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Evolution de la résistance dynamique Ron_dyn des transistors de puissance GaN pendant les cycles de commutation
Caractérisations en commutations cycliques
Principe du test Nous pouvons considérer, en première approximation, que lors d’une commutation, quand le composant est à l’état bloqué (Off state) avec une tension de blocage appliquée (VDS), un phénomène de piégeage (capture) se produit et à l’état passant (On state) nous avons un phénomène de dé-piégeage (émission). Il est à noter que, de façon générale, les constantes de temps de capture sont plus faibles que celles d’émission. Ainsi, si nous menons une succession de commutations avec des temps bien choisis de telle sorte qu’il y ait un déséquilibre entre les taux de capture et d’émission, nous pouvons observer une dérive de la tension de seuil et de la résistance dynamique à l’état passant. C’est le principe représenté en figure III.1 montrant l’évolution schématique de la résistance dynamique à l’état passant Ron_dyn lors des commutations. A chaque état bloqué, la densité de charges piégées augmente à cause des phénomènes de capture. Et lors des états passants, seulement une partie de ces charges est émise à cause de la différence des constantes de temps de capture et d’émission. Ainsi, avec le temps et les commutations successives, un phénomène cumulatif de charges piégées se produit, entrainant une dérive progressive de la résistance Ron_dyn. Ce processus transitoire, généré par les commutations cycliques, modifie les taux d’émission et de capture de telle manière qu’un nouvel équilibre entre émission et capture va être atteint au bout d’un certain temps si les conditions thermiques le permettent. Ainsi, l’accumulation de charges piégées, rapide au début, finit par se saturer progressivement avec le nouvel équilibre entre les deux mécanismes physiques d’émissions et de captures. Si le refroidissement n’est pas assez efficace et que l’augmentation de la résistance Ron_dyn est telle que l’auto-échauffement engendré entraine un emballement thermique, le test mène à la destruction du composant si aucune protection ou un seuil n’est activé pour arrêter le test. Figure III. 1: Evolution de la résistance dynamique Ron_dyn lors des commutations D’un point de vue technique, deux difficultés peuvent être identifiées : – la mesure de la résistance Ron_dyn, lors des états passants, en particulier lorsque les fréquences de commutation sont élevées et les durées des états passants trop courtes pour réaliser la mesure ; – la séparation des effets thermiques de ceux des piégeages dans l’augmentation de la résistance Ron_dyn. En effet, durant le test, la température du composant s’élève naturellement et a un effet sur la résistance Ron_dyn.
Moyens de test et méthodologie
Les composants de puissance testés sont des composants Normally-Off GaNSystems (GS66508P) de calibre 30A-650V, avec une préconisation de tension de grille VGS située dans l’intervalle (-10V, +10V) (Cf. Chapitre II § II.1.1). Un banc de test de Modulation de Largeur d’Impulsion (Cf. Figure III.2) a été mis en œuvre afin de mener les investigations. Le montage proposé permet d’effectuer une mesure quasi-continue de la résistance dynamique Ron_dyn lors de commutations successives. Le dispositif expérimental permet d’étudier sur le composant testé (Device Under Test) les effets de différents paramètres comme : La température de semelle : celle-ci pouvant varier entre -50°C et 200°C grâce à un thermorégulateur à bain d’huile (Julabo Thermal HL45) alimentant un refroidisseur à circulation de fluide sur lequel est monté le D.U.T (Cf. Figure III.2-a) ; La fréquence de découpage : pouvant aller de quelques Hz à 300kHz ; Le courant : le banc MLI permettant de délivrer un courant continu de 200A maximum et un courant alternatif de 500A crête jusqu’à 500Hz ; La tension de bus Vdc : celle-ci pouvant monter jusqu’à 600V ; Le temps de conduction des composants : celui-ci étant donné par la relation : 𝑡𝑜𝑛 = η T Eq.III.1 Où η et T sont respectivement le rapport cyclique et la période. Il est à noter qu’une diode en Carbure de Silicium est utilisée pour la commutation comme l’indique le schéma électrique du montage expérimental (Cf. Figure III.2-b). Un plan d’expérience a été réalisé pour différentes températures, combinant plusieurs niveaux de tension Vdc (allant de 100 à 400V) et plusieurs fréquences (variant de 20kHz à 300kHz). Les conditions de test sont récapitulées dans le tableau III.2 plus loin. Le driver utilisé pour piloter la grille du composant a été fourni par notre partenaire de projet, le Commissariat aux Energies Alternatives et à l’Energie Atomique (CEA-Leti). Néanmoins, nous l’avons adapté au dispositif GaNSystems en rajoutant un filtre sur la commande de grille et un circuit électronique afin d’améliorer la qualité des commutations (Cf. Figure III.2-b). La tension de grille VGS a été réglée à -3V pour l’état bloqué et à +6V pour l’état passant. Comme la tension Drain-Source est mesurée en permanence, que ce soit à l’état passant (valeurs de tension faibles) où à l’état bloqué (valeurs de tension élevées), cette mesure a été dupliquée pour utiliser deux calibres différents afin d’avoir une meilleure précision de mesure. Nous noterons VDSR la tension drain–source à l’état passant et VDS celle à l’état bloqué (Cf. Figure III.2-b). Le courant de drain (Iphase), dont la valeur est maintenue à 10A, est mesuré à l’aide d’un shunt de courant (Current Transducer ITN 600-S).
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