Bilan et perspectives des composants de puissance à grand gap

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23567
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Bilan et perspectives des composants de puissance à grand gap

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Bilan et perspectives des composants à grand gap La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 66 Bilan et perspectives des composants de puissance à grand gap DOMINIQUE PLANSON, HERVE MOREL ET MICHEL AMIET, Laboratoire Ampère, Univ. De Lyon, 21, avenue Jean Capelle 69621 Villeurbanne Cedex Cet article est dédié à la mémoire du Professeur Jean-Pierre Chante 1. Introduction Les composants de puissance sont le cœur des convertisseurs de puissance permettant d’alimenter les installations de puissance et de « transformer » la tension ou le courant de l’énergie électrique. Les contraintes de température, de compacité et de tension sont de plus en plus importantes dans un souci permanent d’économie d’énergie. Figure 1 : Ron.S théorique en fonction de la tenue en tension pour Si, SiC, GaN et diamant [1] Figure 2 : Température d’emballement thermique en fonction de la tenue en tension théorique 2. Travaux et résultats obtenus Très tôt, les potentialités du SiC puis rapidement du diamant, ont attiré l’attention du laboratoire pour des applications haute température et haute tension, nous amenant à souligner divers faits marquants. Dans le cadre d’un programme blanc ANR, une évolution notable de la montée en tension est passée par la réalisation de diodes Schottky diamant 10kV. Figure 3 : Densité de courant en inverse de deux diodes Schottky diamant. [2]. Puis, le déclenchement optique de thyristors SiC avec diode LED a permis de valider aussi la mise en série et parallèle des thyristors, travaux réalisés en collaboration avec l’Institut Saint-Louis (ISL). Le développement d’un driver haute température a permis d’atteindre une fonctionnalité d’un convertisseur jusqu’à 200°C Une grande évolution fut alors l’acquisition de nouveaux équipements : - une station sous-pointe semi-automatique (Signatone S460), permettant la réalisation de cartographies de plaquettes et composants associés très probantes. Résumé : Depuis le début des années 1990, des recherches ont été menées au laboratoire Ampère (ex- CEGELY) sur les composants de puissance grand gap (SiC, puis diamant depuis les années 2010 et plus récemment GaN) avec un soutien exemplaire de la DGA. Ces actions ont permis d’initier des relations avec le secteur industriel (Schneider-Electric, Ferraz-Shawmut, IBS, Safran, ST-Microelectronics) ou institutionnel applicatif (SuperGrid Institute, Institut Saint-Louis). Cet article retrace cette aventure, l’évolution des recherches et surtout les progrès significatifs réalisés que ce soit en termes de faisabilité de composants de puissance, d’augmentation des tensions de claquage et aussi des moyens de caractérisation de composants. Bilan et perspectives des composants de puissance à grand gap La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 67 - un banc de caractérisation OBIC (avec 2 longueurs d’onde) permettant d’obtenir les coefficients d’ionisation et une cartographie du champ électrique en périphérie des composants. Figure 4 : Montage expérimental pour le déclenchement du thyristor Figure 5 : Caractéristique en commutation I(t) et V(t) du thyristor Par ailleurs, l’emploi de techniques innovantes a permis d’atteindre de significatifs résultats : - le dopage localisé de type P par VLS (diodes bipolaires et protection périphérique avec couche cristalline de très grande qualité), - la caractérisation de diodes diamant (IV- OBIC) et diodes GaN, - la simulation et conception de composants par éléments finis (Synopsys) 3D. Figure 6.a Figure 6.b Figure 6 : Résultats expérimentaux (figure 6a) et de simulation en 3D (figure 6b), montrant l’impact du rayon de courbure en périphérie des protections périphériques en utilisant une combinaison de gravure et JTE A noter enfin la création en 2014 d’une startup, Caly Technologies, par deux maîtres de conférence de notre équipe de recherche, entreprise en pleine réussite et évolution (5 employés aujourd’hui). En conclusion, les recherches menées en France (avec les supports technologiques de partenaires européens) sur les composants de puissance à large bande interdite ont permis d’obtenir des résultats de premiers plans au niveau international. L’industrialisation de masse des composants SiC est en cours (SiC-MOSFET). 3. Perspectives Commutation rapide des composants de puissance (jusqu’à 20 kV), caractérisation haute tension et haute température sous vide (programme GD3E), packaging haute tension (jusqu’à 15 kV) 4. Remerciements Les doctorants (Tony Abi-Tannous, Besar Asllani, Pierre Brosselard, Florian Chevalier, Nicolas Daval, Nicolas Dheilly, Hassan Hamad, Stanislas Hascoet, Runhua Huang, Frédéric Lanois, Jean-François Mogniotte, Franck Nallet, Minh-Duy Nguyen, Shiqin Niu, Fabien Thion, Dominique Tournier, Heu Vang, Teng Zhang) Les permanents (Cyril Buttay, Mihai Lazar, Luong- Viet Phung, Christophe Raynaud) Les collaborations universitaires (LAAS, Laplace, LSPM, GEMAC, LMI, Charles Coulomb, G2ELab). 5. Références bibliographiques [1] W. Saito, I. Omura, T. Ogura, H. Ohashi « Theroretical limit estimation of lateral wide band-gap semiconductor power-switching device » Solid-State Electronics 48 1555-1562 (2004) [2] P.-N. Volpe, P. Muret, J. Pernot, F. Omnes, T. Teraji, Y. Koide, F. Jomard, D. Planson, P. Brosselard, N. Dheilly, B. Vergne, S. Scharnholz « Extreme dielectric strength in boron doped homoepitaxial diamond » Appl. Phys. Lett. 97, 1 (2010)