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Wide bandgap (SiC/GaN) power devices characterization and modeling : application to HF power converters

by Ke Li




Institution: Université Lille I – Sciences et Technologies
Department:
Year: 2014
Keywords: Convertisseurs statiquess; 621.381 52
Record ID: 1150760
Full text PDF: http://www.theses.fr/2014LIL10080/document


Abstract

Les matériaux semi-conducteurs à grand gap tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) sont utilisés pour fabriquer des composants semi-conducteurs de puissance, qui vont jouer un rôle très important dans le développement des futurs systèmes de conversion d'énergie. L'objectif est de réaliser des convertisseurs avec de meilleurs rendements énergétiques et fonctionnant à haute température. Pour atteindre cet objectif, il est donc nécessaire de bien connaître les caractéristiques de ces nouveaux composants afin de développer des modèles qui seront utilisés lors de la conception des convertisseurs. Cette thèse est donc dédiée à la caractérisation et la modélisation des composants à grand gap, mais également l'étude des dispositifs de mesure des courants des commutations des composants rapides. Afin de déterminer les caractéristiques statiques des composants semi-conducteurs, une méthode de mesure en mode pulsé est présentée. Dans le cadre de cette étude, une diode SiC et un JFET SiC "normally-off" sont caractérisés à l'aide de cette méthode. Afin de mesurer les capacités inter-électrodes de ces composants, une nouvelle méthode basée sur l'utilisation des pinces de courant est proposée. Des modèles comportementaux d'une diode Si et d'un JFET SiC sont proposés en utilisant les résultats de caractérisation. Le modèle de la diode obtenu est validé par des mesures des courants au blocage (recouvrement inverse) dans différentes conditions de commutation. Pour valider le modèle du JFET SiC, une méthode de mesure utilisant une pince de courant de surface est proposée. Compared to traditional silicon (Si) semiconductor material, wide bandgap (WBG) materials like silicon carbide (SiC) and gallium nitride are gradually applied to fabricate power semiconductor devices, which are used in power converters to achieve high power efficiency, high operation temperature and high switching frequency. As those power devices are relatively new, their characterization and modeling are important to better understand their characteristics for better use. This dissertation is mainly focused on those WBG power semiconductor devices characterization, modeling and fast switching currents measurement. In order to measure their static characteristics, a single-pulse method is presented. A SiC diode and a "normally-off" SiC JFET is characterized by this method from ambient temperature to their maximal junction temperature with the maximal power dissipation around kilowatt. Afterwards, in order to determine power device inter-electrode capacitances, a measurement method based on the use of multiple current probes is proposed and validated by measuring inter-electrode capacitances of power devices of different technologies. Behavioral models of a Si diode and the SiC JFET are built by using the results of the above characterization methods, by which the evolution of the inter-electrode capacitances for different operating conditions are included in the models. Power diode models are validated with the measurements, in which…