Conception d'un Thyristor 5 kV en carbure de silicium pour assurer la génération d'impulsions de forte énergie

par Naji Arssi

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Jean-Pierre Chante.


  • Résumé

    Pour certaines applications, l'électronique de puissance est utilisée pour la génération d'impulsions courtes de très forte puissance. Ce type d'applications fait intervenir des courants de 50 à 70 kA sous des tensions de 10 kV. Aujourd'hui, les sources d'énergie modulaires sont conçues avec des composants de type thyristor et diode en silicium, associés en série et en parallèle. Les travaux de recherches que nous avons conduits ont pour objectifs d'ouvrir la voie vers des modules de commutation mettant en jeu un nombre de composant moins élevé. Il est envisagé de remplacer ces composants par des structures du même type en carbure de silicium (SiC). Les propriétés physiques et électriques du matériau semi-conducteur SiC (grande conduction thermique, fort champ électrique de claquage et large bande interdite) permettent d'envisager une réduction des dimensions et une diminution des pertes dans le composant. Nous présentons dans cette thèse la conception d'un thyristor 5 kV asymétrique en 4H-SiC et l'étude par simulations électro-thermiques des performances dans un environnement représentatif du système réel utilisant une énergie de 50 kJ. Les paramètres technologiques ont été définis avec l'aide du logiciel de simulation par éléments finis développé par ISETM TCAD. Les échantillons tests ont été réalisés avec le concours de l'université technologique (RWTH) de Aachen (Allemagne). Les mesures expérimentales ont mis en évidence les tendances électriques prédites avec le simulateur. Les performances électriques de la structure sont actuellement limitées par la présence de défauts dans le matériau et par la technologie qui n'est pas encore arrivée à maturité pour permettre de définir une protection périphérique adéquate.


  • Résumé

    In some applications, power electronic is used to generate high power pulses. For those applications the typical currents go from 50 up to 70 kA and the operating voltage is around 10 kV. Up to now silicon power thyristors and diodes in a serial-parallel configuration compose the pulse forming units. Our investigation is focused on the reduction of the weigh and the volume of the pulser by decreasing the number of the device. The goal is to replace the actual devices by the same structures in silicon carbide (SiC) material. The material properties of silicon carbide (high bandgap, high critical electric field, high thermal conductivity and high electron saturation velocity) indicate the potentiality of reducing the size and the power lasses of the power device. We present in this thesis the design of a 5 kV asymmetrical 4H-SiC thyristor with regard to the electrothermal effect in an application using a Compact 50 kJ pulse forming unit. The technological parameters of the thyristor are determined with a two-dimensional (2D) finite element simulation package ISE™ TCAD. The thyristor is realised at the Aachen University of Technology (RWTH) in Germany. The experimental measurement had showed good agreement with the simulation results. The electrical performance is limited by the presence of material defects and by the technology, which is not enough mature to define the peripheral protection required.

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Informations

  • Détails : 188 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.176-185

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2628)
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