Caractérisation électrique en commutation de diodes haute tension

N° d’ordre 2007-ISAL-0026 Année 2007
THESE
présentée devant
L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
pour obtenir
LE GRADE DE DOCTEUR
Ecole doctorale : Electronique, Electrotechnique, Automatique
Formation doctorale : Génie Electrique
par
Damien RISALETTO
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension
en carbure de silicium
Soutenue le 14 mai 2007 devant la Commission d’Examen
Membres du Jury
J.C. CREBIER Charge de recherche Rapporteur
S. RAEL Maitre de conférence Rapporteur
T. LEBEY Directeur de recherche Examinateur
J.L. SCHANEN Professeur Examinateur
H. MOREL Directeur de recherche Co-directeur de thèse
C. RAYNAUD Maitre de conférence Co-directeur de thèse
Thèse préparée au laboratoire AMPERE à l’INSA de Lyon

2007
SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE
CHIMIE DE LYON M. Denis SINOU
Université Claude Bernard Lyon1
Lab Synthèse Asymétrique UMR UCB/CNRS 5622
Bât 308 - 2ème étage
43 bd du 11 novembre 1918
69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone]
[email protected]
E2MC ECONOMIE, ESPACE ET
MODELISATIN DES
COMPORTEMENTS
M. Alain BONNAFOUS
Université Lyon2 - 14 avenue Berthelot
MRASH
Laboratoire d’Economie des Transports
69363 LYON Cedex 07
Tél : [phone]
[e-mail]
EEA ELECTRONIQUE,
ELECTROTECHNIQUE,
AUTOMATIQUE
M. Daniel BARBIER
INSA de LYON
Laboratoire Physique de la matière
Bâtiment Blaise Pascal
69621 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone]
[email protected]
E2M2 EVOLUTION, ECOSYSTEME,
MICROBIOLOGIE,
MODELISATION
M. Jean-Pierre FLANDROIS
UMR 5558 Biométrie et Biologie Evolutive
Equipe Dynamique des Populations Bactériennes
Faculté de Médecine Lyon-Sud
Laboratoire de Bactériologie
BP12 69600 OULLINS
Tél : [phone]
[e-mail]
EDIIS INFORMATIQUE ET
INFORMATION POUR LA
SOCIETE
M. Lionel BRUNIE
INSA de LYON
EDIIS
Bâtiment Blaise Pascal
69621 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone]
[email protected]
EDISS INTERDISCIPLINAIRE
SCIENCES-SANTE M. Alain Jean COZZONE
Université Claude Bernard Lyon1
IBCP
7 passage du Vercors
69367 LYON Cedex 07
Tél : [phone]
[email protected]
MATERIAUX DE LYON M. Jacques JOSEPH
Ecole Centrale de Lyon
Lab. Sciences et Techniques des matériaux et des Surfaces
Bât F7
36 Avenue Guy de Collongue
BP 163 69131 ECULLY Cedex
Tél : [phone]
[email protected]
MATH IF MATHEMATIQUES ET
INFORMATIQUE
FONDAMENTALE
M. Franck WAGNER
Université Claude Bernard Lyon1
Institut Girard Desargues
UMR 5028 MATHEMATIQUES
Bâtiment Doyen Jean Braconnier
Bureau 101 Bis, 1er étage
69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone]
[email protected]on1.fr
MEGA MECANIQUE, ENERGETIQUE,
GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE M. François SIDOROFF
Ecole Centrale de Lyon
Lab. Tribologie et Dynamique des Systêmes
Bât G8
36 Avenue Guy de Collongue
BP 163 69131 ECULLY Cedex
Tél : [phone]
[email protected]

Remerciements
Le travail présenté dans ce mémoire s’inscrit dans le thème de recherche
« systèmes intégrés de puissance » du laboratoire AMPERE de Lyon.
Je tiens à remercier tout particulièrement monsieur Hervé MOREL,
responsable du laboratoire AMPERE site INSA, pour son encadrement, sa
confiance et ses judicieux conseils. Merci aussi à monsieur Christophe
RAYNAUD, co-directeur de thèse, pour son aide et son soutien de tous les
instants au long de ces trois années de doctorat.
J’exprime mes sincères remerciements à messieurs Jean-christophe CREBIER
et Stéphane RAEL qui me font l’honneur d’être les rapporteurs de ce travail de
thèse.
Je suis très reconnaissant à messieurs Jean-Luc SCHANEN et Thierry LEBEY
de mettre leurs compétences à contribution pour juger ce travail.
Mes plus vifs remerciements vont également à tous les enseignants chercheurs
du laboratoire ainsi qu’à monsieur Pascal BEVILACQUA et madame Sandrine
VALLET que j’ai côtoyés durant ma thèse, travailler avec eux fut un réel plaisir.

THESE - Damien Risaletto - 1 -
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
Table des matières
Nomenclature des symboles utilisés .....................................................4
Table des sigles et acronymes ...............................................................8
Introduction générale............................................................................9
1 Les composants de puissance en SiC ..............................................12
1.1 Propriétés électriques du SiC................................................................. 12
1.2 Les diodes de puissance en SiC .............................................................. 15
1.2.1 La diode PIN ................................................................................ 16
1.2.2 La diode Schottky ........................................................................ 19
1.2.3 La diode JBS ................................................................................ 21
1.3 Protections périphériques des diodes..................................................... 23
1.4 Diode étudiée........................................................................................... 26
1.5 Conclusion............................................................................................... 28
2 Modélisation et caractérisation expérimentale ..............................29
2.1 Etat de l’art en terme de mesure de diodes de puissance...................... 29
2.1.1 Mesure statique............................................................................ 29
2.1.2 Mesure en commutation............................................................... 30
2.1.2.1 Recouvrement inverse..................................................... 30
2.1.2.2 Durée de vie ambipolaire................................................ 30
2.1.3 Conclusion.................................................................................... 31
2.2 Systèmes et instruments de mesure........................................................ 32
2.2.1 Oscilloscope.................................................................................. 33
2.2.1.1 Bande passante................................................................ 33
2.2.1.2 Précision en amplitude.................................................... 34
2.2.1.3 Mode d’acquisition.......................................................... 35
2.2.2 Mesure de courant ....................................................................... 35

THESE - Damien Risaletto - 2 -
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
2.2.2.1 Les transformateurs de courant ..................................... 35
2.2.2.2 Les sondes à effet Hall .................................................... 36
2.2.2.3 Les shunts........................................................................ 36
2.2.2.4 Conclusion....................................................................... 36
2.2.3 Mesure de tension ........................................................................ 37
2.2.3.1 Interaction entre sonde et oscilloscope........................... 37
2.2.3.2 Interaction entre sonde et platine................................... 39
2.2.3.3 Conclusion et études complémentaires........................... 40
2.3 Modélisation des semiconducteurs......................................................... 42
2.3.1 Modèle du MOSFET.................................................................... 44
2.3.2 Modèle de la diode ....................................................................... 48
2.3.3 Conclusion.................................................................................... 50
3 Platines de caractérisation de diodes SiC haute tension................51
3.1 Modélisation des circuits........................................................................ 51
3.1.1 Modélisation des éléments passifs ............................................... 51
3.1.1.1 Les résistances................................................................. 52
3.1.1.2 Les inductances ............................................................... 52
3.1.1.3 Les capacités.................................................................... 53
3.1.1.4 Conclusion....................................................................... 54
3.1.2 Modélisation du câblage .............................................................. 55
3.1.2.1 Les résistances, inductances et les mutuelles ................. 57
3.1.2.2 Les capacités parasites.................................................... 59
3.1.2.3 Conclusion....................................................................... 60
3.1.3 Modélisation des éléments de mesure.......................................... 61
3.1.3.1 La sonde de tension......................................................... 61
3.1.3.2 Le shunt .......................................................................... 62
3.1.3.3 Conclusion....................................................................... 63
3.2 Extraction des paramètres du MOSFET ............................................... 63
3.2.1 Caractérisation statique .............................................................. 64
3.2.2 Circuit de commutation sur charge RL ...................................... 66
3.2.3 Conclusion.................................................................................... 70
3.3 Extraction des paramètres de la diode................................................... 70