Note publique d'information : Ces travaux concernent la caractérisation et la modélisation de l'IGBT fonctionnant
à température élevée. Ils ont pour but de concevoir un module hybride de puissance
à IGBT très fiable qui puisse être reporté sur la carcasse d'un moteur de traction
électrique, de manière à réaliser une intégration mécatronique. Pour ce faire, une
méthode non destructive d'extraction de paramètres technologiques basée sur des mesures
électriques simples a été développée, qui permet de simuler la structure physique
bidimensionnelle de l'IGBT asymétrique. Une bonne similitude des résultats expérimentaux
et simulés a permis de valider cette approche. Ainsi, cette méthode a permis d'analyser
l'influence de la température sur le comportement physique interne du transistor en
mode statique (caractéristique statique Ic(Vce), claquage, latch-up) et dynamique.
L'analyse de la commutation dure de l’IGBT à température élevée sur charge inductive
sans influence de la diode de roue libre a permis de relever les caractéristiques
propres du transistor. Les résultats montrent les bonnes performances des IGBT symétriques
comparés aux IGBT asymétriques, et ceci jusqu'à 200°C. L'étude originale de la commutation
dure de l’IGBT sans diode de roue libre a permis de mettre en évidence la très grande
robustesse des IGBT symétriques par rapport aux IGBT asymétriques qui présentent des
défaillances initiées par le phénomène de second claquage d'origine thermique. À ce
stade, il apparaît que l'IGBT peut fonctionner à température élevée. Afin de réaliser
une intégration mécatronique, des modules hybrides de puissance optimisés sur le plan
thermomécanique ont été conçus pour fonctionner à des températures élevées. L'utilisation
de substrat DBC et de semelles en matériau composite A1/SiC a permis d'accroître considérablement
la fiabilité des assemblages grâce à une très bonne adaptation des coefficients de
dilatation thermique.
Note publique d'information : This work deals with the characterization and the modeling of IGBT operating at high
temperature. The main goal is the mechatronic integration by designing a highly reliable
hybrid power module including IGBT to be fastened on an electric traction motor. Thus,
we have developed a non-destructive technological parameters extraction method based
on simple electrical measurements which allows to simulate a two-dimensional punch-through
IGBT structure. Good agreement between experiments and simulations data allows to
validate this approach. As a consequence, we could analyse the temperature influence
on the transistor dynamics in static (output characteristics Ic(Vce), avalanche breakdown,
latch-up) and switching modes. The investigations of the IGBT under hard-switching
load conditions at high temperature without the influence of the freewheeling diode
have allowed to get the own waveforms of the IGBT. The results have shown the good
performances from 25°C to 200°C of non punch-through IGBT compared to punch-through
one. The original study of the IGBT under unclamped inductive hard-switching conditions
has shown that the ruggedness of non punch-through IGBT is higher than punch-through
one which went into failure due to a thermally avalanche-induced second breakdown.
From this point, it is sure that IGBTs can easily operate at high temperature. For
electric traction, IGBTs are commonly associated to be used in power modules. In order
to realize the mechatronic integration, we have designed optimized hybrid power modules
for high temperature operating mode. Thus, the use of DBC substrate and A1/SiC metal
matrix composites baseplate has allowed to enhance drastically the reliability of
power assemblies due to a good matching between coefficient of thermal expansion.
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