Caractérisation électrique en commutation de diodes haute tension

Introduction générale
Introduction générale
Matériau semiconducteur à grand gap, le carbure de silicium (SiC) possède d’excellentes
propriétés électriques et thermiques.
Son champ électrique critique est dix fois supérieur à celui du silicium (Si), offrant ainsi
la possibilité de réaliser des composants de plus grande tenue en tension.
L’accroissement du calibre en tension permet de réduire le nombre de composant mis en
série. Ceci a pour conséquence la réduction des pertes, de l’encombrement et simplifie le
dispositif d’équilibrage, pour des applications haute tension.
La conductivité thermique est trois fois plus importante dans le SiC, de plus il peut
fonctionner à haute température. Il est donc possible de réduire le volume du système de
refroidissement.
Les composants de puissance en SiC trouvent des applications en électronique haute
tension, haute température, ou en réponse à des contraintes de volume, de poids et de
rendement. Les domaines intéressés sont principalement les réseaux de distribution
électrique, les véhicules électriques, le transport aérien, l’aérospatial ou encore
l’alimentation des appareils nomades.
La diode est le composant de conception la plus simple, c’est aussi le plus utilisé dans
les convertisseurs statiques. Pour ces raisons ce fut le premier composant conçu en SiC
et actuellement uniquement les diodes Schottky sont commercialisées. De nombreux
autres composants prototypes furent réalisés : des MOSFET, des transistors bipolaires,
des JFET et des thyristors.
Le laboratoire AMPERE travaille depuis une quinzaine d’année sur le développement et
la fabrication de composants de puissance en carbure de silicium. Dans le cadre du GDR
2084 Intégration des Systèmes de Puissance de 2002 [GDR-02], le laboratoire AMPERE
a réalisé des diodes bipolaires 4.8kV, en collaboration avec le CIME et l’IMM. La
caractérisation statique et dynamique de ces nouvelles diodes est essentielle afin de
connaître leurs performances, et d’extraire les paramètres du modèle permettant de
simuler leur fonctionnement dans un convertisseur. La caractérisation de ces diodes
constitue l’objet de ce mémoire.
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
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Introduction générale
Depuis la thèse de C.C. Lin [LIN-94] le laboratoire AMPERE utilise une technique
d’extraction des paramètres de diodes de puissance basée sur la comparaison entre les
mesures à l’ouverture et les simulations correspondantes. Cette méthode fournit des
résultats plus proches de la réalité que des mesures capacitives, dans la mesure où le
composant est placé dans son fonctionnement normal : la commutation.
Une cellule de commutation MOSFET-diode est employée pour effectuer les mesures au
blocage. Comme tous les paramètres sont optimisés simultanément, l’approche demeure
très lourde, car elle demande de très nombreuses simulations (des milliers) [GHED-98].
Les travaux de thèse de S. Ghedira [GHED-98] ont permis de découpler les paramètres à
identifier en utilisant deux circuits de commutation distincts. Le circuit OCVD
classiquement utilisé pour extraire la durée de vie ambipolaire, il polarise la diode en
régime de forte injection sans recouvrement inverse. Le circuit DMTVCA fournit les
autres paramètres en étudiant le recouvrement inverse sous fort champ électrique et en
régime de désertion. La cellule de commutation est utilisée pour valider les paramètres
extraits des précédents circuits.
Le but de cette thèse est de développer, d’analyser et de modéliser les circuits de
commutation adaptés aux performances exceptionnelles des diodes SiC. A partir des
mesures obtenues sur les platines de caractérisation sont extraits les paramètres
technologiques utilisés dans le modèle de la diode.
Dans le premier chapitre nous introduisons le carbure de silicium en présentant ses
propriétés
physiques
et
électriques,
comparées
à
celles
d’autres
matériaux
semiconducteurs. Nous décrirons ensuite les différents types de diodes de puissance SiC
existantes. Enfin nous présenterons la diode bipolaire SiC haute tension caractérisée
dans ce travail.
Le début du deuxième chapitre constitue un état de l’art des circuits de caractérisation
de diode SiC. Puis, nous illustrons le choix des éléments de mesure et des modèles de
composants semiconducteurs utilisés dans les bancs de commutation de diodes SiC.
Le troisième chapitre décrit les platines expérimentales développées pour caractériser les
diodes SiC haute tension. Nous commençons par présenter la méthode de modélisation
des circuits. Ensuite nous appliquons la technique d’extraction des paramètres sur
chaque circuit de caractérisation.
THESE - Damien Risaletto
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de diodes haute tension en carbure de silicium
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Introduction générale
Les paramètres de la diode identifiés précédemment sont validés dans un circuit de type
hacheur, afin de se rapprocher des conditions de fonctionnement réel du composant. Le
quatrième chapitre présente la cellule de commutation inductive conçue pour
caractériser les diodes silicium de puissance, ainsi que la cellule de commutation
résistive spécialement développée pour la caractérisation des diodes SiC haute tension.
Une conclusion sur la procédure de caractérisation des diodes SiC haute tension
précédera les perspectives de la thèse. Elles concernent l’évolution des circuits de
commutation pour caractériser des diodes SiC de plus grand calibre en tension.
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