Caractérisation électrique en commutation de diodes haute tension

Platines de caractérisation de diodes SiC haute tension
Chapitre 3
Platines de caractérisation de diodes SiC haute tension
Deux thèses se sont préparées au laboratoire AMPERE dans ce domaine : la thèse de
T.Ben Salah [SALA-07] et la mienne. Une importante collaboration a eu lieu. J’avais en
charge le développement, l’analyse et la modélisation des circuits de mesure, Tarek Ben
Salah avait en charge les techniques d’extraction de paramètres à partir des mesures
obtenues sur les platines que j’avais développées.
Ce chapitre décrit les méthodes de modélisation des éléments qui constituent les circuits
de caractérisation des composants semiconducteurs de puissance, ainsi que la
modélisation des éléments de mesures, puisqu’ils interagissent avec le circuit de test.
Enfin nous présenterons les platines de caractérisation utilisées pour l’extraction des
paramètres de la diode et du MOSFET, puisqu’il influe sur la commutation de la diode.
3.1 Modélisation des circuits
Après le choix des modèles de semiconducteurs utilisés, vient l’étape d’extraction des
paramètres. Elle consiste à identifier les paramètres par comparaison des formes d’ondes
expérimentales et simulées aux bornes du composant sous test. Pour simuler le
fonctionnement du composant sous test il est nécessaire de modéliser l’ensemble des
composants du circuit tel que les éléments passifs, les sondes de mesure, ainsi que le
câblage.
3.1.1 Modélisation des éléments passifs
Lors de la modélisation d’un convertisseur, il est important de se rendre compte
qu’aucun composant n’a un comportement idéal sur toute la plage de fréquence. Si l’on
considère les composants passifs uniquement par un schéma électrique équivalent qui
constitue sa fonctionnalité (par exemple une capacité électrochimique représentée par
une capacité idéale), on peut commettre une grave erreur. Une simulation avec un tel
modèle peut donner des résultats qui n’ont aucune ressemblance avec la réalité. Dans ce
paragraphe on abordera successivement la modélisation des résistances réalisées en
technologie CMS et en technologie carbone, la modélisation d’inductances et finalement
la modélisation des capacités céramiques et en technologie électrochimique.
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Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium

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3.1.1.1 Les résistances
A l’heure actuelle, la réalisation des résistances se fait principalement à l’aide de quatre
technologies différentes, à savoir la technologie carbone, la technologie film métallique,
la technologie fil bobiné et la technologie film planaire. Du fait que les résistances
bobinées ont toujours une inductance parasite élevée, dans le cas d’application en
électronique de puissance (où il y a des fronts de courant très raides) cette inductance
parasite devra être prise en compte.
La résistance, comme tout composant passif, possède 2 fils de connexions par où
transitent des courants de valeurs égales, et de signes opposés. Il est possible de
modéliser leurs connexions par un circuit équivalent de type modèle de lignes de
transmissions. En utilisant une représentation simplifiée des interconnexions, on a
l’avantage de pouvoir combiner la capacité parasite des interconnexions avec la capacité
de fuite de la résistance même, comme le montre la figure 3.1.
Cparasite
Lconnexion R
Figure 3.1 : Modèle simplifié de la résistance avec ses interconnexions.
Les résistances employées dans les circuits de caractérisation de cette thèse sont toutes
en technologie film planaire sur substrat céramique, ce qui permet un montage en
surface. L’avantage de ce type de résistance est d’être très peu inductive, ce qui lui
permet de se comporter pratiquement comme une résistance pure en dessous de
100MHz, et par conséquent elle peut être modélisée comme une résistance idéale.
Par exemple la résistance de 200 Ohms utilisée dans la cellule de commutation résistive
(type radial série MPC 5W 5kV) a un déphasage de 0,79° à 40MHz, avec
Lparasite=1,57nH et Cparasite=1,95pF.
3.1.1.2 Les inductances
Contrairement aux condensateurs, le comportement désiré d’une inductance consiste en
une impédance élevée à partir d’une certaine fréquence. Afin de réaliser des valeurs
d’inductance importantes avec un nombre réduit de spires, on utilise un noyau
magnétique. Cependant, l’emploi de noyaux magnétiques a au moins trois
inconvénients :
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- la résistance série augmente à cause des pertes fer,
- le noyau peut être saturé, ce qui réduit beaucoup la valeur de l’inductance,
- la capacité parasite est susceptible d’augmenter.
Le deuxième inconvénient affecte beaucoup les applications en électronique de
puissance. A cause des valeurs élevées des courants, les inductances peuvent entrer en
saturation. De plus, puisque la saturation est un phénomène non linéaire, de nouveaux
harmoniques de courant parasite sont créés, alors que le but était de les supprimer. C’est
pourquoi dans beaucoup d’applications en électronique de puissance, on préfère les
inductances à air. Même si l’inductance à air peut résoudre les problèmes dus à la
saturation, elle connaît toujours le problème de capacité parasite, qui peut laisser passer
des perturbations haute fréquence. Un modèle simplifié d’inductance à air et de ses
connexions est donné dans la figure 3.2.
Cparasite
Lconnexion
L Rs
Figure 3.2 : Circuit équivalent simplifié d’une inductance à air.
Dans ce modèle Lconnexion représentent à nouveau l’influence des connexions, L est la
valeur de l’inductance parfaite et Rs est la résistance série du bobinage. Cparasite
représente l’inductance parasite des spires et des fils de connexions. En pratique on
modélise une inductance à air par le circuit équivalent simplifié de la figure 3.2.
L’inductance de connexion est englobée dans l’inductance des pistes du montage et la
résistance du bobinage est négligée.
Par exemple l’inductance à air toroïdale (d=1,3cm, D=4,5cm et N=64 spires) de valeur
6,12µH utilisée dans la cellule de commutation résistive, a un déphasage de 90,14° à
40MHz, avec Cparasite=0,592pF.
3.1.1.3 Les capacités
Il existe de nombreux types de condensateurs dont les plus connus sont les
condensateurs électrochimiques, les condensateurs au tantale, les condensateurs en
céramique et les condensateurs en film de polypropylène. Les condensateurs
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électrochimiques et tantales peuvent avoir des valeurs de capacité relativement élevées,
mais s’éloignent du condensateur idéal même à des fréquences relativement basses. Les
condensateurs céramiques ne peuvent pas réaliser de valeur de capacités très importantes
(Cmax ≈ 1µF), mais ont un bon comportement capacitif jusqu’à une fréquence bien plus
élevée (FR ≈ 10MHz). C’est pourquoi ces capacités sont préférées lorsqu’on souhaite
stabiliser la tension durant la phase de commutation.
Même pour des valeurs de fréquences relativement faibles, aucun condensateur n’a un
comportement purement capacitif. Ces comportements non idéaux peuvent être
modélisés par plusieurs types de circuits électriques équivalents. Ces schémas
équivalents incluent le comportement non idéal du condensateur lui-même ainsi qu’un
éventuel modèle des fils de connexion. Le modèle des fils de connexion, qui servent à
relier le condensateur au reste du circuit, peut généralement être associé au modèle de
celui-ci. En reconnaissant que la valeur de la capacité des connexions est faible devant
la capacité C propre au condensateur, et que la résistance de fuite est très grande devant
la résistance série Rs, on peut effectuer la simplification comme le montre la figure 3.3.
Lconnexion Rs C
Figure 3.3 : Modèle élémentaire simplifié d’un condensateur.
Dans ce modèle, l’inductance série de la connectique est constituée par les pattes, et la
résistance série Rs par la résistance des pattes et la résistance d’armature.
Le cas d’un condensateur céramique est beaucoup plus simple que le cas du
condensateur électrochimique. Le condensateur céramique se rapproche beaucoup mieux
du comportement capacitif idéal que le condensateur électrochimique de part sa
technologie différente. Les imperfections étant essentiellement dues à la manière de
connecter le composant (fils ou pistes d’amenée de courant). Les condensateurs
céramiques en technologie CMS possèdent une fréquence de résonance bien supérieure
au même condensateur non CMS, grâce à l’absence de pattes de connexion.
3.1.1.4 Conclusion
Les paramètres des modèles de ces éléments passifs s’obtiennent en effectuant des
mesures d’impédance sur un pont d’impédance. Il est nécessaire d’effectuer une
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compensation en circuit ouvert puis en circuit fermé, afin que la connectique soit
compensée pendant la mesure.
Pour effectuer nos mesures nous avons utilisé le pont de mesure d’impédance HP4194A.
Il permet de couvrir une bande de fréquence étendue (100Hz – 40MHz) et d’obtenir une
grande précision sur des impédances s’étalant entre 0,1mΩ et 1,6MΩ.
Le pont HP4149A fournit la valeur des éléments du modèle simplifié des composants
passifs utilisés dans les circuits de commutation. Après la mesure d’impédance d’un
composant, il est possible de simuler son comportement fréquentiel avec le pont
d’impédance pour le confronter à la mesure.
3.1.2 Modélisation du câblage
L’interconnexion des composants d’un convertisseur entre eux et avec le monde
extérieur constitue ce que nous appelons le « câblage ». Le rôle important du câblage
intervient lors de la phase de commutation, puisqu’il est responsable de surtensions aux
bornes des interrupteurs. Il est essentiel d’en tenir compte lorsqu’on compare la
simulation à la mesure pour la validation d’un modèle.
La longueur des conducteurs employés dans les structures d’électronique de puissance
est faible par rapport aux longueurs d’ondes des fréquences équivalentes dues aux
fronts. De plus on veut étudier la commutation des convertisseurs avec des simulateurs
électriques pour pouvoir utiliser les modèles de semiconducteurs et autres. C’est
pourquoi une méthode bien adaptée permettant de représenter les imperfections dues au
câblage est l’approche PEEC [RUEH-74]. Cette méthode consiste à subdiviser le
conducteur en portions représentées par des réseaux de composants passifs tel que les
résistances, les inductances et les condensateurs. La subdivision dite « 2D » d’une piste
en éléments passifs est représentée sur la figure 3.4.
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