Modélisation de différentes technologies de transistors bipolaires à grille isolée pour la simulation d'applications en électronique de puissance

Modeling of Insulated gate bipolar transistor technologies dedicated to power electronics applications simulation

• Auteur / Autrice : Rodolphe de Maglie
• Direction : Patrick Austin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes, Conception de

Modèles mathématiques

Électronique de puissance

Transistors bipolaires

Mots clés libres

Transistors bipolaires à grille isolée

Modélisation

Simulation physique

Simulation à éléments finis

Structure à tranchées

Intégration fonctionnelle

Insulated gate bipolar transistor

Modeling

Physical simulations

Finite elements simulation

Trench gate structure

Functional integration

Résumé

L'analyse et la conception des systèmes en électronique de puissance nécessitent la prise en compte de phénomènes complexes propres à chaque composant du système mais aussi en accord avec son environnement. La description précise du comportement d'un système passe par la simulation utilisant des modèles suffisamment précis de tous ces composants. Dans notre étude, les modèles basés sur la physique des semiconducteurs permettent de décrire le comportement de la charge stockée dans la base large et peu dopée des composants bipolaires. Cette description fine est indispensable à la bonne précision de nos modèles car l'évolution des porteurs dans la base est indissociable du comportement en statique et en dynamique du composant. Ainsi, les modèles physiques analytiques de diode PiN mais surtout d'IGBT NPT ou PT, ayant une technologie de grille 'planar' ou à tranchées sont présentés puis validés. La modélisation de systèmes complexes en électronique de puissance est abordée au travers de deux études. La première concerne l'association des modèles de semiconducteurs avec des modèles de la connectique dans un module de puissance du commerce (3300V /1200A). Une analyse sur les déséquilibres en courant entre les différentes puces en parallèle est donnée. La seconde présente une architecture innovante issue de l'intégration fonctionnelle. Cette architecture faibles pertes permet d'améliorer le compromis chute de tension à l'état passant/ énergie de commutation à l'ouverture inhérent aux composants IGBT. Sa réalisation technologique est présentée au travers de mesure.

Analysis and systems design in power electronics must taking into account of specific complex phenomena to each components of the system but also in agreement with its environment. Accurate description of a system needs for simulations sufficiently accurate models of all its components. In our study, the models based on the semiconductor physics make it possible to describe the behavior of the stored charge in the deep and low doped base in the bipolar devices. This fine description is essential to the good precision of our models because the evolution of the carriers in the base is indissociable of the in static and dynamic behaviors of the component. Thus, the analytical physical models of PiN diode, NPT or PT IGBT with planar or trench gate structure are presented then validated. The modeling of complex systems in power electronics is approached through two studies. The first deals with to the association of our semiconductor models and wiring model of an industrial power module (3300V /1200A). An analysis on imbalances between the different chips in parallel is given. The second study presents a innovating architecture resulting from the functional integration. This low losses improve the tradeoff between on-state drop voltage and turn-off transient energy in IGBT component. Its technological realization is presented through measurements.