Contribution à l'Etude d'un Onduleur Haute Température à base de JFET en carbure de silicium

Contribution to the study of a high temperature SiC JFET inverter

• Auteur / Autrice : Olivier Berry
• Direction : Farid Meibody-Tabar, Stéphane Rael
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 13/07/2012
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en énergie électrique de Nancy (Vandœuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Hervé Morel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Amiet, Régis Meuret, Serge Pierfederici
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Lefebvre, Jean-Luc Schanen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbure de silicium

Transistors à effet de champ

Effets des hautes températures

Onduleurs (électricité)

Mots clés libres

Haute Température

JFET SiC Deux Canaux

Modélisations Statique et Dynamique

Commutation

Architectures Driver

Stabilité réseau

Résumé

L'aéronautique, dans ses efforts pour un avion plus vert, tend à devenir plus électrique. Cependant dans ce passage au plus électrique, quelques actionneurs de l'avion ainsi que leurs électroniques associées se heurtent à un verrou technologique lié à la haute température (200°C). Dans ce contexte, ce mémoire présente des travaux qui contribuent à lever ce verrou technologique. Nous avons montré que le convertisseur d'électronique de puissance, désigné par onduleur, a été conçu pour répondre à notre besoin avec le composant le plus fiable et le plus mature, le JFET deux canaux de la société SICED INFINEON en carbure de silicium (ou SiC). Pour mieux cerner le fonctionnement du JFET SiC deux canaux et valider ultérieurement son modèle, nous avons effectué des caractérisations électriques de ses comportements statique et dynamique sur une plage de température importante allant de -40°C à +180°C. Nous avons montré et décrit de façon fine, en particulier à 27°C, les phases de commutation du composant JFET en mettant en avant le rôle important des couplages capacitifs (Cgd, Cds et Cgs). Un modèle représentant ses comportements statique et dynamique a été présenté et validé à 27°C. Nous avons ensuite minimisé les effets de l'Interaction Puissance Commande IPC due à Cgd au niveau du JFET fonctionnant en mode roue libre (phénomène de Punch-through à la mise en conduction et possible remise en conduction au blocage sont à considérer). Pour ce faire nous avons étudié et comparé trois circuits d'attaques de grille, et nous avons montré le rôle de l'impédance de grille (RG, lG) vis-à-vis de l'IPC et de l'optimisation des circuits d'attaque de grille. Enfin, nous avons présenté la problématique liée à la stabilité du bus continu à haute température (200°C) et à haute tension (540V). Une solution de stabilisation du bus DC simple et efficace a été présentée

The aircraft must become more electric in order to be greener. But in this transition to the more electric aircraft, some actuators and their associated electronics are facing a technological barrier related to the high temperature (200°C). In this context, this thesis presents works that contributes to raising the technological barrier. We showed that the power electronic converter, called inverter, was designed to meet our needs with the more reliable and mature component, the silicon carbide (or SiC) JFET with two-channel manufactured by SICED INFINEON. To better understand the way to work of the SiC JFET with two channels and subsequently validate its model, we performed electrical characterization of its static and dynamic behavior on a wide temperature range from -40°C to +180°C. We showed and described precisely, especially at 27°C, the phases of JFET switching; we highlighted the important role of capacitive coupling (Cgd, Cds et Cgs). A model representing its static and dynamic behavior was presented and validated at 27°C. We then minimized the effects of the Drain-to-Gate Interaction DGI due to Cgd concerning the JFET operating in freewheeling mode (punch-through phenomenon at turn-on and a risk of a leg short-circuit at turn-off have to be considered). To do this, we studied and compared three specific gate circuits, and we showed the role of the gate impedance (RG, lG) to minimize the DGI and optimize the specific gate circuits. Finally, we presented the issue related to the stability of the DC bus at high temperature (200°C) and high voltage (540V). A simple and effectiveness solution of stabilizing the DC bus was presented