Méthodes globales pour l'estimation des pertes dans les nouveaux composants semi-conducteurs de puissance à commutations rapides

par Do phuong uyen Tran

Projet de thèse en Genie electrique

Sous la direction de Yvan Avenas et de Stéphane Lefebvre.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de génie électrique (Grenoble) (laboratoire) et de Electronique de Puissance (equipe de recherche) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    L'estimation des pertes dans les composants semi-conducteurs de puissance est une donnée essentielle pour estimer le rendement des convertisseurs d'électronique de puissance. Elle est également indispensable pour choisir le système de gestion thermique à associer au convertisseur. Classiquement, les pertes peuvent être estimées par des mesures électriques (courant, tension) au niveau du composant à caractériser. En particulier, les pertes par commutation peuvent être calculées à partir d'une mesure temporelle par intégration du produit courant*tension pendant la durée de la commutation. Avec l'apparition et la mise en œuvre de plus en plus courante des composants semi-conducteurs à base de matériaux à grand gap (carbure de silicium SiC et nitrure de gallium GaN), les vitesses de commutation sont beaucoup plus importantes. Sous de telles contraintes, l'insertion d'un capteur de courant (inductance parasite supplémentaire) et d'un capteur de tension (capacité parasite supplémentaire) peut introduire une modification des formes d'onde et donc une estimation erronée des pertes. De même, les temps à mesurer pouvant être limités à quelques ns voire quelques dizaines de ns, les mesures électriques sont beaucoup plus complexes à mettre en œuvre et de fortes erreurs peuvent être engendrées. Pour éliminer ces problèmes, la tendance actuelle va vers l'utilisation de mesures « globales » pour lesquelles on ne cherche plus à mesurer les pertes dans un seul composant mais plutôt les pertes totales dans une cellule de commutation complète voire dans un convertisseur, afin de permettre au composant de fonctionner dans son environnement électrique réel. Ainsi, deux techniques sont aujourd'hui proposées : des mesures électriques avec des convertisseurs en opposition et des mesures calorimétriques (mesures des pertes via une mesure de température externe). De telles techniques ont été mises en œuvre par le passé, mais la température de jonction du composant est en général mal maîtrisée. Or, comme les pertes dépendent de la température du composant semi-conducteur, les mesures demeurent approximatives. L'objectif de cette thèse est donc de proposer et évaluer de nouvelles méthodes globales permettant d'estimer les pertes dans les composants avec une prise en compte de leur évolution en fonction de leur température de jonction. La première année de thèse sera consacrée à la mise en place d'un dispositif de caractérisation dédié à la mesure des pertes dans des transistors MOSFET et diodes SiC en boîtier discret (i.e. un seul composant par boîtier). Elle se basera sur l'utilisation de mesures calorimétriques et de modèles thermiques (simulations, modèles électriques équivalents) du dispositif afin d'estimer les pertes en conduction et commutation en fonction de la température de jonction du composant. La méthode proposée sera validée dans un premier temps par simulation et calcul puis sera mise en œuvre pour mesurer les pertes des composants dans un convertisseur d'électronique de puissance en fonctionnement. Une attention particulière sera donnée à la validation expérimentale des mesures effectuées. Comme les composants de puissance sont très souvent intégrés dans des boîtiers multi-puces, la suite des travaux de thèse sera consacrée à la mesure des pertes dans ce type de boîtier. Le même type de démarche sera mis en place. Toutefois, pour pouvoir effectuer des vérifications expérimentales plus aisées, le doctorant concevra et réalisera des modules de puissance à façon contenant une instrumentation adaptée à la mesure de température des puces semi-conductrices en fonctionnement. Enfin, une analyse des limites de cette nouvelle méthodologie de mesure et une comparaison avec d'autres techniques seront effectuées.

  • Titre traduit

    Global methods for estimating power losses in new power semiconductor devices with fast switching speeds


  • Résumé

    Estimation of power losses in power semiconductor devices (diodes and transistors) is mandatory to calculate the efficiency of static converters. It is also required to choose and design the thermal management system of converters. Classically, power losses are estimated using electrical measurements (current, voltage) across the device to be characterized. Particularly, switching losses can be calculated by integrating the current*voltage product during the switching event. Since several years, wide band gap devices (in SiC and GaN) are more and more used because their switching speeds are higher and thus allow reducing losses or volume of power electronics converters. Due to these high switching speeds, the insertion of current or voltage sensors introduce parasitic elements (respectively inductances or capacitances) in the switching cell which can induce a modification of the waveforms and therefore of the estimated heat losses. Furthermore, the switching times can be limited to only several nanoseconds which make very difficult the possibility of carrying out accurate electrical measurements. Thus strong estimation errors can be introduced. To cancel these measurement issues, it is proposed today to make “global” measurements. In this case, losses are not estimated in only one device but in a global switching cell or a complete converter. In this configuration, each device works in its real electrical environment. Two main methods are proposed today by researchers: electrical measurements based on the use of power converters in back-to-back configuration, and calorimetric measurements (losses estimation by measuring temperatures in the system). Such techniques are already carried out but the junction temperatures of power devices are not well known. Therefore losses calculations are not accurate because they depend on the junction temperature of devices. The main objective of this PhD thesis is thus to propose and validate new global methods allowing estimating the losses and their variation with the junction temperature. The first year of the PhD project will be focused on proposing and designing a characterization tool able to estimate the losses in discrete SiC MOSFETs and diodes (i.e. one device per package). This tool will be based on the use of calorimetric measurements and thermal models (simulations or equivalent electrical circuits) of the system in order to estimate conduction and switching losses as a function of the junction temperature The proposed method will be validated in a fist time by simulation and will be carried out to estimate the losses in a working converter. Special care will be given to the experimental validation of the measurements. Because the power devices are often implemented in multichip modules, the remaining work will deal with measurements of losses in these packages. To allow making easier experimental validations, the PhD student will have to design and fabricate power modules including an instrumentation setup which will be adapted to the chip temperature measurements in working conditions. Finally, an analysis of this new measurement methodology and a comparison with other techniques will be proposed.