01_ page de garde - Thèses INP Toulouse

N° d’ordre :2063 Année 2003
Thèse préparée au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de l’ENSEEIHT
Unité Mixte de Recherche du CNRS n°5828
THÈSE
présentée
pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
Spécialité : Génie Electrique
par
Jérôme VALLON
DEA Génie Electrique
__________________
Soutenue le 17 Décembre 2003 devant le jury composé de
MM. Gérard COQUERY Président et Rapporteur
Christian SCHAEFFER Rapporteur
Yvon CHERON
François FOREST
Jean-Jacques HUSELSTEIN
Frédéric RICHARDEAU
Michel PITON Invité
Introduction à l’étude de la fiabilité
des cellules de commutation à IGBT
sous fortes contraintes.

Résumé
L'étude de la fiabilité en électronique de puissance est un vaste problème impliquant
l'interaction de contraintes multiples, d'imperfections physiques et technologiques des
constituants, allant du cristal au circuit de puissance. En premier lieu, nous avons établi une
méthodologie d'essais de fiabilité en nombre et en durée, visant à placer des cellules de
commutation à modules IGBT en régime de fortes contraintes maîtrisées. Ensuite, une étude
des mécanismes de défaillance de ces composants en situation de commutation nous a permis
de concevoir un système de confinement efficace. Sur cette base, nous avons conçu et
dimensionné un premier prototype de test, basé sur la méthode d'opposition entre deux
cellules de commutation. Ce convertisseur a été validé expérimentalement et nous a permis de
démarrer la première campagne d’essais sur un nombre restreint de composants (quatre
modules IGBT). Les premiers résultats sont présentés dans ce mémoire.
Mots Clefs
ü fiabilité ü dégradations
ü IGBT ü vieillissement
ü électronique de puissance ü thermique
ü méthode d’opposition ü caractérisation
Abstract
The reliability approach in power electronics is a complex problem including the coupling of
current / voltage surges, physical and technological imperfections, from the die to the power
circuit. First of all, we define a methodology based on the monitoring of a great number of
components, during a long time campaign. Components are 600V-50A-20kHz IGBT-diodes
modules working in PWM inverter cells owing to an original opposition method. An
exhaustive study of cell-switching failure modes allowed us to design a suitable and efficient
protection. Afterwards, a complete reliability test bench was carried out with electrical and
thermal monitoring. A preliminary screening protocol was also applied. The first results are
presented in this thesis.
Keywords
ü relability ü degradations
ü IGBT ü ageing
ü power electronics ü thermal
ü opposition method ü characterization

Avant-Propos
Avant-Propos
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués au sein du groupe Convertisseurs Statiques du
Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle (LEEI) (INPT-ENSEEIHT-CNRS). Ils ont été
et sont toujours le fruit d’une collaboration étroite entre le LEEI et le LEM (Université de Montpellier II).
Durant cette thèse, l’équipe CIP (Composants et Intégration de Puissance) du LAAS s’est jointe au projet.
Précisons que ces travaux ont reçu une aide financière du GIRCEP.
Au terme de cette thèse, je tiens à remercier :
Monsieur Gérard Coquery, directeur de recherche au Laboratoire des Technologies Nouvelles de
l’INRETS, pour avoir accepté la fonction de rapporteur de mes travaux ainsi que la présidence du
jury de soutenance.
Monsieur Christian Schaeffer, professeur à l’ENSIEG et chercheur au LEG, pour avoir accepté d’être un
des rapporteurs de mes travaux.
Monsieur Yvon Cheron, directeur de recherche au CNRS et directeur du LEEI, pour m’avoir accepté au
sein du laboratoire dans un premier temps, puis pour avoir accepté d’encadrer cette thèse.
Monsieur François Forest, Professeur à l’université Montpellier II et chercheur au LEM, pour avoir co-
encadré ces travaux. Grâce à ses idées géniales et sa bonne humeur quotidienne, ces trois ans de
thèse se sont déroulés dans les meilleures conditions.
Monsieur Jean-Jacques Huselstein, Maître de conférences à l’université Montpellier II et chercheur au
LEM, pour son aide primordiale à la réalisation de ce projet. Ses idées aussi ingénieuses que
prolifères et ses compétences dans de multiple domaines ont été deux alliés de poids pour la
réalisation de la maquette expérimentale.
Monsieur Michel Piton, ingénieur à Alstom Transport et correspondant auprès du GIRCEP, pour avoir
apporté une vision industrielle à nos travaux.
Monsieur Frédéric Richardeau, chargé de recherche au LEEI, pour le suivi et l’aide considérable apportée
durant ces trois années. Une seule phrase ne suffit pas pour résumer mes sentiments.
L’encadrement (et même la formation) d’un jeune étudiant “fraîchement diplômé”, n’ayant aucune
connaissance “pratique” de l’électronique de puissance est une tâche ardue. Les qualités de
Frédéric, telles que ses connaissances vastes et en perpétuelles expansions, ses qualités humaines
(notamment son écoute et sa disponibilité) ont permis de travailler en complète collaboration. Le
terme de collaboration n’est pas trop fort pour résumer nos relations durant ces trois années. Sa
rigueur scientifique nous a permis de ne pas nous égarer et de construire un cheminement clair
pour aborder cette thématique naissante et vaste. Par ces lignes, qu’il reçoive toute mon admiration
et toute ma gratitude.
Ces trois années de recherche ont été embellis par un volet enseignement relativement intense. Je tiens
d’abord à remercier Madame Maria Pietrzak-David, directrice du département de formation Génie Electrique
/ Automatique de l’ENSEEIHT, pour m’avoir autorisé à effectuer un grand nombre d’heures de vacation.
Durant ces heures, j’ai pu côtoyer des enseignants compétents et passionnés. Je tiens à saluer Michel Metz,
Henri Schneider, Jean-François Rouchon ainsi que Frédéric Richardeau et à leur dire que ça a été une joie de
travailler avec eux durant ces années.

Avant-Propos
Je tiens également à remercier l’ensemble du personnel autre qu’enseignants et chercheurs du
laboratoire, pour leur aide très précieuse. Je pense tout particulièrement :
Ø au staff informatique du laboratoire : Jacques Benaioun, Philipe Azema et Jean Hector.
Ø aux techniciens et ingénieurs : Olivier Durrieu, Jean Marc Blaquière, Didier Ginibrière, pour leur
disponibilité et leur aide précieuse dans toutes mes réalisations expérimentales.
Ø au personnel administratif pour leurs tâches quotidiennes.
Enfin, toutes ces années se sont parfaitement bien déroulées grâce à l’ambiance de franche
camaraderie qui règne entre les doctorants de ce laboratoire. Il m’est impossible de citer tous le monde mais,
je pense en particulier :
• Aux anciens : Christophe Turpin, Martin Aime, Jérôme Fadat (transfuge du LEM), Jean-Louis
Auge (transfuge du LGET)…
• A ceux de ma génération : Laurent Peyras, dit “pinpin”, Jérémie Regnier…
• A la nouvelle génération : Rémi Saisset, Nicolas Roux, Jérôme “pastis” Duval, Lauric Garbuio,
Sylvain Canat, Christophe Viguier…
Mes dernières pensées seront pour ma famille et mes amis qui ont su m’aider et me soutenir durant ces trois
ans.

… A mon papa parti trop tôt…