Caractérisation et étude des modes de défaillance de convertisseurs de puissance à base de transistors GaN pour applications embarquées

par Malika Elharizi

Projet de thèse en Génie électrique

Sous la direction de Zoubir Khatir et de Alexandre De bernardinis.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec SATIE - Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie (laboratoire) , TEMA - Technologies pour l'Electro-Mobilité Avancée (equipe de recherche) et de École normale supérieure Paris-Saclay (Cachan, Val-de-Marne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    L'utilisation d'une électronique de puissance dans des ambiances hautes températures est aujourd'hui un enjeu stratégique majeur dans le domaine des transports. Cependant, le silicium est physiquement limité dans ses applications pour des températures de l'ordre de 200°C avec des limitations en fréquence de commutation. Les matériaux 'grands gaps' (SiC, GaN et diamant) présentent l'avantage de pouvoir dépasser ces limites en laissant envisager des fonctionnement à la fois à hautes tensions, hautes températures, à fortes densités de courant et hautes fréquences. Parmi les semi-conducteur 'grands gaps', le nitrure de galium (GaN) est un matériau à forte potentialité pour les transports et pouvant rester dans les contraintes de couts raisonnable pour l'industrie automobile. De nombreux travaux doivent cependant être menés pour valider des technologies de composants et d'assemblage qui soient adaptés aux contraintes transports, et plus généralement pour des applications à haute température de fonctionnement. Au niveau des transistors de puissance GaN, les challenges restant à surmonter sont pour la plupart liés aux instabilités des caractéristiques. Parmi les problèmes rencontrés, on peut citer le problème du 'current collapse' se traduisant par des effets indésirables de résistance dynamique à l'état statique passant et la transconductance ou encore les phénomènes de dégradations liés aux fuites de drain ou de grille [1-5]. Le premier est lié à des phénomènes de piégeage/dé-piégeage de charges permettant de recouvrer les caractéristiques, les seconds sont dus à des phénomènes de vieillissement et entrainent la création de pièges supplémentaires réduisant les performances à l'état passant notamment de ces composants. Au niveau convertisseur, les défauts des transistors peuvent entrainer des dysfonctionnements plus ou moins importants suivant la manière de commander. Le vieillissement lié aux cycles de température d'environnement peut affecter les caractéristiques des composants qui devraient se traduire dans le fonctionnement du convertisseur de puissance. En effet, les cycles de déformations-relaxations mécaniques pourraient se traduire par des effets piezo et jouer un rôle sur les instabilités du courant de drain. Les travaux de recherche proposés adressent la problématique de la fiabilité du comportement des onduleurs à base de GaN vis-à-vis de contraintes applicatives embarquées (automobile et aéronautique). Il s'agira d'identifier et comprendre les modes de dégradations et de défaillances de convertisseurs à base de transistors GaN. A cette fin, il sera nécessaire de mener des investigations sur: - le comportement de convertisseurs GaN à différentes températures d'environnement (de -55°C à 200°C) et analyser leurs modes de défaillances vis-à-vis des applications du projet; - l'effet de cycles thermiques d'environnement sur la fiabilité et la stabilité du convertisseur; - les effets de la commande et la problématique de l'interaction des technologies de packaging avec le fonctionnement du convertisseur. Les structures de conversions intégrées à base de GaN seront fournies par les partenaires (Valeo et Safran) du projet MEGAN. Les travaux se feront dans le cadre de ce projet qui s'est donné pour objectif le développement d'une filière de composants de puissance à base de GaN pour les applications automobiles et aéronautiques. Les principaux partenaires industriels sont Renault, Valeo, Hispano-Suiza et Schneider et le CEA-Leti. Ces travaux pourront s'appuyer sur une première thèse lancée fin 2014 et orientée sur les dégradations au niveau composant pour alimenter la réflexion. Le sujet comportera une partie importante d'étude et de validation expérimentale sur un banc d'essai mécatronique, piloté par un système hardware de prototypage rapide. Travaux à réaliser: - Bibliographie: Une bibliographie devra être réalisée sur les composants et convertisseurs à base de GaN pour les applications de puissance concernant leur caractérisation, les problèmes de dégradation et leur modélisation. - Caractérisations du convertisseur et identifications de modes de défaillances éventuels: Des caractérisations expérimentales préliminaires seront menées sur les convertisseurs réalisés dans le cadre du projet et fournis par les partenaires Valeo et Safran. Lors de cette phase, une instrumentation adaptée devra être mise en œuvre afin de monitorer un certain nombre de paramètres électriques et thermiques afin d'identifier ceux qui permettront de caractériser et suivre le vieillissement éventuel. Les effets de la température d'environnement seront étudiés sur les caractérisations sur une plage entre -55°C et 200°C. - Etude du vieillissement vis-à-vis de cycles thermiques: Les convertisseurs en fonctionnement seront soumis à des cycles de températures à l'aide de chambres climatiques ou de systèmes thermorégulateurs. Il sera nécessaire d'établir la méthodologie de test et de mettre en œuvre l'instrumentation, de réaliser les tests avec un monitoring afin de suivre des caractéristiques et les indicateurs de vieillissement préalablement définis. Par exemple, le fonctionnement convertisseur pourra être interrompu afin de faire des caractérisations plus fines au niveau des composants et évaluer les éventuelles évolutions et dégradations. Le cas échéant, des méthodes adaptées devront être élaborées et mises en œuvre pour comprendre les phénomènes observés. Ces tests devront permettre de mettre en évidence les faiblesses des composants HEMTS vis-à-vis des cycles thermiques ainsi que les technologies d'assemblage qui seront choisies dans le cadre du projet. - Investigations de l'influence de la commande du convertisseur sur les phénomènes de dégradations: Comme la manière de commander le convertisseur peut jouer un rôle très important sur sa durée de vie et ses modes de défaillances, il sera nécessaire de mener des investigations dans ce sens. Des recherches seront par exemple menées sur les effets du circuit de grille et de ses paramètres et ainsi que les fréquences de commutations sur les phénomènes de dégradations. Les courts-circuits risquant d'être très mal supportés par les transistors HEMTs GaN, les modes critiques de commande seront particulièrement étudiés. - Modélisations: Enfin, un volet de modélisation pourra être développé pour prédire le comportement électrique et thermique des convertisseurs étudiés. Si le timing du projet de thèse le permet, des modèles analytiques (ou semi-analytiques) seront également développés pour prédire le comportement des convertisseurs en présence de phénomènes de dégradations. Références : [1] M. Faqir et al., 'Analysis of current collapse effect in AlGaN/GaN HEMT: Experiments and numerical simulations', microel. reliabibility vol.50 (2010) pp.1520–1522. [2] I. Daumiller et al., 'Current Instabilities in GaN-Based Devices', IEEE Elec. dev. let., Vol.22, N°2, 2001 [3] D. Jin, J.A. del Alamo, 'Mechanisms responsible for dynamic ON-resistance in GaN high-voltage HEMTs', Proc. of ISPSD 2012. [4] E. Zanoni et al., 'AlGaN-GaN Based HEMTs Failure Physics and Reliability- Mechanisms Affecting Gate Edge and Schottky Junction', IEEE Trans. on Electron Devices, Vol.60, N°10, 2013 [5] J. Joh et al., 'Gate Current Degradation Mechanisms of GaN High Electron Mobility Transistors', Proc. of IEDM 2007.

  • Titre traduit

    Caracterization and study of failure modes of power converters based on GaN transistors for embedded applications.


  • Résumé

    Today, the use of power electronics in high temperature environments is a major strategic challenge in the field of transport . However , silicon is physically limited in its applications to temperatures of the order of 200 ° C with limitations in switching frequency. The materials 'big gaps ' (SiC , GaN and diamond ) have the advantage to overcome these limitations by leaving consider running both high voltage , high temperature, high current densities and high frequencies. Among semiconductor 'big gaps ' , gallium nitride (GaN ) is a high potential for material transport and can remain within the constraints of reasonable costs for the automobile industry. Much work must however be conducted to validate components and assembly technologies that are adapted to transport constraints , and more generally for high operating temperature applications. The proposed research will address the issue of reliability of the behavior of inverters based on GaN vis-à -vis embedded application requirements ( automotive and aerospace ) .