Contribution à la caractérisation et à la modélisation de l'IGMT en vue d'une hybridation destinée à fonctionner à température élévée pour le véhicule électrique

Characterization and modeling IGBTs contribution for hybrid power module design operating at high temperature for electric vehicle

• Auteur / Autrice : Stéphane Azzopardi
• Direction : Christian Zardini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : Bordeaux 1

Résumé

Ces travaux concernent la caractérisation et la modélisation de l'IGBT fonctionnant à température élevée. Ils ont pour but de concevoir un module hybride de puissance à IGBT très fiable qui puisse être reporté sur la carcasse d'un moteur de traction électrique, de manière à réaliser une intégration mécatronique. Pour ce faire, une méthode non destructive d'extraction de paramètres technologiques basée sur des mesures électriques simples a été développée, qui permet de simuler la structure physique bidimensionnelle de l'IGBT asymétrique. Une bonne similitude des résultats expérimentaux et simulés a permis de valider cette approche. Ainsi, cette méthode a permis d'analyser l'influence de la température sur le comportement physique interne du transistor en mode statique (caractéristique statique Ic(Vce), claquage, latch-up) et dynamique. L'analyse de la commutation dure de l’IGBT à température élevée sur charge inductive sans influence de la diode de roue libre a permis de relever les caractéristiques propres du transistor. Les résultats montrent les bonnes performances des IGBT symétriques comparés aux IGBT asymétriques, et ceci jusqu'à 200°C. L'étude originale de la commutation dure de l’IGBT sans diode de roue libre a permis de mettre en évidence la très grande robustesse des IGBT symétriques par rapport aux IGBT asymétriques qui présentent des défaillances initiées par le phénomène de second claquage d'origine thermique. À ce stade, il apparaît que l'IGBT peut fonctionner à température élevée. Afin de réaliser une intégration mécatronique, des modules hybrides de puissance optimisés sur le plan thermomécanique ont été conçus pour fonctionner à des températures élevées. L'utilisation de substrat DBC et de semelles en matériau composite A1/SiC a permis d'accroître considérablement la fiabilité des assemblages grâce à une très bonne adaptation des coefficients de dilatation thermique.

This work deals with the characterization and the modeling of IGBT operating at high temperature. The main goal is the mechatronic integration by designing a highly reliable hybrid power module including IGBT to be fastened on an electric traction motor. Thus, we have developed a non-destructive technological parameters extraction method based on simple electrical measurements which allows to simulate a two-dimensional punch-through IGBT structure. Good agreement between experiments and simulations data allows to validate this approach. As a consequence, we could analyse the temperature influence on the transistor dynamics in static (output characteristics Ic(Vce), avalanche breakdown, latch-up) and switching modes. The investigations of the IGBT under hard-switching load conditions at high temperature without the influence of the freewheeling diode have allowed to get the own waveforms of the IGBT. The results have shown the good performances from 25°C to 200°C of non punch-through IGBT compared to punch-through one. The original study of the IGBT under unclamped inductive hard-switching conditions has shown that the ruggedness of non punch-through IGBT is higher than punch-through one which went into failure due to a thermally avalanche-induced second breakdown. From this point, it is sure that IGBTs can easily operate at high temperature. For electric traction, IGBTs are commonly associated to be used in power modules. In order to realize the mechatronic integration, we have designed optimized hybrid power modules for high temperature operating mode. Thus, the use of DBC substrate and A1/SiC metal matrix composites baseplate has allowed to enhance drastically the reliability of power assemblies due to a good matching between coefficient of thermal expansion.