Thèse: Méthode de Caractérisation Dynamique Innovante Appliquée à la Modélisation et la Compréhension des GaN HEMTs de Puissance pour Améliorer la Fiabilité des Convertisseurs Statiques

Résumé

Les transistors à large bande interdite sont essentiels à la transition énergétique de notre société, grâce à la diminution des pertes énergétiques et la meilleure densité de puissance qu'ils permettent dans les convertisseurs en comparaison avec leurs équivalents en silicium. Ces avantages sont principalement dûs à leurs transitoires de commutation extrêmement rapides et à leur faible résistance à l'état passant. Selon ces critères, les transistors à haute mobilité électronique en Nitrure de Gallium sont actuellement les plus performants du marché. Cependant, les caractéristiques électriques des transistors GaN fluctuent, par exemple leur tension de seuil et leurs capacités sous l'influence de tensions quasi-statiques de drain et de grille. En particulier, en conditions dynamiques, ces fluctuations sont encore mal comprises. En effet, le test dynamique comporte des difficultés intrinsèques. Les transitoires très rapides des composants GaN provoquent des surtensions en conditions dynamiques. Ces oscillations résultent d'un compromis entre,: 1) la raideur des fronts 2) l'amplitude des oscillations et 3) la longueur des pistes. Ce compromis peut être équilibré avec succès pour des convertisseurs, mais la caractérisation dynamique nécessite des systèmes qui soient modulaires et instrumentés: ces deux aspects allongent les boucles de puissance. En pratique, en caractérisation, il faut donc accepter d'augmenter les oscillations et/ou de diminuer la raideur des fronts, ce qui entraîne des signaux non réalistes ou des erreurs de mesure, et entrave la compréhension physique des phénomènes. Pour dépasser ce compromis, de nouvelles méthodes de conception sont donc nécessaires. De telles méthodes permettraient des études plus approfondies sur le comportement en dynamique des composants GaN. Dans cette optique d'innovation méthodologique, nous utilisons la théorie des lignes de transmission, en nous inspirant des domaines des décharges électrostatiques et des radiofréquences, pour concevoir un générateur de tension de grille et une charge de puissance originaux. Cet environnement de test permet de reproduire les conditions typiques d'un convertisseur: 1) des surtensions de grille, 2) un temps "passant" réaliste et 3) une charge de puissance, pour la première fois dans la littérature. Contrairement aux circuits optimisés avec des courtes pistes, l'intégrité des signaux de notre environnement est indépendante de la longueur des pistes, avec des boucles de courant de plusieurs mètres, des transitoires d'une raideur réaliste, et sans oscillations. Le générateur permet également de moduler la forme des signaux de grille en vue d'étudier leur influence sur les commutations. Nous observons que le comportement dynamique des composants GaNs est reproductible, contrairement au mode quasi-statique sans préconditionnement. De plus, nous démontrons que les surtensions de grille peuvent multiplier la résistance à l'état passant des composants par quatre à six, dans les conditions pourtant recommandées par le constructeur. Nous expliquons ce comportement par un décalage du potentiel de la couche de pGaN de la grille. Ce comportement est illustré par un modèle à deux diodes de la grille correspondant qualitativement aux trois types de comportement observés. Les essais originaux renforcent les études existantes sur la validité et l'utilité de ce modèle de grille. Ce travail démontre l'intérêt d'une approche par modélisation en ligne de transmission pour la conception de circuits en électronique de puissance. La méthode de caractérisation proposée permet une observation nouvelle et approfondie du comportement dynamique des composants GaNs. En particulier, le lien expliqué entre surtensions et Ron illustre l'intérêt de la méhode pour la compréhension du comportement des composants, en vue d'une amélioration de leur structure et de leur utilisation dans des convertisseurs, ici en démontrant que les surtensions de grille doivent être évitées.