Pilotage et surveillance de MOSFET SiC : intégration de fonctions intelligentes dans les gate drivers

Driving and monitoring of SiC power MOSFETs : Integration of smart features in gate drivers

• Auteur / Autrice : Julien Weckbrodt
• Direction : Nicolas Ginot, Christophe Batard, Stéphane Azzopardi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, génie électrique
• Date : Soutenance le 22/09/2020
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Lefebvre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadir Idir, Pierre Lefranc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Allard, Marc Cousineau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maintenance conditionnelle

Transistors MOSFET

Transistors bipolaires à grille isolée

Semiconducteurs

Mots clés libres

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Résumé

Les composants à semi-conducteurs de puissance SiC sont de plus en plus utilisés dans les systèmes de conversion d’énergie électrique. Les composants de puissance de type MOSFET SiC peuvent opérer à fréquence plus élevée et à plus haute température en comparaison de leur concurrent Silicium MOSFET ou IGBT. Cependant, la technologie SiC est moins mature. De récentes études sur la fiabilité des composants MOSFET SiC ont identifié des indicateurs de vieillissement tels que l’augmentation des courants de fuite de grille ou de la résistance à l’état passant. La surveillance de ces paramètres pendant le fonctionnement normal peut permettre la prédiction des défaillances et simplifier la maintenance des systèmes de conversion d’énergie. Les drivers de grille sont utilisés pour permettre une commutation sécurisée du semi conducteur. De nos jours, les cartes de commande rapprochée intègrent de plus en plus de fonctions comme la détection de court circuits, le blocage en douceur, la mesure de température, la surveillance VDS... Dans ce contexte, des circuits de mesure embarqués sont proposés pour permettre la surveillance en temps réel de quelques indicateurs de vieillissement. L’instrumentation de la carte driver suppose l’intégration de moyens de communication adaptés. Une méthode de communication spécifique est proposée pour éviter la circulation de courants de mode commun supplémentaires dû aux dv/dt. Un démonstrateur compact a été conçu et testé sur un module MOSFET SiC 1.2kV.

The Silicon Carbide (SiC) power transistors are more and more used in electric energy conversion systems. SiC power semiconductors devices such as SiC MOSFET can operate at higher frequency and higher temperature compared to Silicon power MOSFET or IGBT. However, the maturity of the SiC technology is moderate compared to the well-known Silicon-based power semiconductor devices. Recent research works on reliability of SiC power MOSFET identified ageing indicators such as the rise of the gate leakage currents or the on-state resistance. The monitoring of these parameters during normal operation can prevent damages and simplify the maintenance on the energy conversion systems. The gate drivers are required to provide an optimal and safe switching of power semiconductor devices. Nowadays, the gate driver boards include more and more features such as short-circuit detection, soft-shutdown, temperature sensing, on-state voltage monitoring… In this context, embedded measurements circuits are proposed for the online monitoring of ageing parameters. The instrumentation of the gate driver board supposes the integration of communication features to transmit the monitoring data. A specific communication method is proposed to avoid the circulation of additional common mode currents due to high dv/dt. A compact demonstrator was designed and tested on a 1.2kV SiC module.