Caractérisation et mise en œuvre de dispositifs de protection contre les surtensions

par Jean-Yves Depee

Thèse de doctorat en Génie Electrique

Sous la direction de Jean-Pierre Chante.

Soutenue en 1995

à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec CEGELY - Centre de génie électrique de Lyon (Rhône) (laboratoire) .

mots clés

• Régime transitoire (électricité)
• Modélisation tridimensionnelle
• Simulation par ordinateur

Résumé

Les dispositifs électroniques de plus en plus intégrés s'avèrent de plus en plus rapides, mais également de plus en plus sensibles aux phénomènes de surtensions transitoires. Ceux-ci correspondent à des restitutions d'énergie d'origines diverses, naturelles ou non: phénomène de foudre, explosion nucléaire, commutations dans un environnement électrique. A cause du champ électromagnétique produit, des surtensions transitoires peuvent se propager jusqu'à certains dispositifs sensibles qu'il est donc nécessaire de protéger. Parmi les moyens de protection possibles, nous nous intéressons aux composants discrets de protection parallèle et à leur comportement dynamique face à des fronts de tension rapides et sur des ondes de courant de décharge oscillantes. Or cette étude met en évidence les qualités de protection des composants semi-conducteurs. Afin de mieux comprendre les limites d'utilisation de ces derniers, nous nous intéressons ensuite à la simulation physique de leur comportement, en une et deux dimensions. Grâce à la meilleure connaissance des phénomènes physiques mis en jeu, nous développons alors des modèles des principaux composants discrets de protection, dédiés à un logiciel de simulation de circuits tel que HSPICE. En nous appuyant sur ces modèles, nous développons enfin quelques modules spécifiques de protection (protection basse énergie et protection d'un réseau Basse Tension contre la foudre).

Titre traduit

= Characterisation and development of over voltage protection devices

Résumé

[Electronic devices are more and more integrated, faster and faster but more and more sensitive ta transient over voltage phenomena. These phenomena are due ta natural or artificial energy restitution· nuclear detonation lightning switching in electrical surroundings. The induced electromagnetic field may propagate, thus some sensitive electronic devices must then be protected. Among ail the possible protection techniques we are particularly interested in discrete parallel protection components and in their behaviour facing fast voltage rise and oscillating discharge. This study shows the interesting protection properties of semiconductor devices. That is why we simulate the physical behaviour of such structures in order to better understand the different involved phenomena. We are then able ta develop different models dedicated to circuit simulation softwares like HSPICE that enable us to predict the protection components behaviour facing different surge waves. Using these models we realise two specific protection modules (law energy protection module and law voltage network lightning protection module). ]