Dans le cas des installations photovoltaïques, l’onduleur est le premier élément défaillant dont il est difficile d’anticiper la panne, et peu d’études ont été faites sur la fiabilité de ce type de convertisseur. L'objectif de cette thèse est de proposer des outils et méthodes en vue d'étudier le vieillissement des modules de puissance dans ce type d'application en se focalisant sur les phénomènes de dégradation liés à des aspects thermomécaniques. En règle générale, le vieillissement accéléré des modules de puissance est effectué dans des conditions aggravées de courant (Cyclage Actif) ou de température (Cyclage Passif) pour accélérer les processus de vieillissement. Malheureusement, en appliquant ce type de vieillissement accéléré, des mécanismes de défaillances qui ne se produisent pas dans la vraie application peuvent être observés et, inversement, d'autres mécanismes qui se produisent habituellement peuvent ne pas apparaître. La première partie de la thèse se focalise donc sur la mise en place d'une méthode de vieillissement accéléré des composants semi-conducteurs des onduleurs photovoltaïques. Cela est fait en s’appuyant sur l’analyse des profils de mission du courant efficace de sortie des onduleurs et de la température ambiante, extraits des centrales photovoltaïques situées au sud de la France sur plusieurs années. Ces profils sont utilisés pour étudier les dynamiques du courant photovoltaïque, et sont introduites dans des modèles numériques pour estimer les pertes et les variations de la température de jonction des semi-conducteurs utilisés dans les onduleurs, en utilisant l’algorithme de comptage de cycles "Rainflow". Cette méthode est ensuite mise en œuvre dans deux bancs expérimentaux. Dans le premier, les composants sous test sont des modules IGBT. Les composants sont mis en œuvre dans un banc de cyclage utilisant la méthode d'opposition et mettant en œuvre le profil de vieillissement défini précédemment. Un dispositif in-situ de suivi d'indicateurs de vieillissement (impédance thermique et résistance dynamique) est également proposé et évalué. Le deuxième banc est consacré à l'étude de modules de puissance à base de MOSFET SiC. Le vieillissement est effectué dans les mêmes conditions que pour les modules IGBT et de nombreux indicateurs électriques sont monitorés mais, cette fois ci, en extrayant les composants de l'onduleur de cyclage. Les résultats obtenus ont permis de déterminer des indicateurs de vieillissement d’IGBT et de MOSFET SiC utilisés dans un onduleur photovoltaïque / In the case of photovoltaic installations, the DC/AC inverter has the highest failure rate, and the anticipation of its breakdowns is still difficult, while few studies have been done on the reliability of this type of inverter. The aim of this PhD is to propose tools and methods to study the ageing of power modules in this type of application, by focusing on ageing phenomena related to thermo-mechanical aspects. As a general rule, the accelerated ageing of power modules is carried out under aggravated conditions of current (Active Cycling) or temperature (Passive Cycling) in order to accelerate the ageing process. Unfortunately, when applying this type of accelerated ageing tests, some failure mechanisms that do not occur in the real application could be observed, while inversely, other mechanisms that usually occur could not be recreated. The first part of the PhD focuses on the implementation of an accelerated ageing method of the semiconductor devices inside photovoltaic inverters. This is accomplished by analyzing the mission profiles of the inverter’s output current and ambient temperature, extracted over several years from photovoltaic power plants located in the south of France. These profiles are used to study photovoltaic current dynamics, and are introduced into numerical models to estimate losses and junction temperature variations of semiconductors used in inverters, using the cycle counting algorithm “Rainflow”. This method is then performed in two experimental test benches. In the first one, the devices under test are IGBT modules, where the accelerated ageing profile designed is implemented using the opposition method. Moreover, an in-situ setup for monitoring ageing indicators (thermal impedance and dynamic resistance) is also proposed and evaluated. The second bench is devoted to study the ageing of SiC MOSFET power modules. The accelerated ageing test is carried out under the same conditions as for the IGBT modules with more monitored electrical indicators, but this time by disconnecting the semiconductor devices from the inverter. The results obtained allowed to determine several potential ageing indicators of IGBTs and SiC MOSFETs used in a photovoltaic inverter

Les technologies de transistors bipolaires à hétérojonctions (HBT) ont montré leur efficacité pour permettre aux circuits de traiter les grands signaux au delà de 100Gbit/s pour les réseaux optiques Ethernet. Pour assurer ce résultat, une bonne fiabilité doit être garantie. Des tests de vieillissements accélérés sous contraintes thermiques et électrothermiques sont réalisés et analysés avec les outils de simulation physique Sentaurus TCAD afin d’obtenir les lois de vieillissement physiques. Le modèle compact HICUM niveau 2, basé sur la physique, est utilisé pour modéliser précisément le composant avant vieillissement, puis pour ajuster les caractéristiques intermédiaires pendant le vieillissement. L’évolution des paramètres du modèle est décrit avec des équations appropriées pour obtenir un modèle électrique compact du vieillissement basé sur la physique. Les lois de vieillissement et les équations d’évolutions des paramètres avec le temps de contrainte sont implantées dans le modèle électrique de vieillissement en langage Verilog-A, ce qui permet de simuler l’impact des mécanismes de défaillances sur le circuit en conditions opérationnelles. / Modern InP Heterojunction Bipolar Transistors (HBT) technology has shown its efficiency for making large signal ICs working above 100 Gbits/s for Ethernet optical transport network. To full-fill this expectation, a good reliability has to be assured. Accelerated aging tests under thermal and electro-thermal stress conditions are performed and analyzed with Sentaurus TCAD device simulation tools to achieve the physical aging laws. The physics based advanced bipolar compact model HICUM Level 2 is used for precise modeling of the devices before aging. The HICUM parameters are extracted to fit the intermediate characterizations during aging. The evolution of the model parameters is described with suitable equations to achieve a physics based compact electrical aging model. The aging laws and the parameter evolution equations with stress time are implemented in compact electrical aging model in Verilog-A languages which allows us to simulate the impact of device failure mechanisms on the circuit in operating conditions.

Ces travaux s’intègrent dans le projet de recherche SUPERSWITCH dans lequel des solutions alternatives à l’IGBT, utilisées dans les convertisseurs de puissance dans la gamme des tenues en tension 600-1200 V, sont envisagées. Les nouvelles structures du transistor MOS basées sur le principe de Super-Jonction tel que le transistor DT-SJMOSFET et sa terminaison originale, la « Deep Trench Termination » se propose comme alternative aux IGBT. Dans ce contexte, cette thèse se focalise sur la caractérisation de la robustesse de la terminaison DT2 adapté à une diode plane. Après avoir effectué un état de l’art sur les composants de puissances à semi-conducteur unidirectionnels en tension, les terminaisons des composants de puissance et la fiabilité des modules de puissance, un véhicule de test a été conçu en vue de réaliser les différents essais de vieillissement accéléré et suivi électrique. La fiabilité de la terminaison DT2 a été évaluée par des essais expérimentaux et des simulations numériques, dont une méthodologie innovante a été proposée. Au final de nouvelles structures ont été proposées pour limiter les problèmes de délaminage et de charges aux interfaces mis en avant dans notre étude. / This work is a part of the research project SUPERSWITCH in which alternatives solutions to the IGBT, are investigated. This solution was used IGBT in power converters in the 600-1200 V breakdown voltage range. The new MOSFET structures based on the super-junction, such as the DT-SJMOSFET and its "Deep Trench Termination", is proposed as an alternative to IGBT. In this context, this thesis focuses on the robustness characterization of the DT2 termination adapted to a planar diode. After a state of the art on unidirectional voltage power components, the power components termination, and power modules reliability, a test vehicle has been designed in order to carry out different accelerated ageing tests and electrical monitoring. The reliability of DT2 termination was evaluated by experimental tests and numerical simulations. An innovative modeling methodology has been proposed. Finally, new structures have been proposed to limit the delamination failure mechanisms and interface charges problems highlighted in this thesis.

Dans cette thèse, les mécanismes de vieillissement des cellules Li-ion sont analysés sur un niveau théorique,assisté par une AMDEC (Analyse des modes de défaillance, de leurs effets et de leur criticité). L'accent est mis surla famille des cellules lithium fer phosphate (LFP) utilisées comme batteries de traction dans les applicationsvéhicules électriques.L'objectif de la partie xpérimentale de cette thèse est le développement d'un concept d'un outil de diagnostic pourla détermination rapide d'état de la batterie. Une expérience de vieillissement accélérée est réalisée avec un groupede cellules LFP de haute capacité (70Ah). Les cellules sont analysées en utilisant des méthodes de mesured'impédance dans les domaines temporel et fréquentiel. La pectroscopie d'Impédance Électrochimique (SIE, ouEIS en anglais) s'est trouvée être un bon outil pour révéler des informations intéressantes sur l'état de santé (Stateof-Health, SOH) de la batterie.Des modèles de batterie sont utilisés pour l'interprétation des résultats de mesure. En comparant différents modèlesdu circuit équivalent (ECMs), un modèle est choisi. Ce modèle est utilisé pour la détermination du SOC et étendupour la détermination du SOH. Un concept pour la détermination du SOH est développé, permettant uneapproximation de la capacité de la batterie dans une période de temps de moins de 30s, si les onditions de labatterie et d'environnement, comme la température et l'état de charge de la batterie, sont connus. / In this thesis, the aging mechanisms withing Li-ion cells are analyzed on a theoretical level, supported by an FMEA(Failure ode and Effects Analysis). The focus lies on the group of lithium iron phosphate (LFP) cells used fortraction batteries in electric vehicles. Scope of the experimental part of the thesis is the development of a diagnosticconcept for the quick battery state determination. A group of high capacity LFP cells (70Ah) designed for tractionpurposes in electric vehicles is aged artificially and investigated afterwards by impedance measurements in the timeand frequency domain. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is found to reveal interesting information onthe battery's State-of-Health (SOH).For the interpretation of the measurement results, battery models are employed. Different equivalent circuit models(ECMs) are compared and an appropriate model is chosen, which is used for the SOC (State-of-Charge)determination and extended for the SOH (State-of-Health) determination. An SOH determination concept isdeveloped, which allows the approximation of the cell capacity in less than 30s, if the battery and environmentalconditions, such as the temperature and the cell's SOC, are known.