Méthodologie de modélisation d’une structure de conversion DC-DC à composants SiC en vue de son optimisation CEM et thermique

HAL Id: tel-01943896

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01943896

Submitted on 4 Dec 2018

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Méthodologie de modélisation d’une structure de conversion DC-DC à composants SiC en vue de son

optimisation CEM et thermique

Gnimdu Dadanema

To cite this version:

Gnimdu Dadanema. Méthodologie de modélisation d’une structure de conversion DC-DC à com- posants SiC en vue de son optimisation CEM et thermique. Autre. Université Paris Saclay (COmUE), 2018. Français. �NNT : 2018SACLN018�. �tel-01943896�

Méthodologie de modélisation d’une structure de conversion DC-

DC à composants SiC en vue de son optimisation CEM et thermique

Thèse de doctorat de l'Université Paris-Saclay Préparée à l’Ecole Normale Supérieure de Cachan (Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay)

École doctorale n°575 Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering (EOBE)

Thèse présentée et soutenue à Cachan, le 29/06/2018, par

Gnimdu DADANEMA

Composition du Jury :

Christian Vollaire

Professeur des universités, Centrale Lyon,

Laboratoire Ampère Co-encadrant

Nicolas Rouger

Chargé de Recherche, CNRS,

Laboratoire plasma et conversion d’énergie Rapporteur Cherif Larouci

Enseignant chercheur, ESTACA, ESTACA’LAB Rapporteur Nadir Idir

Professeur des universités, L2EP Lille Président du jury Florent Morel

Maître de conférences, Centrale Lyon, Laboratoire Ampère Examinateur François COSTA

Professeur des Universités, Université Paris-Est Créteil,

Laboratoire SATIE Directeur de thèse

Jean-Luc SCHANEN

Professeur des Universités, Grenoble INP,

G2ELab Co-Directeur de thèse

Regis Meuret

Dr.-Ingénieur , SAFRAN Invité

NNT : 2018SACLN018

-

-

dv dt di

dt

Vs

Ve

L

C Zs

Is

Ie

L

C Zs

20 log ^e

dB

s

Att V

V

 

  

  ^(I.1)

 

 

_

20 / /

/ /

L C S

dB filtre

S C

Z Z Z

Att Log

Z Z

  

   ^(I.2)

C 1

Z  jC





 

_

20 1

dB filtre

S

Att Log LC j L

Z

    

         

 

_ 20

dB filtre c

S

L

Att Log C



 

 

 

  

 

 

(I.4)

car

Z L

 C

0.5R C_S 0







Vs

L

C Zs

Ra

Ca

Vs

Ve

L

C Zs

Ra

La

Vs

Ve

C Zs

Ra

La

1

1 2.69 5

r

2

f e Hz

 LC

 

2

1 1.9 6

r

2

P

f e Hz

 LC

 

3

1 2.25 7

2 *

f

e Hz

ESL C

  

4

1 1.59 8

2 *

r

P

f e Hz

ESL C

  

μ μ

2 0

e r

e

L N A

  L



' ''

r r j r

   



2 '' 2 '

0 0

e e

L r r

e e

A A

Z jL N jN

L L

    

  

 

eff p

hA T T

  

1

conv eff

R  hA

1 1

thconv conv fluide

2

fin p

R R R

h A  mC

   

 m C_p

2 2 1

fluide thconv

fluide conv

R R

R e R





(I.10)

 

p fs fe

q  mC T  T

moy fe

2

p

T T q

  mC

ε

1 1 2 2

m C m C

 

max m C2 2 T1e T2e

  

1 1 2 2

m C m C

 

max m C T1 1 1e T2e

  

 

  



e s

e e

m C T T

mC T T



 ^(I.13)

 

  



e s

e e

m C T T

mC T T



 ^(I.14)





     

2 2 2s 2e min 1e 2e

qm C T T  mC  T T (I.15)

  ¹

R

mC 



 

1 1

ech eff NUT

K A e e mC

  

 

   

1

1

1

ech eff

th

air air

K A

R e mC

m C

 

 

 

   

 

 

 

(I.18)

µsc, Mobilité absolue dans le semi-conducteur µsi, Mobilité absolue dans le silicium

µSiC, Mobilité absolue dans le carbure de silicium µT, Mobilité absolue à une température T µT0, Mobilité absolue à une température T0

A^*, Coefficient de Richardson Ajonc, Surface d’une jonction

C(V), Capacité structurelle de la jonction Schottky par unité de surface e, charge de l’électron

Ec, Energie de la bande de conduction EF, Energie du niveau de Fermi

Efi, Energie du niveau de Fermi intrinsèque eØm, Travail de sortie du métal

eØsc, Travail de sortie du semi-conducteur Ev, Energie de la bande de valence n, Densité d’électrons libres Na, Densité d’atomes accepteurs Na-, Densité d’atomes accepteurs ionisés Nc, densité d’état dans la bande de conduction Nd, Densité d’atomes donneurs

Nd, densité de porteur

Nd+,Densité de donneurs ionisés

Nv, densité d’état dans la bande de valence Nv, Niveau d’énergie du vide

Øb, Hauteur de la barrière de potentiel p, Densité de trous libres

T, température

V(x), potentiel suivant l’axe x Vbi, tension de diffusion (built in) Vd, Tension de diffusion

VRM, Tension de polarisation inverse maximale W, Longueur de la zone de charge d’espace Wb, Longueur de la base

x, coefficient de variation en fonction de la température ε, permittivité absolue

χ, Affinité électronique

0

m bi

R bi

C C V

V V

 

     

 

2

d

R bi

C eN

V V

 

 (1.2)

ε

 

1 ^{E EF kT} f E

e ^

  (1.3)

T=0

T≠0

E

E

f 1

0

1/2

 

 

 

 

ln ln

Fn c c d a

Fp v v a d

E E kT N N N

E E kT N N N

  

   ^(1.4)

χ

χ

a d

nN^  p N^ (1.5)

 ^{x y z t , , ,}  ^{e p N} 

^{n N}



  

 









     (1.7)

 ^{, ,} 

. x y z E 

  

E   V

 

2

x y z , ,

V 

   

d m s

V 





eNd



 

2 eNd x

V x Wx



 

    

  ^(1.13)

  



2

d

d m sc

eN W

V x W V x V

 



 

        

  ^(1.14)

 

2

2

d d

W V

eN eN

  

 

 

* 2 eb

kT

I A A

T e





( )

* 2

d f

e V kT

I A A

T e



 



* 2

f d

e eV

kT kT

I A A

T e e

 



sc m Vd V



( )

* 2

f d

e e V V

kT kT

sc m jonc

I A A T e e

 

 





* 2

1

f d

e eV eV

kT kT kT

I A AjoncT e e e

    

   

  ^(1.20)

1

eV kT

I Isate 

   

  ^(1.21)

* 2

f d

e eV

kT kT

sat jonc

I A A T e e

 



  dQ d eN W 



C V  dV  dV

  ² 



d

V V

W V eN

 



 





C V eN

V V

 

 (1.25)

   

2

2

b

d d

V V V

W eN eN

  

 

1

1

b

b

R eN A

P W

  

   

2

2

2

R R d

d jonc

C V V V

 eN A



 

2

2

c

d jonc

P ^  eN A

2

2

i

d jonc

O V

 eN A



1

2

2

RM c d

RM b

d

jonc

d c

P V P

N e

W V

eN

A eN P









 

 

 

 

  



(1.31)

0

0 x

T T

T

    T

  

 

Mesures Datasheet

Image I_F=f(V_F) Image

C=f(V_R)

I_F=f(V_F) à T = 25 C

I_F=f(V_F) à T = 75 C

I_F=f(V_F) à T = 125 C

I_F=f(V_F)

à T = 175 C C =f(V_R)

Pente P₁ à T=25, 75, 125 et 175 C Pente P_C Ordonnée à l’origine O_i Définition de:

- la mobilité À 25 C - La permittivité

- Coefficient de Richardson - Tension inverse

max

N_D W_b A_jonc

x V_d Extraction des photos de courbes

Extraction des données des courbes

Extraction des pentes des courbes

Calcul des paramètres du modèle

(a) (b)

0 0

fi

fi

e kT i

e kT i

p n e n n e





 



  ^(1.33)

 

 

fi

fi

e V x kT

i

eV x e kT i

p x n e n x n e





 



 



 



(1.34)

 

 

0

0

0 0

s fi s

s fi s

e V kT eV kT

s i

eV e kT eV kT

s i

p x p n e p e

n x n n e n e





  



    



    



(1.35)

   

d a d a

N x N x N N n p

2

0 0 0 0

2

eV kT eV kT

d V e

n p p e n e dx 





      

   

   

D

E x Sign V kT F V x eL

 

  

  ^(1.37)

1 2 2

2 0 D

L kT

e p



 

  

 

   

1 2 0

0

1 1

eV kT eV n eV kT eV

F V x e e

kT p kT

    

       

 

F V e^





D

E x kT e

eL

  

   

  ^(1.38)

 

F V eV

kT

 

  

 ⁰ 

D

E x kTV

eL

 

   

 

 

F V e ^

 ⁰ 

^

^

D

E x kT e eL



 

sc sc S

Q  



 

  

   

2

a sc

V x eN x W

  

 

 

i

V x Q x d V

   

sc

G S

i

V V Q

  C

sc a

Q  eN W (1.45)

2

W V

eN



 

  

 

 ⁴ 

2

T fi

i

V eN

C

 

 

           

0

.

xi

c

c c c c

dI y

d Wdy e n x dx I y dy I y I y dy I y

dt dy

 

             

  0 dI

y

dy 

       

, , ,

c

dV y dI x y eW x y n x y dx

 dy



     

0

,

xi

CB

c eff

dV y

I y eW n x y dx







' CB

DS eff n

I W Q dV

 dy

 

' DB

SB V

DS eff n CB

V

I W Q dV

 L

 



 

' S

S D

C

DS eff n S S

S S

dV

I W Q d

L d





  

 



'

'

' '

'

n

n

Q D

C

DS eff n n

Q S n

dV

I W Q dQ

L dQ



 



' 0 VDS

DS eff n CS

I W Q dV



 



sc dep s

Q Q Q (1.57)

 

sc i G S

Q C V V

 

S fi

V V y   (1.58)

   ² 

sc i G fi

Q  C V  V y  

  

 



  



s i G fi a fi

Q  C V V y 











    



2 2 2 2

2 3

D a

DS eff i G fi D D fi fi

i

V eN

I W C V V V

L C





  

        

 

 

  ^(1.61)





^

^

 

2 3 2

D a D

DS eff i G fi D fi

i fi

V eN V

I W C V V

L C

   



   

  

         

(1.62)





2 ^{a fi}

DS eff i G fi D

i

W eN

I C V V

L C



 

  

 

 

(1.63)

 ⁴ 

2

T fi

i

V eN

C

 

 

 

DS eff i G T D

I W C V V V



  (1.64)

DS G

I V





m eff i D

g W C V



 (1.65)

2 1/2

2

2

1 1 2

dsat G fi G

i a

eN C

V V V

C eN

 



   

 

            

Dsat G 2 fi

V V 



 

 

1 1

2 2 2

DSsat eff i G fi eff i G T

W W

I C V C V V

L L







       ^(1.68)

 

1 1

2 1

DS eff i G T DSsat DSsat

W L

I C V V I I

L L L L L

L

 ^{ }

         

(1.69)

   

   

   

 

2 2

2

1/ 2

2 2

DS

DSsat

a

V L

a

V L L

a DS DSsat

DS DSsat a

d V x x

dx

dV x eN x L L dx

eN x L L V x

eN L

V V

V V

L eN















 

  

 

  



  



 

   

 

 

 

 

2

1/ 2 2

1 1

2 2

1

DS eff i G T

DS DSsat a

I W C V V

L V V

L eN





      

  

 

(1.71)

1 1 1

1

DS

L V

L L

L

 

   



(1.72)

λ

 

m eff i G T

g W C V V



  (1.73)

ss

FB ms

i

V Q

 C

 





1 /

eff

G T C

V V E E

 

 

  

ϴ

2

max

2

a d

V eN L

 

2

B C

W BV

 E

2

2

c D

N E

eBV

 

B spe

D

R W

eN 



2

, 3

4

spe ideal

C

R BV

 E



m p

a

W E

eN

 

C p

a

t E qN

 

sc

oxyde sc

oxyde

E  E

 

dson source N canal accum JFET base substrat drain

r r r  r r r r r r (1.84)





^

^

 

2 3 2

DSi a DSi

can eff i G fi DSi fi

i fi

V eN V

I W C V V

L C

   



   

  

         

(1.85)

 

2

DSi

can eff i G T DSi

V

I W C V V V



    

  ^(1.86)

   

0

1

1 2

DSi

can i G T DSi

G T

V

I W C V V V

L V V

 

 

       ^(1.87)

can

eff i DSi

G

I W

V  L C V

 



0

lin i

K W C







  

1 2

DSi

can lin G T DSi

G T

I K V V V V

V V



 

       ^(1.89)

 

 

2

1/ 2 2

1 1

2 2

1

can eff i G T

DSi DSsat a

I W C V V

L V V

L eN





      

  

 

(1.90)

   

 

2

1/ 2 2

1 1

2 1 2

1

lin

can G T

G T DSi DSsat

a

I K V V

V V V V

L eN





        

  

 

(1.91)

 ¹   

2 1

lin

can G T

G T

I K V V

V V

 ^{ }

     

  



f V  xV

' G T

DSsat

V V

V x

 

     

'

1

1

y

can lin G T DSi DSi

G T

I K V V V A xV

V V

 ^{ }

      

 ¹   

2 1

lin

can G T

G T

I K V V

V V

 ^{ }

     

       

     

'

'

2

2 '

' 1

2

0

Dsi DSsat

DSi DSsat

G T y lin

canV V G T lin G T

can y

lin G T G T

DSi V V

V V

I K V V K A V V

x

dI K V V Axy V V

dV







     

         

  

  

          

 

(1.95)





A xy

 

 (1.96)

'

1

1 2

lin lin

y K

x K





(1.97)

       

' 1

1

y G T y

can lin G T DSi DSi

G T

V V

I K V V V xV

V V xy



   

    

    ^(1.98)

' G T

G DSsat

V V V V

x

  

 ¹   

2 1

lin

can G T

G T

I K V V

V V

 ^{ }

     

' G T

G DSsat

V V V V

x

  

2

ox N ox P ox ms

GS

ox ox ox

A A A

C t t t



 

   (1.100)

depl

depl

GD ox

GD

GD ox

C C

C  C C



ox G ox

ox

C A t

 

dep

C A

t

 

2 2

1 1

sc D ox

dep

ox d sc

t V C

C eN





 

     ^(1.102)

2

sc DS DS

dep

C A t

 

 

2

2

dep

D

V V

t eN

 



iss GS GD

rss GD

oss DS GD

C C C

C C

C C C

 

 

  



(1.105)

dep2 DS DS

sc

t C

A ^ 

1 C_DS2

 

2

DS

D

sc DS C

N ^ p

 eA

1 C_RSS2

 

2

GD

GD

sc D

C

A p

 eN



ϴ

DS DSi

DS can

B S

V V

I I

R R

  



1

B RB

D GD

R  eN A

 

α

ϴ

I

ϴ et

. (1.98),

 

   

     

' '

1 1

G T G T

can lin DSi lin DS can B S

G T G T

V V V V

I K V K V I R R

V V V V

 

 

   

    ^(1.111)

   

' '

can

1

DS B S can

lin G T lin

I I

V R R I

K V V K

    



 V

 V

