Contribution à l’étude du comportement électrothermique et analyse du mécanisme de vieillissement dans les transistors de puissance IGBTs

Abstract

Les progrès informatiques des dix dernières années ont imposé la simulation numérique comme un outil d’aide à la conception indispensable en microélectronique et à la compréhension interne du comportement du dispositif. Les générations d’IGBTs se sont succédées sans que les utilisateurs sachent réellement ce que renfermait les boitiers. De plus, Le défit principal des concepteurs et des chercheurs actuels est la recherche d’un interrupteur idéal assurant son utilisation sous des températures élevées sans aucune dégradation significative de ses performances. Dans ce contexte cette thèse constitue une étude complète des mécanismes physiques d’un PT-IGBT (Punch through) appartenant à deux différents constructeurs (IXYS et International Rectifier) afin de clarifier les orientations technologiques prises par les fabricants et de faciliter aux utilisateurs le choix d’IGBT aux caractéristiques électriques adaptées à l’application envisagée comme : rapidité de commutation pour les convertisseurs ou la commande des machines etc..En premier lieu, cette thèse porte tout d’abord sur le comportement statique du composant IGBT par l’analyse de l’évolution de sa chute de tension à l’état passant en fonction de la température. En deuxième lieu, l’étude d’un hacheur sur charge inductive placée en parallèle avec une diode en roue libre, nous a permis aussi de comprendre la relation entre la pente de la tension Vce à l’ouverture en fonction de la structure et les conditions du circuit à savoir : la résistance de grille Rg, la température et la capacité de la diode de roue libre. Nous introduisons ainsi la différence comportementale entre les IGBTs à technologie épitaxiée avec couche tampon de la firme IR et celle de la firme IXYS. Nous terminerons cette partie par la simulation du composant IGBT sous ZVS (Zero Voltage Switching) et ZCS (Zero Current Switching) par l’analyse et l’optimisation de ses performances en commutation (fréquence de fonctionnement, pertes) en s’attachant à déterminer la stratégie la plus adaptée à ce type de composant en fonction de l’application envisagée. Un troisième objectif est visé dans cette thèse est l’étude de l’aptitude du composant IGBT à tenir le régime de surcharge et à supporter un cas de défaut de court-circuit ou de UIS (Unclamped Inductive Switching). Par le biais de la simulation, nous avons pu analyser et simuler deux grands types d’essai de court-circuit : le premier concerne le défaut en charge, le second est le cas de défaut à vide. L’originalité de cette étude réside sur la simulation d’un défaut de court-circuit par le choix : d’un interrupteur idéal assurant un défaut de court-circuit à des instants bien choisis que ce soit durant l’état off ou durant l’état on ; et d’un interrupteur auxiliaire permettant de contrôler bien la durée de court –circuit. L’étude est complétée par l’analyse de l’influence de la température, de la tension de court-circuit et aussi de la durée de court-circuit sur le comportement d’IGBT (IXYS et IR). L’exploitation des résultats de simulation nous a permis d’établir quelques analyses physiques profondes sur le comportement électrique interne et aussi à quelques réflexions sur les améliorations de sa conception.