Conception d’un module d’électronique de puissance «Fail-to-short» pour application haute tension

Designing a power module with failure to short circuit mode capability for high voltage applications

• Auteur / Autrice : Ilyas Dchar
• Direction : Hervé Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 31/05/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Ampère, Département Méthodes pour l'Ingénierie des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : François Forest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Morel, François Forest, Stéphane Lefebvre, Frédéric Richardeau, Mounira Berkani, Cyril Buttay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Lefebvre, Frédéric Richardeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Convertisseur de puissance

Convertisseur CCHT (courant continu haute tension)

Gestion de défaillance

Défaillance en court-Circuit

Semi-Conducteurs en SiC

Puces SiC

Press-Pack

Structure sandwich

Packaging

Energie critique

Power Electronics

Power Converter

HVDC converter (High Voltage Direct Current)

Failure

Failure-To-Short-Circuit

SiC semiconductor

SiC dies

Press-Pack

Sandwich structure

Critical energy

Résumé

Les convertisseurs de forte puissance sont des éléments critiques des futurs réseaux HVDC. À ce titre, leur fiabilité et leur endurance sont primordiales. La défaillance d’un composant se produit soit en circuit ouvert, ou en court-circuit. Le composant défaillant en circuit ouvert est inadmissible pour les convertisseurs utilisant une topologie de mise en série. En particulier, dans certaines applications HVDC, les modules doivent être conçus de telle sorte que lorsqu'une défaillance se produit, le module défaillant doit se comporter comme un court-circuit et supporter ainsi le courant nominal qui le traverse. Un tel comportement est appelé “défaillance en court-circuit” ou “failure-to-short-circuit”. Actuellement, tous les modules de puissance ayant un mode de défaillance en court-circuit disponibles dans le commerce utilisent des semi-conducteurs en silicium. Les potentialités des semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC) poussent, aujourd’hui, les industriels et les chercheurs à mener des investigations pour développer des modules Fail-to-short à base des puces SiC. C’est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, visant à concevoir un module à base de puces SiC offrant un mode de défaillance de court-circuit. Pour cela nous présentons d’abord une étude de l’énergie de défaillance des puces SiC, afin de définir les plages d’activation du mécanisme Fail-to-short. Ensuite, nous démontrons la nécessité de remplacer les interconnexions classiques (fils de bonding) par des contacts massifs sur la puce. Enfin, une mise en œuvre est présentée au travers d’un module “demi pont” à deux transistors MOSFET.

The reliability and endurance of high power converters are paramount for future HVDC networks. Generally, module’s failure behavior can be classified as open-circuit failure and short-circuit failure. A module which fails to an open circuit is considered as fatal for applications requiring series connection. Especially, in some HVDC application, modules must be designed such that when a failure occurs, the failed module still able to carry the load current by the formation of a stable short circuit. Such operation is referred to as short circuit failure mode operation. Currently, all commercially available power modules which offer a short circuit failure mode use silicon semiconductors. The benefits of SiC semiconductors prompts today the manufacturers and researchers to carry out investigations to develop power modules with Fail-to-short-circuit capability based on SiC dies. This represents a real challenge to replace silicon power module for high voltage applications in the future. The work presented in this thesis aims to design a SiC power module with failure to short-circuit failure mode capability. The first challenge of the research work is to define the energy leading to the failure of the SiC dies in order to define the activation range of the Fail-to-short mechanism. Then, we demonstrate the need of replacing the conventional interconnections (wire bonds) by massive contacts. Finally, an implementation is presented through a "half bridge" module with two MOSFETs.