ECA-EN a imposé une structure normally-offpour des questions de
su-reté de fonctionnement compte-tenu de leurs applications. Ce choix limite
donc à quatre technologies de transistor : Le BJT, le JFET Normally-Off,
le MOSFET et le cascode/direct-driven. Le souhait d’augmenter les
fré-quences de commutation nécessite de privilégier un composant qui stocke
le minimum d’énergie durant les commutations. Un autre critère à prendre
en compte est une faible résistance à l’état passant du transistor afin de
li-miter les pertes conduction.
Une contrainte majeure de cette étude est la disponibilité commerciale
des transistors SiC. La figure 1.63 présente un planning de la disponibilité
à grande échelle des transistors SiC entre 2009 et 2013.
Au début de cette thèse, seul le transistor JFET Normally-Off 1200 V
de Semisouth était produit à grande échelle. Courant 2011, CREE lança la
production du MOSFET SiC ce qui suscita l’intérêt d’ECA-EN. En effet, ce
type de semi-conducteur est très prisé par le domaine industriel
notam-ment pour sa facilité de commande. Le choix du transistor de puissance
va donc se limiter à ces deux types de technologies. La figure 1.64 montre
CONTEXTE ET OBJECTIFS DE LA THÈSE
2010 2011 2012 2013
VJFET Normally-On
VJFET Normally-Off
MOSFET SiC
JFET double canal
CoolSiC
BJT
Figure1.63 – Inventaire des transistors SiC disponibles à la vente
un comparatif des résistances à l’état passant des deux transistors SiC pour
plusieurs commandes de grille.
Les mesures montrent que la résistance à l’état passant la plus faible
est engendrée par le JFET Normally-Off. Il existe un point de croisement
qui se situe aux alentours de 140 °C (R
ONDS
≈130mΩ). Cela signifie que pour
une température de jonction inférieure à 140 °C, il est préférable d’utiliser
le JFET. Pour des applications qui requièrent des températures de jonction
plus importantes, l’utilisation de MOSFET SiC paraît intéressante.
Cepen-dant, la présence d’oxyde au sein de la grille du MOSFET pose problème
notamment avec sa dégradation à des températures élevées (Voir 1.2.b.2.3).
Actuellement, les puces utilisées possèdent une surface active de 4,5×
4,5mm
2avec des niveaux de courant de l’ordre de 15 A pour 1200 V. Par
conséquent, pour assurer le fonctionnement en régime de surcharge, il est
nécessaire de mettre plusieurs puces en parallèle. L’utilisation
d’interrup-teurs parallélisés nécessite d’équilibrer les pertes aussi bien statiques que
dynamiques. Cette répartition a pour but d’obtenir un échauffement
équi-valent entre les différents transistors afin optimiser leur durée de vie. Cet
équilibrage est réalisé de manière statique dès que la température
aug-mente. En effet, pour deux JFET de caractéristique R
ONDS
(T
J) différentes, les
pertes statiques tout comme les températures de jonction par transistor
sont différentes. Néanmoins, le coefficient de température positif (α
T=
∆RONDS
∆T
≥0) tend à équilibrer les résistances. Ce facteur est plus prononcé
pour le JFET que le MOSFET (figure 1.64). Ce point sera vérifié par la suite
avec des mesures de courant au sein d’un interrupteur de puissance à base
de transistors SiC (section 3.4).
La figure 1.65 montre les énergies dissipées lors des commutations des
composants SiC pour plusieurs températures de boîtiers. La mesure des
fonctionne-CONTEXTE ET OBJECTIFS DE LA THÈSE
(a) MOSFET SiC 1200 V/30 A
(b) JFET SiC Normally-Off1200 V/30 A
Figure1.64 – Tracé de l’impact de la température sur la résistance à l’état
passant de transistors SiC pour plusieurs valeurs de tension de grille [21]
CONTEXTE ET OBJECTIFS DE LA THÈSE
Figure 1.65 – Tracé des énergies de commutation pour plusieurs
tech-nologies de transistor SiC à différentes températures de jonction [21].
Commutations réalisés à 600 V/30 A pour les JFET (SJDP120R045 &
SJEP120R063), et 800 V/20 A pour le MOSFET (CMF20120D) [21]
ment, il est impossible de comparer de manière absolue les résultats.
Ce-pendant, les mesures montrent qu’une augmentation de la température de
100 °C provoque une augmentation de 100µJ pour le JFET SiC contre une
diminution de 100µJ pour le MOSFET SiC. Ainsi, pour une élévation de
température, les pertes en commutation du MOSFET devraient diminuer
contrairement au JFET.
Une des limitations de fonctionnement des transistors SiC tels qu’ils
sont distribués actuellement est leur package plastique réalisé à base
d’épo-xy. Les fabricants conseillent leur utilisation pour une température de
boî-tier inférieure à 150 °C, cette valeur limite a pour but d’augmenter la durée
de vie des composants.
Le tableau 1.12 tente de dresser un comparatif des performances entre
le MOSFET SiC et le JFET SiC Normally-Off. Il a été montré
précédem-ment que l’utilisation d’un JFET SJEP120R063 conduisaient au minimum
de pertes en conduction jusqu’à une température limite d’environ 140 °C
proche de la limite thermique préconisée par les constructeurs. En
consé-quence, l’utilisation de transistors MOSFET n’est pas pertinente pour la
gamme de température située entre 55 et 150 °C.
Pour une température de 25 °C, les énergies de commutation
engen-drées par un JFET sont de 280µJ pour un JFET (600 V/20 A) contre 850µJ
pour un MOSFET (800 V/20 A). Bien que les tenues en tension ne soient
pas égales, on peut noter que l’utilisation d’un JFET permet une réduction
CONTEXTE ET OBJECTIFS DE LA THÈSE
Température E
TRANSISTOR TSà 25°C E
TRANSISTOR TSà 125°C
SJEP120R063 [55-140 °C] 280µJà 600 V/20 A 330µJ à 600 V/20 A
CMF20120D [140-150 °C] 850µJà 800 V/20 A 750µJ à 800 V/20 A
Table1.12 – Tableau comparatif des résistances et des énergies entre un
JFET Normally-OFF [22] et un MOSFET SiC [23]. Les données utilisées
pro-viennent des documents constructeurs
d’environ 70 % par rapport au MOSFET. Pour une température de 125 °C,
cette réduction n’est plus que de 54 %.
Cette étude bibliographique a montré que l’utilisation du JFET
Verti-cal Normally-Offde Semisouth par rapport à l’utilisation de MOSFET SiC
de Cree permet non seulement de diminuer les pertes en conduction mais
également de diminuer les pertes en commutation. Cependant, le dernier
point reste à confirmer. Ainsi, pour notre étude, le choix du transistor de
puissance s’est porté sur le JFET SiC Normally-Off de Semisouth et plus
particulièrement le SJEP120R063. Des diodes Schottky 1200 V/30 A ont
également été achetées auprès du constructeur.
Dans le document
Conception d’un onduleur triphasé à base de composants SiC en technologie JFET à haute fréquence de commutation
(Page 97-101)