Les composants semi-conducteurs de puissance sont aujourd'hui au c?ur des systèmes de conversion d'énergie et sont de plus en plus employés dans le domaine des transports, notamment dans des applications critiques induites par l'émergence des véhicules hybrides et d'avions plus électriques. Durant l'exploitation des systèmes de conversion d'énergie, des contraintes significatives sont imposées aux composants semi-conducteurs de puissance, dégradant ainsi leur fonctionnement. Dans une application critique, ces dégradations peuvent activer la défaillance d'un système électrique et ainsi avoir des conséquences graves d'un point de vue économique et de sécurité. Il existe alors une forte demande concernant une compréhension des modes de défaillances et des mécanismes de vieillissement des composants semi-conducteurs de puissance. Il en est de même pour le développement de nouvelles techniques de caractérisations pour le suivi de leur vieillissement. Le suivi de l'évolution de paramètres de l'oxyde de grille de véhicules tests par le biais de la méthode Capacité-Tension ou C(V) - couramment employée en micro-électronique - et de la méthode de l'onde thermique ou MOT - développée au sein du Groupe Énergie et Matériaux de l'IES -, ainsi que leur adaptation à des composants semi-conducteurs de puissance, constituent l'essentiel du travail de cette thèse. Le couplage de la MOT à la C(V) a permis de localiser sommairement les charges injectées dans l'oxyde de grille des véhicules tests lorsqu'ils ont été soumis à des contraintes électriques similaires à celles subies dans les systèmes de conversion d'énergie. / Power semi-conductor devices are increasingly used as key parts of embedded power conversion systems in critical applications such as aerospace industry and ground transport. In such critical applications, these devices are submitted to harsh electrical, thermal and mechanical environments stresses which may significantly alter their reliability. An embedded power conversion system failure due to a power semi-conductor device breakdown may induce catastrophic results in terms of human safety, as well as economical dimensions. There is, indeed, a continuous demand on an increasing knowledge concerning the failure modes and the ageing mechanisms of power semi-conductor devices, as well as for development of new characterization techniques for ageing monitoring. The greatest part of the present work is focused on the monitoring of gate oxide properties evolutions of samples structures using the Capacitance-Voltage method (C-V method) -mainly employed in microelectronics- and the Thermal Step Method (TSM) -developed in Energy and Materials Group of IES-, as well as applying them to power semi-conductor devices. Coupling TSM and C-V method has allowed to approximately locate injected charges in the gate oxide of sample devices when submitted to electrical stresses comparable to the ones submitted to power semi-conductor devices.

La fiabilité des chaînes de conversion électrique dans les systèmes embarqués est un enjeu critique dans les applications où interviennent des contraintes liées à la sécurité des personnes ou à des aspects économiques non-négligeables. La maintenance préventive permet de surveiller le bon fonctionnement des maillons faibles de la chaîne de conversion, tels que les composants de puissance à semiconducteurs (IGBT à grille en tranchée) présents dans les convertisseurs d'électronique de puissance utilisés dans le domaine du transport. L'objectif de ce travail est d'évaluer la possibilité d'utiliser l'état de l'oxyde de grille comme indicateur de l'état opérationnel du composant, lorsque celui-ci est soumis à des contraintes thermo-électriques représentatives de son fonctionnement. Les résultats obtenus par couplage de différentes techniques non destructives (méthode capacité-tension et méthode de mesure des charges d'espace) mettent en évidence des évolutions de l'oxyde liées à des effets causés par les charges électriques dans les zones de la structure les plus contraintes.L'étude et la modélisation des phénomènes diélectriques dans les couches minces d'oxyde nécessitent de nouvelles méthodes de mesure de la charge électrique à haute résolution spatiale. Dans le présent travail, nous démontrons, à travers des simulations et des résultats expérimentaux, l'applicabilité d'une de ces techniques de caractérisation, " la méthode de l'impulsion thermique ", sur ce type de structures de la microélectronique. Sa sensibilité aux fines zones de champ électrique localisées au niveau des interfaces est en particulier mise en évidence, en ouvrant des voies vers la mise au point de nouvelles techniques à haute résolution spatiale, basées sur des stimuli thermiques.

L'augmentation des besoins en énergie électrique et l'éloignement croissant des lieux de production par rapport aux centres de consommation impulsent le développement du transport d'énergie en courant continu. Dans le cas des câbles haute tension à courant continue (HTCC) à isolation polymère, la problématique de la fiabilité est liée à l'établissement, sous l'effet des fortes contraintes électrothermiques, de zones de charges électriques dans le diélectrique et au niveau des interfaces isolant/compound semi-conducteur. De telles accumulations de charges (dites charges « d'espace » car reparties dans un espace isolant) peuvent faire vieillir prématurément les isolations, voire les faire claquer de manière intempestive. La mise en œuvre de nouveaux matériaux et l’optimisation des structures isolantes pour câbles HTCC nécessitent ainsi le suivi des zones de charges d’espace avec la plus grande précision. Il est alors nécessaire de développer des techniques de mesure non destructives, telle que la méthode de l’onde thermique (MOT), basée sur l’application d’un faible échelon de température à une structure isolante et sur la mesure d’un courant transitoire provoqué par la redistribution des charges d’influence aux électrodes.Ce travail porte sur la faisabilité et la mise en œuvre expérimentale d’une installation, basée sur le principe de la MOT, visant à mesurer les charges d’espace dans des échantillons isolants comportant des couches semi-conductrices, avec une résolution la plus proche possible du degré d’homogénéité des interfaces (de l’ordre du micromètre).Après avoir passé en revue les problématiques des diélectriques soumis à des forts champs continus et les méthodes de mesure de charges d’espace existantes, le mémoire présente divers aspects et grandeurs liés au principe de la MOT, ainsi qu’à la définition et à l’estimation des résolutions spatiales. Des simulations analytiques et numériques sont par la suite menées pour étudier les apports d’une mise en œuvre de la MOT sur des structures isolantes de polyéthylène réticulé chimiquement de 100 µm d’épaisseur avec des électrodes semi-conductrices de 30 µm. Elles montrent que l’application d’échelons de température d’amplitudes n’affectant pas les états électrique et de surface des matériaux se traduit par des signaux de mesure de plusieurs nano ampères pour des variations de champ résiduel de l’ordre du kV/mm par micron. La génération de ces signaux, nécessaires à des mesures ayant une dynamique suffisante et à des résolutions s’approchant du micron, requière des échanges thermiques hautement efficaces entre la source de chaleur (liquide caloporteur) et l’isolant. Une étude par simulation multi-physique bidimensionnelle est réalisée afin d’analyser le transfert de chaleur par contact direct entre un liquide caloporteur et un échantillon-type. Elle permet de définir et d’optimiser une structure innovante de diffuseur thermique et dans laquelle l’échange de chaleur entre le fluide et l’échantillon s’opère par contact direct, assurant ainsi une efficacité bien supérieure aux structures existantes.Le développement d’un outil de mesure par la MOT, basé sur les conclusions des travaux de simulation, est par la suite présentée. Il associe un système hydropneumatique, un diffuseur haute efficacité favorisant la dynamique du transfert thermique et un système de capteurs, en augmentant ainsi l’amplitude des signaux, la reproductibilité et la précision de la mesure. Des mesures d’étalonnage sur des échantillons cibles montrent, par rapport aux résolutions disponibles sur ce type de structure (autour de 10 µm), des améliorations d’un facteur 2 à 5 pour la résolution de positionnement et une résolution de discernement proche de l’état de l’art. L’analyse critique du banc développé, corroborée aux prédictions des simulations, met également en évidence la marge de progression sensible de l’outil, dont les évolutions proposées permettront d’accroître les performances. / The increasing needs of electric power and the placement of power plants at more and more remote locations with respect to the users promote the development of electric power transport by DC submarine or terrestrial links. In the case of high voltage direct current (HVDC) cables with polymeric insulation, reliability is strongly affected by the development, under high electrical and thermal stress, of electric charges in the bulk of the dielectric and at the insulator/semiconductor interfaces. These accumulations of charges (called space charges as they are distributed in an insulating space) may lead to premature ageing and breakdown. The setup of new materials and the optimization of insulating structures for HVDC cables require a precise follow-up of the space charge zones. It is therefore necessary to develop non-destructive space charge measurement techniques, as the thermal step method (TSM), which is based on the application of a low temperature step to an insulating structure and on the measurement of a transient current due to the redistribution of influence charges at electrodes.The present work concerns the feasibility and the experimental set up of a device, based on the principle of the TSM, aiming to measure the space charges in insulating samples with semi-conducting electrodes, with a resolution approaching the degree of homogeneity of the interfaces (i.e., of micrometric order).After having reviewed the problematic of the dielectrics subjected to high dc fields and the existing space charge measurement methods, this dissertation presents several aspects and parameters related to the principle of the TSM, as well as to the definition and to the estimation of spatial resolutions. Analytical and numerical simulations are then carried out to study the contributions of a TSM-based setup on insulating structures composed of 100 µm-thick cross-linked polyethylene slabs provided with 30 µm-thick semiconducting electrodes. They show that the application of temperature steps, with amplitudes that do not affect the electrical and surface states of the materials, leads to measurement signals of several nano amperes for variations of the remnant electric field of the order of the kV/mm per micron. Highly effective thermal exchanges between the heat source (heating or coolant liquid) and the insulator are required to generate such signals, needed for measurements of sufficient dynamics and for resolutions approaching the micrometer. A bi-dimensional multi-physics simulation study is made, in order to analyze the heat transfer through a direct contact between the coolant liquid and a sample of the aimed type. The study allows to define and to optimize an innovating structure of thermal diffuser, where the heat exchanges operates by direct contact, thus providing a much better efficiency than the existing structures.The development of a TSM-based measurement tool, using the fallouts of the simulations, is then presented. It associates a hydro pneumatic system, a high efficiency diffuser favoring the dynamics of the thermal transfer and a sensor system, thus increasing the amplitude of the signals, the reproducibility and the accuracy of the measurements. Calibration measurements on the aimed samples show, with respect to the resolutions available on this type of structures (close to 10 µm), enhancements by a factor of 2 to 5 for the positioning resolution an a discerning resolution close to the state of the art. The critical analysis of the developed bench, corroborated to the predictions of the simulations, also puts into focus a significant room for improvement of the tool, for which evolutions proposed in this work would allow to enhance the performance.

L'isolant électrique est un élément essentiel des composants électroniques. Or, à cause des défauts présents dans l'isolant, des dysfonctionnements apparaissent dans les équipements électroniques provoquant des problèmes de fiabilité. Il est donc essentiel de quantifier et d'identifier la nature des charges d'espaces crées par ces défauts. Pour des raisons de miniaturisation des composants, les techniques de caractérisations actuelles semblent montrer leurs limites. La méthode de l'onde thermique permet de quantifier et de donner la répartition de la charge d'espace sur une forte épaisseur de diélectrique. L'adaptabilité de la méthode pour des couches diélectriques beaucoup plus minces ainsi que l'étude des résultats obtenus constitue l'essentiel du travail de cette thèse. La méthode proposée permet de donner les tensions caractéristiques de la structure MOS tout en effectuant une analyse en régime statique de la structure.

L'objectif de cette thèse est l'étude et la réalisation d'une nouvelle application des convertisseurs multicellulaires parallèles. Le but est de concevoir un système pouvant injecter des forts courants transitoires (milliers d'Ampères) dans l'âme conductrice de câbles haute tension à courant continu afin de mesurer la répartition des charges électriques dans l'isolant par la méthode de l'onde thermique. La structure proposée est basée sur la mise en parallèle de modules de convertisseurs DC/DC à phases couplées utilisant des transformateurs intercellules (ICT). La solution proposée permet de concevoir un dispositif à faible encombrement (portabilité). Une approche de dimensionnement des ICT cycliques basée sur la détermination d'un modèle analytique généralisé permettant de quantifier le flux et la densité de flux à travers le circuit magnétique, est présentée. Une méthode d'optimisation consistant en une permutation des ordres de commande des phases est utilisée pour réduire l'encombrement du coupleur magnétique. Un prototype de convertisseur multicellulaire utilisant un ICT cyclique planar de puissance a été réalisé. Il s'agit d'un module 12 phases, fonctionnant comme une source de courant régulé de 1200 A (grâce à une boucle de régulation de courant), et dont la puissance est de 30 KW. Des résultats expérimentaux validant la possibilité d'utiliser la solution proposée pour la caractérisation diélectrique des câbles haute tension à courant continu sont présentés dans le mémoire. / The purpose of this study is the design of a new application for parallel multi-cell converters. The aim is to setup a portable system that can inject a high current (several Amps current) within 2 s in the conducting core of a HVDC cable, and determinate the distribution of electrical space charge through the insulation using the Thermal Step Method (TSM). The proposed structure will be constituted of paralleled coupled multiphase buck converters using InterCell Transformers (ICT). A dimensioning theoretical approach of planar intercell transformer based on the magnetic core saturation condition is presented. The proposed method is based on calculating a generalized expression on the magnetic flux density matrix for any number of cells. Permutation method is used in order to reduce the magnetic core volume. Its principle is to reduce the flux concentration in the magnetic core by modifying the phase-shift of two successive cells.Finally, the experimental prototype (12-cells 30 kW power converter) using cyclic planar ICT is designed and tested. The converter is used to generate regulated current pulses of 1200 Amps (its operating mode is similar to a current source). Experimental results (thermal step current measurements) are includes in order to confirm the ability of using the proposed solution for power cable dielectric characterization.

La fiabilité des chaînes de conversion électrique dans les systèmes embarqués est un enjeu critique dans les applications où interviennent des contraintes liées à la sécurité des personnes ou à des aspects économiques non-négligeables. La maintenance préventive permet de surveiller le bon fonctionnement des maillons faibles de la chaîne de conversion, tels que les composants de puissance à semiconducteurs (IGBT à grille en tranchée) présents dans les convertisseurs d'électronique de puissance utilisés dans le domaine du transport. L'objectif de ce travail est d'évaluer la possibilité d'utiliser l'état de l'oxyde de grille comme indicateur de l'état opérationnel du composant, lorsque celui-ci est soumis à des contraintes thermo-électriques représentatives de son fonctionnement. Les résultats obtenus par couplage de différentes techniques non destructives (méthode capacité-tension et méthode de mesure des charges d'espace) mettent en évidence des évolutions de l'oxyde liées à des effets causés par les charges électriques dans les zones de la structure les plus contraintes.L'étude et la modélisation des phénomènes diélectriques dans les couches minces d'oxyde nécessitent de nouvelles méthodes de mesure de la charge électrique à haute résolution spatiale. Dans le présent travail, nous démontrons, à travers des simulations et des résultats expérimentaux, l'applicabilité d'une de ces techniques de caractérisation, « la méthode de l'impulsion thermique », sur ce type de structures de la microélectronique. Sa sensibilité aux fines zones de champ électrique localisées au niveau des interfaces est en particulier mise en évidence, en ouvrant des voies vers la mise au point de nouvelles techniques à haute résolution spatiale, basées sur des stimuli thermiques. / The reliability of the electrical conversion chains in embedded systems is a critical issue in applica-tions where the security of persons and the economic aspects are significant. Preventive maintenance allows monitoring the proper functioning of the « weak links » in the conversion chain, such as power semiconductors components (trench gate IGBT) present in the electronic power converters used in the transport sector. The aim of the present work is to evaluate the possibility of using the gate oxide state as an indicator of the operational state of the component when it is subjected to thermo-electrical stress such as during service. The results obtained by coupled non-destructive techniques (capacitance-voltage and space charges measurement methods) bring out changes in the oxide produced by electrical charges in the most stressed areas of the structure.The study and modeling of dielectric phenomena in thin oxide layers require new high resolution methods for measuring the electric charge. In this work, simulations and experimental results have been used to demonstrate the applicability of one of these techniques, « the Thermal Pulse Method », to this type of microelectronic structures. The electric field at interfaces detected due to the sensitivity of this method is highlighted, opening ways to the development of new techniques with high spatial reso-lution, based on thermal stimuli.

En permettant la transmission de fortes puissances sur de grandes distances, les réseaux en haute tension à courant continu (HTCC) représentent l'avenir du transport de l'énergie électrique. Des équipements tels que les postes sous enveloppe métallique (PSEM) seront indispensables dans ces réseaux pour répartir le flux d'énergie, interrompre ou isoler certaines branches. Leur conception nécessite la prise en compte, pour les parties isolantes, de phénomènes spécifiques liés à l’application de champs électriques continus, comme la dépendance de la résistivité avec le champ et la température, mais également l’accumulation de la charge d'espace qui contribue à augmenter sensiblement les risques de claquage. Dans le composite étudié (résine époxyde chargée d’alumine), ce phénomène commence à se manifester dès que les valeurs de champ excèdent quelques kV/mm, correspondant à l’ordre de grandeur des contraintes envisagées dans les futurs PSEM HTCC.Bien que des techniques existent pour déterminer la répartition de ces charges dans les isolants solides, aucune n’est à ce jour directement applicable aux structures isolantes installées dans les PSEM HTCC.L’objectif de ce travail est ainsi de concevoir et de mettre en place une technique de mesure des charges d’espace et du champ électrique interne qui soit à résolution spatiale, non destructive et adaptée à une géométrie d’isolateur cylindrique, de type support isolant de jeu de barres.En utilisant le dispositif expérimental mis en place, le comportement du composite vis-à-vis de la charge d’espace est par la suite étudié, notamment en fonction de différentes contraintes électrothermiques représentatives du fonctionnement des PSEM. Le but final est d'aider à l'optimisation de la conception de ce type d’isolateur, en se basant sur l’analyse des résultats issus de mesures de charges d’espace. / The trend today is to develop high voltage direct current (HVDC) technology for the future electric network because it offers some advantages for the transmission on long distances. The development of HVDC networks leads to an increasing need of gas insulated substations (GIS). A problem to be dealt with when an insulator is subjected to a continuous electric field is the variation of the resistivity with the electric field and the temperature and the accumulation of space charges that can lead to dielectric breakdown. In alumina-filled epoxy resin, used as insulating material for GIS spacer, the influence of space charge start to come out when the electric fields exceed several kV/mm, corresponding to values envisaged for the future HVDC GIS.Despite that non-destructive methods exist to determine the space charge distribution in solid insulators, none of them are directly applicable to insulation structures installed in the HVDC GIS.So, the main objective of this work is to design and set up a measurement technique to observe the internal electric field and the accumulated charges. The developed method must be non-destructive and adapted for a cylindrical geometry of an insulator used as a busbar insulation support.By using the experimental bench set up, the behavior of the composite material regarding the space charge will be studied, in particular according to different thermoelectric stresses. The final aim is to contribute to the optimization of the design of this type of insulator, based on the results from space charge measurements.