Etude et conception d’un « Intelligent Power Module (IPM) » forte puissance en technologie SiC : développement du Gâte Driver

Study and design of a high power "Intelligent Power Module (IPM)" in SiC technology : development of the Gate Driver

• Auteur / Autrice : Antoine Laspeyres
• Direction : Nicolas Ginot, Christophe Batard, Anne-Sophie Descamps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 12/12/2023
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et Sciences et Technologies du numérique, de l’Information et de la Communication (Nantes ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Rouger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Labouré, Pierre Lefranc, Paul-Etienne Vidal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Labouré, Pierre Lefranc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéronautique -- Recherche

Semiconducteurs

Mots clés libres

Driver de grille isolé

MOSFET SiC

Source driver

Maintenance prédictive

Isolated gate driver

SiC power MOSFET

Source driver

Predictive maintenance

Résumé

L’aéronautique tend à hybrider la propulsion et à électrifier de plus en plus de fonctions. Ceci entraîne une augmentation de la tension du réseau de bord HVDC afin de répondre à ces nouvelles contraintes sur les réseaux et systèmes électroniques. Pour atteindre ces objectifs, les nouveaux composants à semi-conducteurs de puissance SiC en calibre 3.3kV semblent être une alternative pro- metteuse à la filière Silicium IGBT. Cependant, leur faible maturité par rapport à la technologie Si est le principal frein à leur implémentation dans les réseaux de bords. Les travaux de recherche s’inscrivent dans le projet RA- PID AM-PM. L’objectif du projet est de concevoir un module de puissance bras d’onduleur 3,3kV@500A en technologie SiC en apportant une rupture technologique sur le packaging de puissance et son monitoring. Les travaux de recherche concernent le développement d’un circuit de commande intelligent permettant de fiabiliser le module de puissance et d’assurer des commutations sécurisées du semiconducteur. A partir des études sur la fiabilité des compo- sants SiC, deux indicateurs de vieillissement ont été identifiés, la résistance à l’état passant du module et le courant de fuite de grille du composant semiconducteur. Des circuits de surveillance embarqués de ces indicateurs ont été proposés et une nouvelle topologie de com- mande des semiconducteurs, le source driver, est proposée afin de rendre ces circuits compatibles. Pour finir, un démonstrateur spécialement conçu pour le module AM-PM est testé sur module SiC

Aeronautics tend to hybridize propulsion and electrify more and more functions on board. This leads to an increase in the voltage of the onboard network in order to meet these new constraints from electronic systems. To achieve these objectives, the new 3.3kV-rating SiC power semiconductor components seem to be a promising alternative to the Silicon IGBT sector. However, SiC technology’s low level of maturity compared to Si technol- ogy is the main obstacle to its implementation. The research work is part of the AM-PM RAPID project. The project objective is to design a 3.3kV@500A inverter arm power module in SiC technology by providing a technological break- through in power packaging and its monitoring. The research work focuses on the development of the gate driver and its intelligent functions to make the power module more reliable and to ensure secure switching of the semiconductor. From studies on the SiC component’s reliability, two aging indicators have been identified, the on-state resistance of the module and the gate leakage current of the semiconductor compo- nent. On-board monitoring circuits for these in- dicators have been proposed and a new semi- conductor control topology, the source driver, is proposed in order to make these circuits com- patible. Finally, a demonstrator specially de- signed for the AM-PM module is tested on a SiC module