Modélisation électrothermique de l'I. G. B. T. (Transistor bipolaire à grille isolée) : application à la simulation du court-circuit

= Electrothermal modeling of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) : short-circuit simulation studies

• Auteur / Autrice : Anis Ammous
• Direction : Hervé Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEGELY - Centre de génie électrique de Lyon (Rhône ; 1992-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Transistors de puissance

Transistors bipolaires

Résumé

Un composant de puissance en pleine expansion de nos jours est l'IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). L'une des caractéristiques de ce composant, qui le rend attractif pour les utilisateurs, est sa tenue aux courts-circuits. Le travail proposé a été d'étudier la faisabilité de la modélisation et de la simulation des phases de destruction de l'IGBT. Ce travail a permis d'estimer, par la simulation, les risques de défaillance d'un composant soumis à des sollicitations sévères et accidentelles dans un système électrique. L'étude des modes de destruction a commencé par des observations expérimentales du fonctionnement et de la phase de destruction (tests destructifs) de quelques IGBT soumis à des courts-circuits provoqués par des perturbations multiples. L'a1nalyse de quelques modèles thermiques et de leurs précisions respectives vis-à-vis des surcharges de courtes durées a été faite. Elle montre un net avantage de la méthode des éléments finis sur la méthode des différences finies, pourtant largement utilisée dans les simulations de circuits pour les modèles thermiques. Une nouvelle méthode pour l'estimation expérimentale de la température maximale dans I'IGBT a été présentée. Elle repose sur la mesure du courant de saturation pour une tension de grille légèrement supérieure au seuil. Enfin, des simulations des phénomènes électrothermiques ont permis d'analyser le comportement critique de l'IGBT. Pour cela, plusieurs outils de modélisations et de simulations (ATLAS 2D. PACTE. SABER, etc. . . . ) ont été utilisés afin de reproduire les différents comportements de I'TGBT. La modélisation électrique de l'IGBT a reposée sur le modèle d'A. Hefner. La confrontation des résultats de simulations avec ceux de l'expérience a permis d'ajuster les paramètres technologiques des modèles développés pour reproduire au mieux le comportement du composant et de valider aussi les modèles développés.

IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) are power components more and more used today. One of the component characteristic, making it very attractive to users, is it's short-circuit capability. The proposed study treats the feasibility of modeling and simulation of IGBT destruction phase. We have shown that it is possible to predict the failure of IGBT submitted to strong and accidentai stress in electrical systems. The study of destruction modes are begins with experimental observations of operating and failure phases (destructive tests), for IGBTs under short-circuits induced by various perturbations. Some thermal models are analysed and their respective precision regarding short time overloads, are studied. It is discussed the advantage of finite element method compared to the difference element method which is largely used in thermal model inside circuit simulators. A new method to estimate maximal temperature in IGBTs by mean of experiments is presented. This method is based on saturation current measurements at law gate-to-source voltage during a cooling phase. Electrothermal simulations enable to study the IGBT critical behaviour. Many modeling and simulation tools (ATLAS 20, PACTE, SABER) are applied to model the IGBT critical behaviour. The electrical modeling of IGBTs is based on the analytical mode! by A. Hefner. Measurement and simulation results enable to predict the model parameters and they validate the developed models.