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Depuis le début des années 2000, les composants en carbure de silicium (SiC) sont présents sur le marché principalement sous la forme de diodes Schottky et de transistors FET. Ces nouveaux semi-conducteurs offrent des performances en commutation bien supérieures à celles des composants en silicium (Si) ce qui se traduit par une diminution des pertes et une réduction de la température de fonctionnement à système de refroidissement identique. L’utilisation de composants SiC ouvre donc la possibilité de concevoir des convertisseurs plus compacts ou à une fréquence de commutation élevée pour une même compacité. C’est avec cet objectif d’augmentation de la fréquence de commutation qu’a été menée cette étude axée sur l’utilisation de composants SiC au sein d’un onduleur triphasé. Le convertisseur sur lequel se base l’étude accepte une tension d’entrée de 450V et fournit en régime nominal un courant de sortie efficace par phase de 40 A. Le choix des composants SiC s’est porté sur des transistors JFET Normally-Off et des diodes Schottky SiC car ces composants étaient disponibles à la vente au début de ces travaux et offrent des pertes en commutation et en conduction inférieures aux autres structures en SiC. Les transistors FET possèdent une structure et des propriétés bien différentes des IGBT habituellement utilisés pour des convertisseurs de la gamme considérée notamment par leur capacité à conduire un courant inverse avec ou sans diode externe. De ce fait, il est nécessaire de développer de nouveaux outils d’aide au dimensionnement dédiés à ces composants SiC. Ces outils de calculs sont basés principalement sur les paramètres électriques et thermiques du système et sur les caractéristiques des composants SiC. Les premiers résultats montrent qu’en autorisant la conduction d’un courant inverse au sein des transistors, il est possible de diminuer le nombre de composants. Basées sur ces estimations, une maquette de bras d’onduleur a été développée et testée. Les premiers thermiques montrent que pour une puissance de 12kW, il est possible d’augmenter la fréquence de commutation de 12 kHz à 100 kHz. / Since 2000, Silicon Carbide (SiC) components are available on the market mainly as Schottky diodes and FET transistor. These new devices provide better switching performance than Silicon (Si) components that leads to a reduction of losses and operating temperatures at equivalent cooling system. Using SiC components allows to a better converter integration. It is in this context that ECA-EN has started this thesis dedicated to using SiC devices in a three-phase inverter at high switching frequency. The converter object of this study is supply by a input voltage of 450V and provides a current of 40A per phase. The components used for these study are SiC Normally-Off JFET and Schottky Diodes because these devices were commercialized at the begining of this thesis and offer better switching performance than others SiC components. FET transistors have a different structure compared to traditionnal IGBT especially their capability to conduct a reverse current with or without body diode. So it is necessary to develop new tools dedicated to the design of converters built with SiC components. These tools are based on the electrical properties of the converters and the statics and dynamics characteristics of the transistor and the diode. The results show that when the transistors conduct a reverse current, the number of components/dies can be reduced. According to data, a PCB board of an inverter leg has been built and tested at ECA-EN. The thermal measurement based on the heatsink shows that the switching frequency of an inverter leg can be increased from 12 to 100 kHz for an ouput power of 12kW.

I propose compact models of single-gate (SG) and double-gate (DG) JFETs predicting the current-voltage characteristics for both long and short channel devices. In order to make the current equation continuous through all operating conditions from subthreshold to well-above threshold, without non-physical fitting parameters, mobile carriers in depletion region are considered. For describing the short channel behavior, relevant parameters extracted from the two-dimensional analytical solution of Poisson's equation are used for modifying long channel equations. Comparisons of models with the numerical simulation showing close agreement are presented. Based on models, merits of DG JFET over SG JFET and SG MOSFET are discussed by examining the schematic circuit diagram describing the relation between gate and channel potentials for each device. / text

Les travaux de cette thèse ont été menés dans le cadre d'une collaboration entre les laboratoires SATIE et LTN IFSTTAR. Ils portent principalement, sur l'étude de la robustesse des composants JFET SiC de puissance pour des applications de découpage à haute fréquence, forte puissance surfacique et à haute température lorsqu'ils sont soumis à des régimes extrêmes de fonctionnement. Les travaux présentés traitent également de façon plus générale l'étude de la durée de vie de packaging dédiés à ce type de composants et adaptés à la haute température pour des applications aéronautiques. La robustesse de différents lots des VJFETs SiC d'un fabricant particulier (SemiSouth) a été étudiée en régimes d'avalanche et de court circuit afin de déterminer les énergies que peuvent supporter ces composants dans ces modes de fonctionnement particuliers en cherchant notamment à quantifier la température du cristal et à mettre en évidence les mécanismes physiques à l'origine des défaillances. Nous avons ainsi également développé un modèle éléments finis thermique afin d'estimer la température de jonction du JFET SiC lors des régimes extrêmes pour chercher à relier l'apparition de la défaillance à la température. Finalement, nous décrivons des mécanismes physiques à l'origine des dégradations lors de la répétition de tels régimes extrêmes de fonctionnement expliquant à terme la destruction par vieillissement des transistors. Un substrat céramique à base de Si3N4 a été le support des études menées dans le cadre de cette thèse sur le packaging. Nous avons caractérisé les dégradations de ces substrats par des analyses acoustiques après vieillissement par cyclage thermique de forte amplitude. Un modèle thermomécanique a été développé afin d'estimer les contraintes mécaniques dans l'assemblage et valider les résultats expérimentaux obtenus. Enfin, nous avons également initiés des travaux de diagnostic thermique sur des puces JFET SiC, par des mesures d'impédance thermique pouvant être utilisées pour la détection de défauts de délaminage dans un assemblage de puissance.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第15668号 / 工博第3326号 / 新制||工||1502(附属図書館) / 28205 / 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻 / (主査)教授 引原 隆士, 教授 木本 恒暢, 教授 和田 修己 / 学位規則第4条第1項該当

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第16855号 / 工博第3576号 / 新制||工||1540(附属図書館) / 29530 / 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻 / (主査)教授 引原 隆士, 教授 木本 恒暢, 教授 小野寺 秀俊 / 学位規則第4条第1項該当

A compact model for four-terminal (independent top and bottom gates) junction field-effect transistor (JFET) is presented in this dissertation. The model describes the steady-state characteristics with a unified equation for all bias conditions that provides a high degree of accuracy and continuity of conductance, which are important for predictive analog circuit simulations. It also includes capacitance and leakage equations. A special capacitance drop-off phenomenon at the pinch-off region is studies and modeled. The operations of the junction fieldeffect transistor (JFET) with an oxide top-gate and full oxide isolation are analyzed, and a semi-physical compact model is developed. The effects of the different modes associated with the oxide top-gate on the JFET steady-state characteristics of the transistor are discussed, and a single expression applicable for the description of the JFET dc characteristics for all operation modes is derived. The model has been implemented in Verilog-A and simulated in Cadence framework for comparison to experimental data measured at Texas Instruments.

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This thesis provides insight into state-of-the-art 1.2 kV silicon carbide (SiC) power semiconductor transistors, including the MOSFET, BJT, SJT, and normally-on and normally-off JFETs. Both commercial and sample devices from the semiconductor industry's well-known manufacturers were evaluated in this study. These manufacturers include: Cree Inc., ROHM Semiconductor, General Electric, Fairchild Semiconductor, GeneSiC Semiconductor, Infineon Technologies, and SemiSouth Laboratories. To carry out this work, static characterization of each device was performed from 25 ºC to 200 ºC. Dynamic characterization was also conducted through double-pulse tests. Accordingly, this thesis describes the experimental setup used and the different measurements conducted, which comprise: threshold voltage, transconductance, current gain, specific on-resistance, parasitic capacitances, internal gate resistance, and the turn on and turn off switching times and energies. For the latter, the driving method used for each device is described in detail. Furthermore, for the devices that require on-state dc currents, driving losses are taken into consideration. While all of the SiC transistors characterized in this thesis demonstrated low specific on-resistances, the SiC BJT showed the lowest, with Fairchild's FSICBH057A120 SiC BJT having 3.6 mΩ•cm2 (using die area) at 25 ºC. However, the on-resistance of GE's SiC MOSFET proved to have the smallest temperature dependency, increasing by only 59 % from 25 ºC to 200 ºC. From the dynamic characterization, it was shown that Cree's C2M0080120D second generation SiC MOSFET achieved dv/dt rates of 57 V/ns. The SiC MOSFETs also featured low turn off switching energy losses, which were typically less than 70 µJ at 600 V bus voltage and 20 A load current. / Master of Science

Silicon carbide (SiC) power switching devices promise to be a major breakthrough for new generation ac three-phase power converters, offering increased junction temperature, low specific on-resistance, fast switching, and low switching loss. These characteristics are desirable for increasing power density, providing faster system dynamics, and improving power quality. At present, the normally-on SiC JFET prototypes available from SiCED are the first SiC power switches close to commercialization. The objective of this work is to characterize the switching behavior of the prototype SiC JFET devices, as well as demonstrate the feasibility of achieving high switching frequency for a 2 kVA three-phase converter. The switching characterization of the 1200 V SiC JFET prototypes is shown for a wide range of operating conditions such as switched voltage, switched current, and junction temperature. The SiC JFET is shown to be a fast-switching, low-loss device offering performance benefits compared to traditional silicon (Si) power devices of similar ratings. Utilizing the SiC JFET, a three-phase ac buck rectifier is then demonstrated with a 150 kHz switching frequency and a rated power of 2 kVA. Additionally, improvements are made to the charge control scheme for the buck rectifier allowing power factor compensation and reduction of input current transients. / Master of Science