Caractérisation, modélisation et intégration de JFET de puissance en carbure de silicium dans des convertisseurs haute température et haute tension

= Characterization, modelling and integration of silicon carbide power JFET in high temperature high voltage converters

• Auteur / Autrice : Rami Mousa
• Direction : Dominique Planson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors

Transistors de puissance

Électronique de puissance

Électrotechnique

Résumé

Les systèmes d’électroniques de puissance ont grandement bénéficié du progrès révolutionnaire des composants de puissance en silicium (Si). Actuellement la quasi-totalité des applications d’électronique de puissance utilise des composants en Si. Les applications d’électroniques de puissance à haute température, haute tension et forte puissance sont de plus en plus croissantes et le silicium atteint ses limites. Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur à large bande d’énergie interdite. Les propriétés électriques de ce matériau devancent celles du silicium, ce qui signifie qu’un composant en SiC présente de meilleures performances par rapport à son équivalent en silicium (Si). Les différents travaux à travers le monde démontrent un avenir prometteur pour le SiC dans la prochaine génération des composants de puissance. Le transistor JFET-SiC est l’interrupteur le plus avancé dans son développement technologique car il est au stade de la pré-commercialisation. Un modèle de type circuit pour les composants en SiC présente une extrême importance pour l’analyse et la conception de circuits de convertisseurs, en particulier, si une comparaison avec les composants en Si est établie. Le travail réalisé au cours de cette thèse, consiste à caractériser électriquement plusieurs versions de JFET-SiC pour des températures comprises entre 25°C et 225°C. Les caractérisations sont basées sur des mesures DC (Courant - Tension) en utilisant un traceur de caractéristiques, des mesures AC (Capacité - Tension) en utilisant un analyseur d’impédance et des mesures en commutation sur charge R-L (Résistive-Inductive). L’objectif est d’établir un modèle analytique du transistor JFET-SiCED. Ce modèle est basé sur l’analyse physique et comportementale du JFET en tenant compte de l’influence de la température et de la présence des deux canaux intrinsèques. Le modèle a été développé en langage VHDL-AMS et validé en régime statique ainsi qu’en dynamique en utilisant le simulateur SIMPLORER 7. 0. La validation du modèle montre une excellente concordance entre les mesures et la simulation.

Silicon Carbide (SiC) is considered as the wide band gap semiconductor material that can advantageously complete with silicon (Si) material for power switching devices. The different works across the world show a promising future for SiC in the next generation of power devices. SiC-JFET is the switch most advanced in its technological development because it is at the stage of pre-commercialization. Compact circuit simulation models for SiC devices are of extreme importance for designing and analysing converter circuit, in particular, in comparisons with Si devices should be performed. In this theses, different kinds of Silicon Carbide JFET samples were characterized at temperatures up to 225 C. The characterizations are based on the DC (Current - Voltage) characteristic measurements using a curve tracer and on the AC (Capacitance - Voltage) measurements using an impedance analyzer and on the switching characteristics using unclamped inductive load. The purpose is to establish an analytical model that is based on the physical and behavioural analysis of the SiC-JFET, taking into account the two physical channels and the influence of temperature. The model is developed in VHDL-AMS language, and validated with both steady-state and transient characteristics using SIMPLORER 7. 0 simulator. Validation of the model shows excellent agreement with measured data. The model is validated with both steady-state and transient characteristics. Validation of the model shows excellent agreement with measured data.