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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

ON

DS

≈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,

4,5mm

2

avec 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

ON

DS

(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 TS

à 25°C E

TRANSISTOR TS

à 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.

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