Studies of SiC power devices potential in power electronics for avionic applications

par Cheng Chen

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Stéphane Lefebvre et de Hervé Morel.

  • Titre traduit

    Etudes des potentialités de composants SiC en électronique de puissance pour des applications aéronautiques


  • Résumé

    Mes travaux de thèse dans les laboratoires SATIE de ENS de Cachan et Ampère de l’INSA de Lyon se sont déroulés dans le cadre du projet Gestion OptiMisée de l'Energie (GENOME) pour étudier le potentiel de certains composants de puissance (JFET, MOSFET et BJT) en carbure de silicium (SiC) dans des convertisseurs électroniques de puissance dédiés à des applications aéronautiques suite au développement de l'avion plus électrique. La première partie de mes travaux étudie la robustesse de MOSFET et BJT en SiC soumis à des régimes de court circuit. Pour les MSOFET SiC, en soumettant ces transistors à la répétition de plusieurs courts-circuits, nous observons une évolution du courant de fuite de grille qui semble être un bon indicateur de vieillissement. Nous définissons une énergie critique répétitive pour évaluer la robustesse à la répétition de plusieurs courts-circuits. Aucun effet significatif de la température ambiante n’a pu être mis en évidence sur la robustesse des MOSFET et BJT SiC sous contraintes de court-circuit. Pour les MOSFET, nous avons également constaté une élévation significative du courant de fuite de grille en augmentant de 600V à 750V la tension, ce qui se traduit également par une défaillance plus rapide. Après ouverture des boîtiers des MOSFET Rohm ayant présenté un court-circuit entre grille et source après défaillance, on remarque une fusion de la métallisation de source qui vient effectivement court-circuiter grille et source. Dans ce mode de défaillance particulier, le court-circuit entre grille et source auto-protège la puce en lui permettant de s’ouvrir.La deuxième partie de ce mémoire est consacrée à l’étude de JFET, MSOFET et BJT SiC en régime d’avalanche. Les JFET de SemiSouth et les BJT de Fairchild présentent une bonne robustesse à l’avalanche. Mais le test d'avalanche révèle la fragilité du MOSFET Rohm puisqu’il entre en défaillance avant d’entrer en régime d’avalanche. La défaillance du MOSFET Rohm et sa faible robustesse en régime d’avalanche sont liées à l’activation du transistor bipolaire parasite. Le courant d'avalanche n’est qu’une très faible partie du courant dans l’inductance et circule du drain/collecteur à la grille/base pour maintenir le transistor en régime linéaire. Une résistance de grille de forte valeur diminue efficacement le courant d'avalanche à travers la jonction drain-grille pour le JFET.La troisième partie concerne l’étude de la commutation de BJT SiC à très haute fréquence de découpage. Nous avons dans un premier temps cherché à valider des mesures de pertes par commutation. Après avoir vérifié l'exactitude de la méthode électrique par rapport à une méthode calorimétrique simplifiée, nous montrons que la méthode électrique est adaptée à l’estimation des pertes de commutation mais nécessite beaucoup d’attention. En raison de mobilité élevée des porteurs de charge dans le SiC, nous montrons que le BJT SiC ne nécessite pas l’utilisation de diode d’anti-saturation. Enfin, aucune variation significative des pertes de commutation n’a pu être constatée sur une plage de température ambiante variant de 25°C à 200°C.La quatrième partie concentre l’étude du comportement de MOSFET SiC sous contraintes HTRB (High Temperature Reverse Bias) et dans une application diode-less dans laquelle les transistors conduisent un courant inverse à travers le canal, exception faite de la phase de temps mort pendant laquelle c’est la diode de structure qui assurera la continuité du courant dans la charge. Les résultats montrent que la diode interne ne présente aucune dégradation significative lors de la conduction inverse des MOSFET. Le MOSFET Cree testé montre une dérive de la tension de seuil et une dégradation de l’oxyde de grille qui sont plus significatives lors des essais dans l’application diode-less que sous des tests HTRB. La dérive de la tension de seuil est probablement due au champ électrique intense régnant dans l’oxyde et aux pièges de charge dans l'oxyde de grille.


  • Résumé

    My PhD work in laboratories SATIE of ENS de Cachan and Ampère of INSA de Lyon is a part of project GEstioN OptiMisée de l’Energie (GENOME) to investigate the potential of some Silicon carbide (SiC) power devices (JFET, MOSFET and BJT) in power electronic converters dedicated to aeronautical applications for the development of more electric aircraft.The first part of my work investigates the robustness of MOSFET and SiC BJT subjected to short circuit. For SiC MOSFETs, under repetition of short-term short circuit, a gate leakage current seems to be an indicator of aging. We define repetitive critical energy to evaluate the robustness for repetition of short circuit. The effect of room temperature on the robustness of SiC MOSFET and BJT under short circuit stress is not evident. The capability of short circuit is not improved by reducing gate leakage current for MOSFET, while BJT shows a better robustness by limiting base current. For MSOFET, a significant increase in gate leakage current accelerates failure for DC voltage from 600V to 750V. After opening Rohm MOSFETs with a short circuit between gate and source after failure, the fusion of metallization is considered as the raison of failure. In this particular mode of failure, the short circuit between gate and source self-protects the chip and opens drain short current.The second part of the thesis is devoted to the study of SiC JFET, MSOFET and BJT in avalanche mode. The SemiSouth JFET and Fairchild BJT exhibit excellent robustness in the avalanche. On the contrary, the avalanche test reveals the fragility of Rohm MOSFET since it failed before entering avalanche mode. The failure of Rohm MOSFET and its low robustness in avalanche mode are related to the activation of parasitic bipolar transistor. The avalanche current is a very small part of the current in the inductor. It flows from the drain/collector to the gate/base to drive the transistor in linear mode. A high-value gate resistance effectively reduces the avalanche current through the drain-gate junction to the JFET.The third part of this thesis concerns the study of switching performance of SiC BJT at high switching frequency. We initially attempted to validate the switching loss measurements. After checking the accuracy of the electrical measurement compared to calorimetric measurement, electrical measurement is adopted for switching power losses but requires a lot of attention. Thanks to high carrier charge mobility of SiC material, SiC BJT does not require the use of anti-saturation diode. Finally, no significant variation in switching losses is observed over an ambient temperature range from 25°C to 200°C.The fourth part focuses on the study of SiC MOSFET behavior under HTB (High Temperature Reverse Bias) and in diode-less application in which the transistors conduct a reverse current through the channel, except for the dead time during which the body diode ensure the continuity of the current in the load. The results show that the body diode has no significant degradation when the reverse conduction of the MOSFET. Cree MOSFET under test shows a drift of the threshold voltage and a degradation of the gate oxide which are more significant during the tests in the diode-less application than under HTRB test. The drift of the threshold voltage is probably due to intense electric field in the oxide and the charge traps in the gate oxide.


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