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Accueil > Thèses et HDR > Thèses en 2018

14/12/2018 - Quentin MOLIN

par Laurent Krähenbühl - publié le , mis à jour le

Quentin Molin soutient sa thèse le 14/12/2018 à 09:30.
Lieu : INSA de Lyon, Villeurbanne, campus de la Doua, amphithéâtre AE1 du bâtiment Gustave Ferrié.

Titre :
Contribution à l’étude de la robustesse des MOSFET-SiC haute tension : dérive de la tension de seuil et tenue aux courts-circuits​

Jury :

  • Alberto Castellazzi, rapporteur, Nottingham University​
  • Stephane Lefebvre, rapporteur, SATIE, ENS Cachan​
  • Natalhie Batut, examinatrice, Université de Tours
  • Francois Forest, examinatrice, Université de Montpellier2
  • Hervé Morel, directeur de thèse, INSA-LYON
  • Christophe Raynaud, examinateur, INSA-LYON
  • Mehdi Kanoun, invité, EDF

Résumé :
Ce manuscrit est une contribution à l’étude de la fiabilité et de la robustesse des composants MOSFET sur carbure de silicium, matériau semi-conducteur grand gap qui possède des caractéristiques bien meilleures que le silicium. Ces nouveaux interrupteurs de puissances permettent d’obtenir entre autres propriétés remarquables, des fréquences de commutations et des tenues en tension plus élevées dans les systèmes de conversions de puissance. Ils sont particulièrement mis en avant depuis un peu plus d’une dizaine d’années pour les gains en performances, diminution des tailles et poids qu’ils apportent à certaines topologies de convertisseurs pour les réseaux haute tension à courant continu.
Cependant il existe d’autres technologies et la majorité des composants de puissance sur SiC prometteurs seront détaillés. Une introduction au principe de fiabilité est proposée puis sont répertoriés les principaux mécanismes de défaillances de ces MOSFET SiC, induits par la faiblesse de la grille en régime de court-circuit, ce qui est le plus problématique. Migrer d’une technologie à une autre nécessite ce genre de travaux pour s’assurer que les futurs systèmes soient au moins aussi robustes.
Avant de montrer les résultats de fiabilité et de robustesse, toutes les mesures nécessaires au suivi des paramètres clés lors des prochains vieillissements sont présentées. Les résultats de nos tests sur l’instabilité de la tension de seuil sont aussi détaillés et un modèle empirique pour valider le comportement de relaxation observé est proposé. Celui-ci nous aidera par la suite à établir un protocole de mesure rigoureux de la tension de seuil pour ne visualiser que la dérive définitive liée à la dégradation.
Les tests expérimentaux et résultats de vieillissement en statique et dynamique sur les composants 1,7 kV vont permettre de se rendre compte de l’importance de la dérive de la tension de seuil sur 1000 h. Les résultats montreront des améliorations de la dérive en moyenne par rapport aux précédentes générations de MOSFET SiC. Dans le cas d’un vieillissement statique, il y a environ 7 % de dérive positive du VTH et un pourcentage équivalent pour les tests dynamiques. Des analyses supplémentaires (C-V et pompage de charge) sur l’oxyde de grille en cours de vieillissement sont proposées pour une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu dans la dégradation de l’oxyde.
Enfin, les derniers tests présentés seront focalisés sur le comportement en court-circuit et courts-circuits répétitifs des mêmes composants. Avec une énergie critique évaluée autour de 1,5 J nos tests sur les MOSFET 1,7 kV montrent les limites de la robustesse de ces composants, avec une tenue en court-circuit bien inférieure à 10 µs et une incapacité à résister à plus de 150 courts-circuits successifs. L’influence de la tension entre drain et source y est notamment étudiée, et montre que l’énergie critique supportée par le composant diminue avec l’augmentation de cette tension.

Mots-clé  :
MOSFET SiC, vieillissement, fiabilité, HTGB, HTGS, robustesse, court-circuits, court-circuits répétitifs, dérive, tension de seuil, oxyde, instabilité, modélisation, protocoles, C-V, pompage de charge trois terminaux