Dans le domaine aéronautique, les systèmes électriques remplacement progressivement les systèmes de contrôle mécaniques ou hydrauliques. Les bénéfices immédiats sont la réduction de la masse embarquée et des performances accrues à condition que l'électronique supporte l'absence de système de refroidissement. Si la haute température de fonctionnement n'empêche pas d'atteindre une fiabilité suffisante, il y aura réduction des coûts opérationnels. Des étapes clefs ont été franchies en introduisant des systèmes à commande électriques dans les aéronefs en lieu et place de systèmes conventionnels : freins électriques, inverseur de poussée, vérins électriques de commandes de vol... Toutes ces avancées se sont accélérées ces dernières années grâce entre autre à l'utilisation de nouveaux matériaux semiconducteurs, dit à grand gap (SiC, GaN...), opérant à haute température et palliant ainsi une faiblesse des dispositifs classiques en silicium (Si). Des composants de puissance haute température, diode Schottky ou transistor JFET SiC, sont ainsi disponibles commercialement et peuvent supporter des ambiantes de plus de 220°C. Des modules de puissances (onduleur) à base de transistor JFET SiC ont été réalisés et validés à haute température. Finalement la partie " commande " de ces modules de puissance reste à concevoir pour les environnements sévères pour permettre leur introduction dans le module de puissance. C'est dans ce contexte de faiblesse concernant l'étage de commande rapprochée qu'a été construit le projet FNRAE COTECH, et où s'inscrivent les travaux de cette thèse, Dans un premier temps, un état de l'art sur les drivers et leurs technologies nous a permis de souligner le lien complexe entre électronique et température ainsi que le potentiel de la technologie CMOS sur Silicium sur Isolant (SOI) pour des applications hautes températures. La caractérisation en température de drivers SOI disponibles dans le commerce nous a fourni des données d'entrée sur le comportement de tels dispositifs. Ces caractérisations sont essentielles pour visualiser et interpréter l'effet de la température sur les caractéristiques du dispositif. Ces mesures mettent aussi en avant les limites pratiques des technologies employées. La partie principale de cette thèse concerne la conception et la caractérisation de blocs ou IPs pour le cœur d'un driver haute température de JFET SiC. Elle est articulée autour de deux runs SOI (TFSmart1). Les blocs développés incluent entre autres des étages de sortie et leurs buffers associés et des fonctions de protection. Les drivers ainsi constitués ont été testés sur un intervalle de température allant de -50°C à plus de 250°C sans défaillance constatée. Une fonction originale de protection des JFETs contre les courts-circuits a été démontrée. Cette fonction permet de surmonter la principale limitation de ces transistors normalement passant (Normaly-ON). Finalement, un module de bras d'onduleur a été conçu pour tester ces driver in-situ.

This work was carried out on behalf of Science Safari. Science Safari wants to create a product that facilitates the understanding of how much physical work is required to create electrical energy. This is done by cranking the pedals of a bicycle. The purpose of this work is to create a control unit that keeps the torque required to crank the pedals close to constant. The torque can be kept constant by creating a variable load for the generator, in this case, a pulse modulated JFET is used. The output of the current sensor and the Hall-effect sensor are used to calculate the required resistance of the JFET to keep constant torque. All this is controlled via a Raspberry Pi 3 Model B (RPi) which also shows real-time values on a display. The functionality of the sensors and JFET has largely been completed, but the assembly of all components is lacking in this work. / Detta arbete är utfört i uppdrag av Science Safari. Science Safari vill skapa en produkt som underlättar förståelsen av hur mycket fysiskt arbete som krävs för att skapa elektrisk energi. Detta genom att användaren vevar på en cykels pedaler för hand. Syftet med detta arbete är att skapa en styrenhet som ungefär håller ett konstantvridmomentet på en cykels pedaler. Vridmomentet kan hållas konstant genom att skapa en variabel last till generatorn, med hjälp av en pulsmodulerad JFET. För att beräkna vilken resistans JFETen ska ha för att hålla konstant vridmoment används en strömsensor och en Hall-effect sensor. Allt detta styrs via en Raspberry Pi 3 ModelB som även visar värden i realtid på en display. Funktionaliteten av sensorerna och JFET har till stor del färdigställts men sammansättning av alla komponenter saknas i detta arbete.

Dans le domaine aéronautique, les systèmes électriques remplacement progressivement les systèmes de contrôle mécaniques ou hydrauliques. Les bénéfices immédiats sont la réduction de la masse embarquée et des performances accrues à condition que l’électronique supporte l’absence de système de refroidissement. Si la haute température de fonctionnement n’empêche pas d’atteindre une fiabilité suffisante, il y aura réduction des coûts opérationnels. Des étapes clefs ont été franchies en introduisant des systèmes à commande électriques dans les aéronefs en lieu et place de systèmes conventionnels : freins électriques, inverseur de poussée, vérins électriques de commandes de vol… Toutes ces avancées se sont accélérées ces dernières années grâce entre autre à l’utilisation de nouveaux matériaux semiconducteurs, dit à grand gap (SiC, GaN…), opérant à haute température et palliant ainsi une faiblesse des dispositifs classiques en silicium (Si). Des composants de puissance haute température, diode Schottky ou transistor JFET SiC, sont ainsi disponibles commercialement et peuvent supporter des ambiantes de plus de 220°C. Des modules de puissances (onduleur) à base de transistor JFET SiC ont été réalisés et validés à haute température. Finalement la partie « commande » de ces modules de puissance reste à concevoir pour les environnements sévères pour permettre leur introduction dans le module de puissance. C’est dans ce contexte de faiblesse concernant l’étage de commande rapprochée qu’a été construit le projet FNRAE COTECH, et où s’inscrivent les travaux de cette thèse, Dans un premier temps, un état de l’art sur les drivers et leurs technologies nous a permis de souligner le lien complexe entre électronique et température ainsi que le potentiel de la technologie CMOS sur Silicium sur Isolant (SOI) pour des applications hautes températures. La caractérisation en température de drivers SOI disponibles dans le commerce nous a fourni des données d’entrée sur le comportement de tels dispositifs. Ces caractérisations sont essentielles pour visualiser et interpréter l’effet de la température sur les caractéristiques du dispositif. Ces mesures mettent aussi en avant les limites pratiques des technologies employées. La partie principale de cette thèse concerne la conception et la caractérisation de blocs ou IPs pour le cœur d’un driver haute température de JFET SiC. Elle est articulée autour de deux runs SOI (TFSmart1). Les blocs développés incluent entre autres des étages de sortie et leurs buffers associés et des fonctions de protection. Les drivers ainsi constitués ont été testés sur un intervalle de température allant de -50°C à plus de 250°C sans défaillance constatée. Une fonction originale de protection des JFETs contre les courts-circuits a été démontrée. Cette fonction permet de surmonter la principale limitation de ces transistors normalement passant (Normaly-ON). Finalement, un module de bras d’onduleur a été conçu pour tester ces driver in-situ. / In aeronautics, electrical systems progressively replace mechanical and hydraulic control systems. If the electronics can stand the absence of cooling, the immediate advantages will be the reduction of mass, increased performances, admissible reliability and thus reduction of costs. In aircraft, some important steps have already been performed successfully when substituting standard systems by electrical control system such as electrical brakes, thrust reverser, electrical actuators for flight control… Large band gap semiconductors (SiC, GaN…) have eased the operation in high temperature over the last decade and let overcome a weakness of conventional silicon systems (Si). High temperature power components such as Schottky diodes or JFET transistors, are already commercially available for a use up to 220°C, limited by package. Moreover inverters based on SiC JFET transistors have been realized and characterized at high temperature. Finally the control part of these power systems needs to be designed for harsh environment. It is in this context of lack of integrated control part that the FNRAE COTECH project and my doctoral research have been built. Based on a state of the art about drivers, the complex link between electronic and temperature and the potentialities of CMOS Silicon-On-Insulator technology (SOI) for high temperature applications have been underlined. The characterization of commercial SOI drivers gives essential data on these systems and their behavior at high temperature. These measurements also highlight the practical limitations of SOI technologies. The main part of this manuscript concerns the design and characterization of functions or IPs for high temperature JFET SiC driver. Two SOI runs in TFSmart1 have been realized. The developed functions include the driver output stage, associated buffers and protection functions. The drivers have been tested from -50°C up to 250°C without failure under short time-range. Moreover, an original protection function has been demonstrated against the short-circuit of an inverter leg. This function allows overcoming the main limitation of the normally on JFET transistor. Finally, an inverter module has been built for in-situ test of these new drivers.

Le transport d’énergie par des lignes HVDC constitue le principal réseau de transmission d’énergie électrique du futur. Les convertisseurs de puissance (par exemple de type MMC) qui constitueront ce réseau devront être capables de gérer des tensions de l’ordre de centaines de kilovolts ce qui rend critique l’alimentation des dispositifs de contrôle (gate-drive) de ces convertisseurs. Il est nécessaire de concevoir des solutions qui garantissent l’alimentation de ces gate-drives avec une isolation.Pour ce faire, un circuit basé sur le principe du flyback et utilisant un JFET normalement passant a été développé. Il est placé en parallèle d’un condensateur typiquement connecté aux bornes d’un bras d’onduleur. Il permet d’alimenter le dispositif de puissance dès qu’une faible tension est appliquée à son entrée. Cette fonction est assurée grâce au caractère normalement passant du JFET. Pour le prototype développé, la tension du bras est de 2 kV. La tension de sortie est régulée à 24 V. De nos jours, des JFET normalement passants avec une tenue en tension supérieure à 2 kV n’existent pas sur le marché. Donc, pour supporter les tensions mises en jeu dans le circuit, une mise en série de JFET SiC normalement passants commandés par un MOSFET Si a été réalisée (montage « super-cascode »). Le circuit développé est capable de fournir 20 W pour alimenter des gate-drives à des potentiels flottants. Le rendement obtenu est proche de 60 %. Aussi, le problème d’isolation est résolu par cette solution d’auto-alimentation. / HVDC power transmission is the future of the electrical energy transmission network. The power converters (e.g. MMC) used in this network will be able to cope with voltages of hundreds of kV, making the power supply of the gate-drive devices in these converters challenging. It is then necessary to design solutions that guarantee the power supply of these gate-drives, while providing high voltage isolation. To do this, a circuit, based on the flyback principle, was developed. It is placed in parallel with a capacitor typically connected to a half-bridge circuit. It has an auto-start feature. This allows to supply the gate-drive as soon as a low voltage is applied to the input of the self-supply system. This is obtained by taking advantage of the normally-ON character of the JFET. In our prototype, the input voltage is 2 kV. High voltage JFETs of 2 kV and higher breakdown voltages are not yet available on the market. So, to achieve this high voltage capacity, a series of Normally-ON SiC JFETs controlled by a low voltage Si MOSFET (Super-cascode circuit) is used in the circuit. The developed circuit is able to supply 20 W at different floating potentials with output voltage regulated at 24 V and an efficiency close to 60%. The isolation problem is then solved using this solution.

Dans le contexte des transports plus électriques, les parties mécaniques tendent à être remplacées par leurs équivalents électriques plus petits. Ainsi, le composant lui-même doit supporter un environnement plus sévère et de lourdes contraintes (haute tension, haute température). Les composants silicium deviennent alors inappropriés. Depuis la commercialisation des premières diodes Schottky en 2001, le carbure de silicium est le matériau reconnu mondialement pour la fabrication de dispositifs haute tension avec une forte intégration. Sa large bande d'énergie interdite et son fort champ électrique critique permettent la conception de transistors à effet de champ avec jonction (JFET) pour les hautes tensions ainsi que les diodes associées. Les structures étudiées dépendent de nombreux paramètres, et doivent ainsi être optimisées. L'influence d'un paramètre ne pouvant être isolée, des méthodes mathématiques ont été appelées pour trouver la valeur optimale. Ceci a conduit à la mise en place d'un critère d'optimisation. Ainsi, les deux grands types de structures de JFET verticaux ont pu être analysés finement. D'une part, la recherche d'une structure atteignant les tensions les plus élevées possible a conduit à l'élaboration d'un procédé de fabrication complexe. D'autre part, un souci de simplification et de stabilisation des procédés de fabrication a permis le développement d'un composant plus simple, mais avec une limite en tension un peu plus modeste.

Silicon Carbide (SiC) is a wide-bandgap (WBG) semiconductor materialwhich has several advantages such as higher maximum electric field, lowerON-state resistance, higher switching speeds, and higher maximum allowablejunction operation temperature compared to Silicon (Si). In the 1.2 kV - 1.7kV voltage range, power devices in SiC are foreseen to replace Si Insulatedgatebipolar transistors (IGBTs) for applications targeting high efficiency,high operation temperatures and/or volume reductions. In particular, theSiC Metal-oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET) – which isvoltage controlled and normally-OFF – is the device of choice due to the easeof its implementation in designs using Si IGBTs.In this work the reliability of SiC devices, in particular that of the SiCMOSFET, has been investigated. First, the possibility of paralleling two discreteSiC MOSFETs is investigated and validated through static and dynamictests. Parallel-connection was found to be unproblematic. Secondly, drifts ofthe threshold voltage and forward voltage of the body diode of the SiC MOSFETare investigated through long-term tests. Also these reliability aspectswere found to be unproblematic. Thirdly, the impact of the package on thechip reliability is discussed through a modeling of the parasitic inductancesof a standard module and the impact of those inductances on the gate oxide.The model shows imbalances in stray inductances and parasitic elementsthat are problematic for high-speed switching. A long-term test on the impactof humidity on junction terminations of SiC MOSFETs dies and SiCSchottky dies encapsulated in the same standard package reveals early degradationfor some modules situated outdoors. Then, the short-circuit behaviorof three different types (bipolar junction transistor, junction field-effect transistor,and MOSFET) of 1.2 kV SiC switching devices is investigated throughexperiments and simulations. The necessity to turn OFF the device quicklyduring a fault is supported with a detailed electro-thermal analysis for eachdevice. Design guidelines towards a rugged and fast short-circuit protectionare derived. For each device, a short-circuit protection driver was designed,built and validated experimentally. The possibility of designing diode-lessconverters with SiC MOSFETs is investigated with focus on surge currenttests through the body diode. The discovered fault mechanism is the triggeringof the npn parasitic bipolar transistor. Finally, a life-cycle cost analysis(LCCA) has been performed revealing that the introduction of SiC MOSFETsin already existing IGBT designs is economically interesting. In fact,the initial investment is saved later on due to a higher efficiency. Moreover,the reliability is improved, which is beneficial from a risk-management pointof-view. The total investment over 20 years is approximately 30 % lower fora converter with SiC MOSFETs although the initial converter cost is 30 %higher. / Kiselkarbid (SiC) är ett bredbandgapsmaterial (WBG) som har flera fördelar,såsom högre maximal elektrisk fältstyrka, lägre ON-state resitans, högreswitch-hastighet och högre maximalt tillåten arbetstemperatur jämförtmed kisel (Si). I spänningsområdet 1,2-1,7 kV förutses att effekthalvledarkomponenteri SiC kommer att ersätta Si Insulated-gate bipolar transistorer(IGBT:er) i tillämpningar där hög verkningsgrad, hög arbetstemperatur ellervolymreduktioner eftersträvas. Förstahandsvalet är en SiC Metal-oxidesemiconductor field-effect transistor (MOSFET) som är spänningsstyrd ochnormally-OFF, egenskaper som möjliggör enkel implementering i konstruktionersom använder Si IGBTer.I detta arbete undersöks tillförlitligheten av SiC komponenter, specielltSiC MOSFET:en. Först undersöks möjligheten att parallellkoppla tvådiskretaSiC MOSFET:ar genom statiska och dynamiska prov. Parallellkopplingbefanns vara oproblematisk. Sedan undersöks drift av tröskelspänning ochbody-diodens framspänning genom långtidsprov. Ocksådessa tillförlitlighetsaspekterbefanns vara oproblematiska. Därefter undersöks kapslingens inverkanpåchip:et genom modellering av parasitiska induktanser hos en standardmoduloch inverkan av dessa induktanser pågate-oxiden. Modellen påvisaren obalans mellan de parasitiska induktanserna, något som kan varaproblematiskt för snabb switchning. Ett långtidstest av inverkan från fuktpåkant-termineringar för SiC-MOSFET:ar och SiC-Schottky-dioder i sammastandardmodul avslöjar tidiga tecken pådegradering för vissa moduler somvarit utomhus. Därefter undersöks kortslutningsbeteende för tre typer (bipolärtransistor,junction-field-effect transistor och MOSFET) av 1.2 kV effekthalvledarswitchargenom experiment och simuleringar. Behovet att stänga avkomponenten snabbt stöds av detaljerade elektrotermiska simuleringar för allatre komponenter. Konstruktionsriktlinjer för ett robust och snabbt kortslutningsskyddtas fram. För var och en av komponenterna byggs en drivkrets medkortslutningsskydd som valideras experimentellt. Möjligheten att konstrueradiodlösa omvandlare med SiC MOSFET:ar undersöks med fokus påstötströmmargenom body-dioden. Den upptäckta felmekanismen är ett oönskat tillslagav den parasitiska npn-transistorn. Slutligen utförs en livscykelanalys(LCCA) som avslöjar att introduktionen av SiC MOSFET:ar i existerandeIGBT-konstruktioner är ekonomiskt intressant. Den initiala investeringensparas in senare pågrund av en högre verkningsgrad. Dessutom förbättrastillförlitligheten, vilket är fördelaktigt ur ett riskhanteringsperspektiv. Dentotala investeringen över 20 år är ungefär 30 % lägre för en omvandlare medSiC MOSFET:ar även om initialkostnaden är 30 % högre. / <p>QC 20170524</p>