Impact of aging on the behaviour of wild band gap power transistors, application to the efficiency of DC-DC converters
Impact du vieillisement sur le comportement des transistors de puissance grand gap, application à l'efficacité des convertiseurs d'énergie.
Résumé
In this thesis, we have studied the impact of aging the GaN HEMT on the power converter efficiency. For that, we have developed an experimental methodology to estimate the power losses of the GaN HEMT for switching circuit applications. The estimation of the power losses is performed by a SPICE simulation approach using a non-segmented electro-thermal model. The developed methodology enables the estimation of both the static and dynamic power losses in power converter applications. Additionally, we have implemented an accurate method for extracting both the intrinsic and extrinsic elements of the GaN HEMT power transistors. The experimental setup includes : Vector Network Analyzer, IVCAD meacurement modules, drain and gate bias tees. The developed S-paramater setup enables the extraction of the parasitic elements of the power GaN HEMT at multiple bias conditions. The Annealing algorithm is chosen for the optimisation of the model parameters. This method enables to study the effect of aging on both the parasitic elements of the GaN HEMT. Moreover, we have investigated the aging of a 650 V, 30 A GaN HEMT power transistor under operational switching conditions. The switching stress respects the Safe Operation Area (SOA) of the tested transistor. Various types of stress are performed, such as : continuous operational switching stress, on-state, off-state and frequency step stresses. The aging campaigns lasted 1000 h and were carried out through a developed switching application with high power efficiency. During aging, several electrical characterizations were performed for monitoring both the dynamic and static characteristics of the device under test, including : pulsed I-V, leakage current, C-V, S-parameters, temporal switching measurements. The effects of this degradation on power converters are studied for both the static and dynamic characteristics of the aged GaN HEMT. Using the developed SPICE model, the conduction power losses, switching power losses, leakage current gate and train power losses are estimated before and after aging. The accuracy and consistent convergence of the developed SPICE model provide a good way to investigate the reliability of GaN HEMTs by simulation.
Ce travail de recherche s’inscrit dans la problématique de l’efficacité énergétique des convertisseurs de puissance à base de transistors GaN-HEMTs, cette thématique représente une importance primordiale pour des domaines tels que les transports, les énergies renouvelables ou encore les télécommunications. Les travaux développés dans cette thèse se déroulent en cotutelle entre l’Université Abdelmalek Essaadi de Tétouan-Maroc et l’Université de Rouen-Normandie-France. Ce travail représente un intérêt réel pour les industriels internationaux et pour l’agence marocaine pour l’énergie durable au Maroc, puisqu’il traite une problématique actuelle qui est celle de la fiabilité et l’efficacité énergétique des convertisseurs de puissance. Notre travail s’inscrit dans le développement de la technologie électronique dans le cadre d’un partenariat Maroc-France. Actuellement, les composants de puissance de nouvelle génération de technologie GaN (nitrure de gallium) ou SiC (carbure de silicium) remplacent peu à peu les technologies usuelles à base silicium. Des modèles électriques rencontrés en littérature sont adaptés à ces composants, cependant, leur intégration dans les systèmes de conversion d’énergie nécessite de connaître avec précision l’évolution de ces modèles face au stress subi, en premier lieu thermique et électrique. Ce travail de recherche consiste dans un premier temps à étudier l’impact des dégradations sur les éléments du composant à l’étude. Puis, dans un second temps, à partir du modèle, nous analysons l’impact des dégradations sur les performances d’un convertisseur de puissance. Concernant les applications mobiles alimentées par batterie comme les véhicules électriques, les avions « plus électriques » ou les applications photovoltaïques, une haute efficacité énergétique combinée à un poids faible et une conception compacte sont des exigences clés. En utilisant des semi-conducteurs à grand gap comme le GaN, il est possible de travailler avec des fréquences de commutation plus élevées. Par conséquent, le volume et le poids des composants magnétiques et des condensateurs peuvent être réduits de manière significative. En raison de leurs caractéristiques, les composants de technologie GaN constituent un choix crucial pour les convertisseurs DC-DC fonctionnant à des fréquences de commutation allant au-delà de quelques centaines de kHz jusqu’au MHz. Malgré les nombreux avantages qu’apporte la technologie GaN comparée à la technologie Si, la fiabilité doit encore être démontrée. Cela est dû d’une part à l’évolution continue du processus technologique adopté et, d’autre part en raison du manque d’information concernant les modes et les mécanismes de défaillance.
Origine : Version validée par le jury (STAR)