mesure (ts) est supérieur à
tr. La relation entre ces temps est donnée par [FARJ-93] (voir Annexe5):
22
s
rm
ttt=+
(2.2)
Lorsqu’on multiplie la fréquence de coupure d’un instrument par le temps de montée du
signal en entrée, on obtient le rapport entre le temps de montée du signal d’entrée et
l’expression de la bande passante en sortie (voir Annexe5).