Dans les années 2000, les composants de puissance en carbure de silicium (SiC) font leur apparition sur le marché industriel offrant d'excellentes performances. Elles se traduisent par de meilleurs rendements et des fréquences de découpage plus élevées, entrainant une réduction significative du volume et de la masse des convertisseurs de puissance. Le SiC présente de plus un potentiel important de fonctionnement en haute température (>200°C) et permet donc d'envisager de placer l'électronique dans des environnements très contraints jusqu'alors inaccessibles. Pourtant les parts de marche du SiC restent limitées dans l'industrie vis à vis du manque de retour d'expérience concernant la fiabilité de ces technologies relativement nouvelles. Cette question reste aujourd'hui sans réponse et c'est avec cet objectif qu'a été menée cette étude axée sur le vieillissement et l'analyse des mécanismes de dégradation sur des composants de puissance SiC pour des applications haute température. Les tests de vieillissement ont été réalisés sur des transistors MOSFET SiC car ces composants attirent les industriels grâce à leur simplicité de commande et leur sécurité "normalement bloqué" (Normally-OFF). Néanmoins, la fiabilité de l'oxyde de grille est le paramètre limitant de cette structure. C'est pourquoi l'étude de la dérive de la tension de seuil a été mesurée avec une explication du phénomène d'instabilité du VTH. Les résultats ont montré qu'avec l'amélioration des procédés de fabrication, l'oxyde du MOSFET est robuste même pour des températures élevées (jusqu'à 300°C) atteintes grâce à un packaging approprié. Les durées de vie moyennes ont été extraites grâce à un banc de vieillissement accéléré développé pour cette étude. Des analyses macroscopiques ont été réalisées afin d'observer l'évolution des paramètres électriques en fonction du temps. Des études microscopiques sont conduites dans l'objectif d'associer l'évolution des caractéristiques électriques par rapport aux dégradations physiques internes à la puce. Pour notre véhicule de test, la défaillance se traduit par un emballement du courant de grille en régime statique et par l'apparition de fissures dans le poly-Silicium de la grille. Pour finir, une étude de comparaison avec des nouveaux transistors MOSFET a été réalisée. Ainsi l'analogie entre ces composants s'est portée sur des performances statiques, dynamiques, dérivé de la tension de seuil et sur la durée de vie moyenne dans le test de vieillissement. Le fil rouge de ces travaux de recherche est une analyse des mécanismes de dégradation avec une méthodologie rigoureuse permettant la réalisation d'une étude de fiabilité. Ces travaux peuvent servir de base pour toutes analyses d'anticipation de défaillances avec une estimation de la durée de vie extrapolée aux températures de l'application visée / Since 2000, Silicon Carbide (SiC) power devices have been available on the market offering tremendous performances. This leads to really high efficiency power systems, and allows achieving significative improvements in terms of volume and weight, i.e. a better integration. Moreover, SiC devices could be used at high temperature (>200°C). However, the SiCmarket share is limited by the lack of reliability studies. This problem has yet to be solved and this is the objective of this study : aging and failure mechanisms on power devices for high temperature applications. Aging tests have been realized on SiC MOSFETs. Due to its simple drive requirement and the advantage of safe normally-Off operation, SiCMOSFET is becoming a very promising device. However, the gate oxide remains one of the major weakness of this device. Thus, in this study, the threshold voltage shift has been measured and its instability has been explained. Results demonstrate good lifetime and stable operation regarding the threshold voltage below a 300°C temperature reached using a suitable packaging. Understanding SiC MOSFET reliability issues under realistic switching conditions remains a challenge that requires investigations. A specific aging test has been developed to monitor the electrical parameters of the device. This allows to estimate the health state and predict the remaining lifetime.Moreover, the defects in the failed device have been observed by using FIB and SEM imagery. The gate leakage current appears to reflect the state of health of the component with a runaway just before the failure. This hypothesis has been validated with micrographs showing cracks in the gate. Eventually, a comparative study has been realized with the new generations of SiCMOSFET

Ces dernières années ont vu apparaître sur le marché les premiers transistors de puissance de type MOSFET en carbure de silicium. Ce type de composant est particulièrement adapté à la réalisation d’équipement électrique à haut rendement et capable de fonctionner à haute température. Néanmoins, la question de la fiabilité doit être posée avant de pouvoir envisager la mise en œuvre de ces composants dans des applications aéronautiques ou spatiales. Les mécanismes de défaillance liés à l’oxyde de grille ont pendant longtemps retardé la mise sur le marché des transistors à grille isolée en carbure de silicium. Cette étude s’attache donc à estimer la durée de vie des MOSFET SiC de 1ére génération. Dans un premier temps, le mécanisme connu sous le nom de Time Dependent Dielectric Breakdown(TDDB) a été étudié au travers de résultats expérimentaux issus de la bibliographie. Notre analyse nous a permis de justifier de l’emploi d’une loi de Weibull pour modéliser la distribution des temps à défaillance issue de ces tests. Les résultats nous ont également permis de confirmer l’amélioration significative de la fiabilité de ces structures vis-à-vis de ce mécanisme. Dans un second temps, l’impact du mécanisme d’instabilité de la tension de seuil sur la fiabilité a été quantifié au travers de tests de vieillissement de type HTGB. Les données de dégradation ainsi collectées ont été modélisées à l’aide d’un processus gamma non-homogène, qui nous a permis de prendre en compte la variabilité entre les composants testés dans des conditions identiques et de proposer des facteurs d’accélération en tension et en température pour ce mécanisme. Enfin, ces travaux ont permis d’ouvrir la voie à la mise en œuvre d’outils de pronostic de la durée de vie résiduelle pour les équipements électriques. / Recent years have seen SiC MOSFET reach the industrial market. This type of device is particularly adapted to the design of power electronics equipment with high efficiency and high reliability capable to operate in high ambient temperature. Nevertheless the question of the SiC MOSFET reliability has to be addressed prior to considering the implementation of such devices in an aeronautic application. The failure mechanisms linked to the gate oxide of the SiC MOSFET have for a long time prevented the introduction of the device. In this manuscript we propose to study the reliability of the first generation of SiC MOSFET. First, the mechanism known as the Time–Dependent Dielectric Breakdown is studied through experimental results extracted from literature. Our study shows the successful application of a Weibull law to model the time-to-failure distribution extracted from the accelerated tests. The results show also a significant improvement of the SiC MOSFET structure with respect to this phenomenon. In a second step, the impact of the threshold voltage instability is quantified through accelerated tests known as High Temperature Gate Bias. The collected degradation data are modeled using a non-homogeneous Gamma process. This approach allows taking into account the variability between devices tested under the same conditions. Acceleration factors have been proposed with respect to temperature and gate voltage. Eventually the study delivers a primary estimation of the remaining useful lifetime of the SiC MOSFET in a typical aeronautic application.

Actuellement, la majorité des convertisseurs embarqués dans des trains circulant sous une caténaire alternative est composée d’un transformateur basse fréquence, puis de redresseurs,alimentant des moteurs de traction via des onduleurs de traction. Les inconvénients majeurs de ces structures sont un volume et une masse embarqués importants, dus au transformateur fonctionnant en basse fréquence. Le rendement est également mauvais, à cause des contraintes de volume et de masse. Grâce aux développements des semiconducteurs haute tension et forte puissance et des transformateurs moyenne fréquence, i.e. de l’ordre de quelques kilohertz, de nouvelles topologies de convertisseurs embarqués, appelées transformateurs électroniques, sont à l’étude. Si plusieurs topologies ont déjà été étudiées dans la littérature, elles n’ont jamais été comparées. L’objectif principal de cette thèse est donc de proposer une méthodologie de dimensionnement des différentes topologies de transformateurs électroniques, afin de pouvoir les comparer. Un état de l’art des différentes structures proposées dans la littérature est présenté dans le premier chapitre de ce mémoire. Le chapitre 2 est consacré à la comparaison de structures indirectes. Pour cela, une méthodologie, permettant d’optimiser le dimensionnement de chaque structure afin de maximiser son rendement sous des contraintes de masse et de volume, a été développée. Elle est ensuite appliquée sur des topologies utilisant des MOSFET SiC, contrairement aux structures à IGBT Si développées dans la littérature. L’inductance magnétisante est considérée afin d’assurer un fonctionnement en commutation douce, et ainsi limiter les pertes. Un troisième chapitre propose un filtre actif innovant, intégré aux DC-DC du convertisseur. Celui-ci a pour but de réduire le volume du condensateur de filtrage des bus intermédiaires, et ainsi le volume total du convertisseur, sans dégrader la fiabilité intrinsèque de celui-ci. Son fonctionnement et son impact sur les pertes du DC-DC y sont étudiés. Enfin, le dernier chapitre est dédié à l’étude des interactions entre le convertisseur embarqué et l’infrastructure ferroviaire. Pour cela, des modèles d’infrastructure 25 kV-50 Hz ont été réalisés. Ceux ci comportent notamment un circuit original modélisant l’effet de peau dans la caténaire. Des résonances à certaines fréquences, caractéristiques de la géométrie du réseau et de la position du train sur celui-ci, ont été mises en évidence dans l’impédance vue par le train. Ces modèles ont aussi été implémentés dans un simulateur numérique, pour alimenter une maquette petite échelle de convertisseur. Ce type de test n’a, a priori, jamais été réalisé sur un transformateur électronique. Une conclusion générale et des perspectives sur les travaux présentés concluent ce mémoire / Current on-board converters, running on AC catenaries, are mainly composed by a low frequency transformer, then rectifiers, supplying traction motors through three-phase inverters. Due to volume and mass constraints on the converter, the efficiency of the transformer is limited. Moreover, this transformer is quite bulky and heavy. Thanks to the development of high voltage and high power semiconductors, such as Si IGBTs or SiC MOSFETs, and of medium frequency transformer, i.e. operating at a few kilohertz, new topologies of on-board converters, named Power Electronic Traction Transformer (PETT), are studied. Though several structures have been studied in the literature, they have never been compared. The main objective of this thesis is, thus, to develop a methodology to size PETT topologies, in order to compare them. In the first chapter, a state of the art of the PETT structures proposed in literature is presented. The second chapter is dedicated to the comparison of indirect topologies. A methodology, optimising the sizing of each structure to maximise its efficiency under mass and volume constraints, is developed. It is applied on topologies using SiC MOSFETs, contrary to Si IGBT structures developed in the literature. The magnetizing inductance is also considered to insure soft switching and reduce the losses. In the third chapter, an novel active filter, included in the DC-DCs of the converter, is proposed. The aim is to reduce the volume of the filtering capacitors on the intermediate buses, and thus, of the entire converter, without impacting the intrinsic reliability of the converter. Its impact on the losses of the DC-DC is studied. The last chapter deals with the interactions between the on-board converter and the infrastructure. Thus, the 25 kV-50 Hz railway network is modeled. It includes a novel circuit, modelling the skin effect in the catenary. Some resonances, dependant on the sector geometry and the train position, are highlighted in the impedance seen by a train. Moreover, the models are implemented in a numerical simulator to supply a small scale mock-up of a PETT. PHIL tests have, a priori, never been carried on a PETT. A conclusion and some perspectives of future work close thisdissertation.

Ce manuscrit est une contribution à l’étude de la fiabilité et de la robustesse des composants MOSFET sur carbure de silicium, matériau semi-conducteur grand gap qui possède des caractéristiques bien meilleures que le silicium. Ces nouveaux interrupteurs de puissances permettent d’obtenir entre autres propriétés remarquables, des fréquences de commutations et des tenues en tension plus élevées dans les systèmes de conversions de puissance. Ils sont particulièrement mis en avant depuis un peu plus d’une dizaine d’années pour les gains en performances, diminution des tailles et poids qu’ils apportent à certaines topologies de convertisseurs pour les réseaux haute tension à courant continu. Puis sont répertoriés les principaux mécanismes de défaillances de ces MOSFET SiC induits par la faiblesse de la grille. Toutes les mesures nécessaires au suivi des paramètres clés lors des prochains vieillissements sont présentées. Les résultats de nos tests sur l’instabilité de la tension de seuil sont aussi détaillés et un modèle empirique pour valider le comportement de relaxation observé est proposé. Celui-ci nous aidera par la suite à établir un protocole de mesure rigoureux de la tension de seuil. Les tests expérimentaux et résultats de vieillissement en statique et dynamique sur les composants 1,7 kV vont permettre de se rendre compte de l’importance de la dérive de la tension de seuil sur 1000 h. Dans le cas d’un vieillissement statique, il y a environ 7 % de dérive positive du VTH et un pourcentage équivalent pour les tests dynamiques. Des analyses supplémentaires (C-V et pompage de charge) sur l’oxyde de grille en cours de vieillissement sont proposées pour une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu dans la dégradation de l’oxyde. Enfin, les derniers tests présentés seront focalisés sur le comportement en court-circuit et courts-circuits répétitifs des mêmes composants. Avec une énergie critique évaluée autour de 1,5 J nos tests sur les MOSFET 1,7 kV montrent les limites de la robustesse de ces composants, avec une tenue en court-circuit bien inférieure à 10 µs et une incapacité à résister à plus de 150 courts-circuits successifs. L’influence de la tension entre drain et source y est notamment étudiée, et montre que l’énergie critique supportée par le composant diminue avec l’augmentation de cette tension. / This manuscript is a contribution to reliability and robustness study of MOSFET components on silicon carbide “SiC”, wide band gap semiconductor with better characteristics compared to silicon “Si” material. Those new power switches can provide better switching frequencies or voltage withstanding for example in power converter. SiC MOSFET are the results of approximately 10 years of research and development and can provide increased performances and weight to some converter topology for high voltage direct current networks. Others power switches available are still introduced and an introduction to reliability is explaining why such work on this new power switches is important. Transition from Si technologies to SiC ones require a lot of work regarding its robustness. Before showing reliability and robustness results is presented I give a lot of details regarding to the measurement and monitoring of key parameters used in the next chapters. The results of our tests on the threshold voltage instability are presented and how we validated an empirical model on this drift. This was used to propose an enhanced measurement protocol on the threshold voltage. Static and dynamic experimental results presented next will show if the voltage drift during ageing is significant or not. Further analysis is proposed to add more insight on the understanding of the oxide degradation mechanisms through C-V and charge pumping measurements. Finally, the ageing results presented on 1,7 kV SiC MOSFET are focused on the short-circuit and repetitive short-circuit behavior of the same components. Drain to source voltage influence on critical energy during this particular and stressful operation mode is studied. This time, the results are worrying.The last chapter is confidential.