Caractérisation et modélisation électrothermique compacte étendue du MOSFET SiC en régime extrême de fonctionnement incluant ses modes de défaillance : application à la conception d'une protection intégrée au plus proche du circuit de commande

Extensive compact electrothermal characterization and modeling of the SiC MOSFET under extreme operating conditions including failure modes : application to the design of an integrated protection as close as possible to the gate driver

• Auteur / Autrice : François Boige
• Direction : Frédéric Richardeau, Stéphane Lefebvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 27/09/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Zoubir Khatir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Richardeau, Stéphane Lefebvre, Zoubir Khatir, Hervé Morel, Eric Labouré, Nathalie Batut, Nicolas Ginot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hervé Morel, Eric Labouré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électricité

Transistors MOSFET

Modélisation électrothermique

Mots clés libres

MOSFET

SiC

Fiabilité

Gestion des pannes

Court-circuit

Fonctionnement sécurisé

MOSFET

SiC

Robustness

Fault management

Short-circuit

Safe operating

Résumé

Le défi de la transition vers une énergie sans carbone passe, aujourd’hui, par un recours systématique à l’énergie électrique avec au centre des échanges l’électronique de puissance. Pour être à la hauteur des enjeux, l'électronique de puissance nécessite des composants de plusen plus performants pour permettre un haut niveau d'intégration, une haute efficacité énergétique et un haut niveau de fiabilité. Aujourd’hui, le transistor de puissance, du type MOSFET, en carbure de silicium (SiC) est une technologie de rupture permettant de répondre aux enjeux d’intégration et d’efficacité par un faible niveau de perte et une vitesse de commutation élevée. Cependant, leur fiabilité non maitrisée et leur faible robustesse aux régimes extrêmes du type court-circuit répétitifs freinent aujourd’hui leur pénétration dans les applications industrielles. Dans cette thèse, une étude poussée du comportement en court-circuit d'un ensemble exhaustif de composants commerciaux, décrivant toutes les variantes structurelles et technologiques en jeu, a été menée sur un banc de test spécifique développé durant la thèse, afin de quantifier leur tenue au courtcircuit. Cette étude a mis en lumière des propriétés à la fois génériques et singulières aux semiconducteurs en SiC déclinés en version MOSFET tel qu’un courant de fuite dynamique de grille et un mode de défaillance par un court-circuit grille-source amenant, dans certaines conditions d'usage et pour certaines structures de MOSFET, à un auto-blocage drain-source. Une recherchesystématique de la compréhension physique des phénomènes observés a été menée par une approche mêlant analyse technologique interne des composants défaillants et modélisation électrothermique fine. Une modélisation électrothermique compacte étendue à la prise en compte des modes de défaillance a été établie et implémentée dans un logiciel de type circuit. Ce modèle a été confronté à de très nombreux résultats expérimentaux sur toutes les séquences temporelles décrivant un cycle de court-circuit jusqu'à la défaillance. Ce modèle offre un support d'analyse intéressant et aussi une aide à la conception des circuits de protection. Ainsi, à titre d'application, un driver doté d'une partie de traitement numérique a été conçu et validé en mode de détection de plusieurs scénarii de court-circuit mais aussi potentiellement pour la détection de la dégradation de la grille du composant de puissance. D’autres travaux plus exploratoires ont aussi été menés en partenariat avec l’Université de Nottingham afin d’étudier l'impact de régimes de court-circuit impulsionnels répétés sur le vieillissement de puces en parallèle présentant des dispersions. La propagation d'un premier mode de défaillance issu d'un composant ''faible'' a aussi été étudiée. Ce travail ouvre la voie à la conception de convertisseurs intrinsèquement sûrs et disponibles en tirant parti des propriétés atypiques et originales des semi-conducteurs en SiC et du MOSFET en particulier

Nowaday, the challenge of the transition to carbon-free energy involves a systematic use of electrical energy with power electronics at the heart of the exchanges. To meet the challenges, power electronics requires increasingly high-performance devices to provide a high level of integration, high efficiency and a high level of reliability. Today, the power transistor, of the MOSFET type, made of silicon carbide (SiC) is a breakthrough technology that allows us to meet the challenges of integration and efficiency through their low level of loss and high switching speed. However, their limited reliability and low robustness at extreme operating conditions such as repetitive short-circuits are now hindering their expansion in industrial applications. In this thesis, an in-depth study of the short-circuit behaviour of an exhaustive set of commercial devices, describing all the structural and technological variants involved, was carried out on a specific test bench developed during the thesis, in order to quantify their short-circuit resistance. This study highlighted both generic and singular properties of SiC semiconductors for every Mosfet version such as a dynamic gate leakage current and a failure mode by a short-circuit grid-source leading, under certain conditions of use and for certain Mosfet structures, to a self-blocking drain-source. A systematic research of the physical understanding of the observed mechanisms was carried out by an approach combining an internal technological analysis of the failed devices and a fine electrothermal modelling. A compact electrothermal modeling extended to failure mode consideration has been established and implemented in circuit software. This model was confronted with numerous experimental results describing a short-circuit cycle up to failure. This model offers an interesting analytical support and also helps the design of protection circuits. Thus, as an application, a driver equipped with a digital processing part has been designed and validated in detection mode for several short-circuit scenarios but also potentially for the detection of the degradation of the power component grid. Other more exploratory work has also been carried out in partnership with the University of Nottingham to study the impact of repeated pulse short-circuit regimes on the aging of parallel chips with dispersions. The propagation of a first failure mode from a ''weak'' device was also studied. This work paves the way for the design of intrinsically safe and available converters by taking advantage of the atypical and original properties of SiC semiconductors and Mosfet in particular