L’utilisation de composants SiC au sein d’interrupteurs de puissance à
des courants élevés (par rapport à leur calibre en courant) implique une
parallélisation de plusieurs boîtiers. Le nombre de boîtiers mis en parallèle
dépend non seulement de la température maximale autorisée mais
égale-ment des pertes par transistor.
Dans le cadre de l’utilisation d’IGBT au sein d’un convertisseur
syn-chrone, il est indispensable d’ajouter des diodes (de préférence Schottky)
afin d’offrir la possibilité au courant de sortie de ne pas subir de
disconti-nuité. Ces diodes sont utilisées dès que les deux transistors sont bloqués,
elles jouent le rôle de diode de roue libre. Il a été montré durant ce
cha-pitre que les composants FET avaient la faculté de conduire un courant
in-verse soit avec la body diode (MOSFET SiC) soit avec le canal Drain/Source
(MOSFET & JFET Verticaux). Utilisé au sein d’interrupteurs de puissance,
il est donc possible de diminuer la sollicitation des diodes en utilisant la
conduction inverse des transistors SiC. Les premières études [4] montrent
que même si la durée de conduction du transistor augmente, les pertes
d’un interrupteur utilisant simultanément un transistor FET et une diode
diminuent par rapport à un interrupteur utilisant uniquement la diode.
Actuellement les méthodes de dimensionnement présentes dans l’état
de l’art [66, 67] ne permettent pas d’estimer les pertes dans un onduleur à
CONTEXTE ET OBJECTIFS DE LA THÈSE
en parallèle implique une répartition du courant dont la valeur dépend des
caractéristiques électriques. Il est donc nécessaire de développer des outils
de calculs adaptés à l’utilisation de composants à base de Carbure de
Sili-cium.
Une contrainte supplémentaire à ajouter au JFET Normally-Off est la
nécessité d’injecter un courant continu dans la jonction Grille/Source afin
de réduire la résistance à l’état passant. Il est donc primordial d’étudier
l’impact de la commande de grille afin de minimiser les pertes totales d’un
boîtier (pour une valeur de courant conduit fixe).
Un autre point à aborder est l’élaboration d’une commande rapprochée
susceptible de fonctionner à des fréquences de l’ordre de 100 kHz. L’emploi
de fréquences de commutation élevées (pour ce niveaux de puissance)
in-cite à augmenter la vitesse de commutation des transistors. Un des moyens
mis en œuvre est de réduire les capacités et inductances parasites au sein
des circuits de commande et de puissance. Côté driver, les études ont
mon-tré que l’utilisation d’un courant de grille élevé était nécessaire pour
ré-duire le temps de commutation.
À la fin de l’année 2012, Semisouth a annoncé la fermeture de sa ligne
de production. Cet arrêt en partie dû aux frais de fabrication met en doute
l’intérêt de l’utilisation du JFET Semisouth. En effet, étudier un composant
prochainement épuisé n’a pas de sens dans une perspective industrielle.
Le candidat naturel susceptible de remplacer le JFET Normally-Offest le
MOSFET SiC. Cependant, le manque de temps et le travail déjà accompli
à la date de fermeture de Semisouth sur le JFET incite à la finalisation de
la thèse avec ce transistor. De plus, il existe une possibilité de voir
émer-ger dans les années futures d’autres composants SiC. On peut citer le
Su-per Jonction Transistor (SJT) de Genesic ainsi que le JFET Normally-Off
de United Silicon carbide. Ces transistors possèdent des caractéristiques
électriques proches du JFET Normally-Off vendus par Semisouth. Cette
thèse sera donc axée sur l’élaboration d’un onduleur triphasé de 13 kW
Chapitre 2
Caractérisation et modélisation
des transistors et diodes SiC
Le choix des composants pour cette étude s’est porté sur les
transis-tors et diodes Schottky SiC de Semisouth référencés sous la désignation
SJEP120R63 et SDP30S120. Ces composants sont vendus pour une tenue
en tension de 1200 V et sont susceptibles de conduire un courant à l’état
passant de 30 A à 100 °C.
L’état de l’art a mis en évidence que les caractéristiques électriques
évo-luent en fonction de la température. Il est donc nécessaire de prendre en
compte ce comportement pour le dimensionnement de l’onduleur triphasé.
Il a été décidé de développer des modèles génériques des paramètres
élec-triques des différents composants SiC à partir de résultats empiriques. Bien
que les documents constructeurs montrent des caractéristiques statiques
I
J(V
DS) pour plusieurs températures, elles ne sont pas suffisamment
dé-taillées pour être exploitées. Une étude a été réalisée sur les différentes
ma-nières de polariser la grille du JFET. L’impact de la température est pris en
compte et une analyse des pertes au sein d’un interrupteur de puissance est
menée. Une méthode de modélisation est appliquée aux mesures statiques
des différents composants afin de quantifier l’impact de la température sur
le comportement des différents composants.
Le matériel utilisé regroupe deux traceurs de courbes (TEK371A et
B1505A) ainsi qu’un conditionneur thermique T-2500E/300. Le premier
appareil est utilisé pour la caractérisation à l’état passant des composants
de puissance. En effet, il génère des impulsions de tension de 50 ms pour
chaque valeur de V
GStestée, de même que des impulsions de puissance
(V
DSI
J) de 250µs atteignant les 12 kW (30 V/400 A). Le rapport de ces
du-rées étant très faible (250/50000), on considérera que le phénomène
d’auto-échauffement par le parcours d’un courantI
Jn’est pas suffisamment élevé
pour influencer le comportement des composants sous test (T
J=T
A, T
D=T
A.
permet pas de mesurer des grandeurs de faibles valeurs. De plus, la
mé-thode de test n’est pas adaptée. En effet l’appareil génère des tensions
pul-sées au sein du composant sous test ce qui en présence des capacités
intrin-sèques du composant donne naissance à des courants parasites. Pour pallier
ce problème, un second traceur de courbes est utilisé : B1505A.
Contraire-ment au TEK371A, le traceur B1505A applique en continu une tensionV
DSet mesure par intervalle régulier la valeur du courant de fuite. Le traceur
de courbes B1505A permet de générer des tensions atteignant les 3 kV ainsi
que des courants de valeurs inférieures à 15 A.
Sommaire
2.1 Choix du point de polarisation de la grille d’un tran-sistor SJEP120R063 . . . 104 2.1.a Caractéristique de la jonction Grille/Source . . . . 105 2.1.b Choix du point de polarisation de la grille pour
un JFET . . . 107 2.1.b.1 Impact du signal de commande sur les
caractéristiques d’un JFET conduisant un courant Drain positif . . . 107 2.1.b.2 Impact du signal de commande sur les
caractéristiques d’un JFET conduisant un courant drain négatif . . . 108 2.1.b.3 Description de l’effet triode du JFET
Normally-Off . . . 111
2.1.b.4 Récapitulatif du comportement du JFET en conduction inverse et en conduction directe . . . 113 2.1.b.5 Impact de la température sur les pertes
au sein d’un interrupteur de puissance constitué de JFET SiC et diodes Schottky SiC . . . 115 2.2 Établissement de modèles statiques des composants en
vue du dimensionnement . . . 128 2.2.a Caractérisation des composants SiC à l’état bloqué 129
2.2.a.1 Diode SiC SDP30S120 . . . 129
2.2.a.2 JFET SJEP120R063 . . . 129
2.2.a.3 Conclusion sur les pertes à l’état bloqué . 130
2.2.b Caractérisation des composants SiC à l’état passant130 2.2.b.1 Diode SiC SDP30S120 . . . 130 2.2.b.2 JFET SJEP120R063 . . . 131 2.2.c Modélisation des composants SiC pour le
dimen-sionnement . . . 132
2.2.c.1 Relations des grandeurs électriques ISW,
VSW . . . 136
CHOIX DU POINT DE POLARISATION DE LA GRILLE D’UN TRANSISTOR SJEP120R063
2.3.a Banc de caractérisation dynamique pour JFET
Normally-Off . . . 143
2.3.a.1 Carte de génération des signaux de
com-mande . . . 144
2.3.a.2 Carte driver . . . 145
2.3.b Détermination des pertes lors des commutations des semi-conducteurs . . . 148 2.3.b.1 Détermination des temps de commutation148 2.3.c Étude des énergies de commutation au sein d’un
interrupteur de puissance . . . 153
2.3.c.1 Modélisation des énergies de
commuta-tion . . . 153
2.3.c.2 Influence de la structure du bras
d’on-duleur . . . 154
2.3.c.3 Énergies de commutation au sein d’un
interrupteur muni ou non d’une diode de roue libre . . . 157
2.3.c.4 Conclusion sur les énergies de
commu-tation engendrée par la présence d’une diode de roue libre au sein d’un inter-rupteur SiC . . . 158 2.3.d Influence des éléments passifs . . . 159
2.3.d.1 Influence de l’ajout d’une capacité Grille/Source
CGS. . . 159
2.3.d.2 Influence de la valeur de la résistance RG_dyn . . . 164 2.3.d.3 Conclusion sur les éléments passifs de
la commande rapprochée . . . 167 2.4 Conclusion sur le comportement statique et dynamique
d’un interrupteur SiC composé d’un transistor SiC Normally-Offet d’une diode Schottky SiC . . . 169
2.1 Choix du point de polarisation de la grille d’un
transistor SJEP120R063
L’état de l’art a montré que le JFET SJEP120R063 pouvait être piloté
par deux grandeurs électriques, soit une tension V
GSde valeur fixe soit
un courantI
Gde valeur constante. La puissance absorbée par la jonction
Grille/Source dépend alors de la grandeur électrique de commande, de
ca-ractéristiques de la jonction Grille/Source ainsi que de sa température.
Il est donc nécessaire de quantifier l’impact de ces deux types de contrôle
de la grille sur le comportement du transistor en fonction de la température
et en fonction du sens du courant dans le Drain. La jonction Grille/Source
est caractérisée pour plusieurs valeurs de températures. Les caractéristiques
CHOIX DU POINT DE POLARISATION DE LA GRILLE D’UN TRANSISTOR SJEP120R063