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19/03/2004 J-EEA Cergy-Pontoise 1
Composants à semi-conducteur de puissance Composants à semi-conducteur de puissance pour des applicationspour des applications
à haute température de fonctionnementà haute température de fonctionnement
B. Allard, M. Lazar, H. Morel, D. Planson : CEGELY INSA de LyonG. Coquery, L. Dupont, Z. Khatir : LTN INRETS
S. Lefebvre : SATIE ENS Cachan – CNAMR. Meuret : Hispano-Suiza
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Introduction
Problématique
Choix du semi-conducteur
Choix des puces
Assemblage
Connexions
Synergie Automobile / Avionique
Conclusion
Plan de la présentation
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Introduction
Environnement moteur (engine)
• Pompe hydraulique
• Pompe à carburant
• Moteurs
• Alternateur
• Démarreur …
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Introduction
• Puissance de sortie : quelques kW
• Température ambiante : 200 °C
• MTBF 50 000 h
• Cycles Décollage/Atterrissage : 5000 cycles (-55°C +200°C à 10°C/min)
• DC Voltage : 48 à 350Vdc
• Environnement moteur : (humidité,vibration,choc,altitude)
Collaboration HISPANO-SUIZA / SATIE / LTN INRETS / CEGELY
Projet « Avion supersonique »
Réalisation d’un convertisseur pour la commande d’un EMA (Electro-Mecanical Actuator)
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Problématique
Température de Fonctionnement élevée (Ta = 200°C)
Cycles de température(5000 cycles –55°C à 200°C à 10°C/min)
Durée de vie élevée(50000heures)
Puces AssemblageTenue en température :
Courants de fuite, Von, …
Vieillissement : Dégradation de l’oxyde…
Brasures :Délamination, fissures…
Fils de Bonding : Levé
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Choix du semi-conducteur
Limitation en température : courant de fuite (EG, VBR)
(cf. Wondrak pour des jonctions PIN - 1999)
Si SiC
100 V ≈ 250 °C 800 °C
1000 V ≈ 175 °C 600 °C
Matériaux
VBR
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Choix du semi-conducteur
Limitation en température : courant de fuite (EG, VBR)
0 50 100 150 200 250 300 350 400106
108
1010
1012
1014
1016
1018
T (°C)
ni (
cm-3)
Si 4H-SiC 6H-SiC
)2/exp(2/3 kTEgTni
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N N
S G D
N NP
P
Transistor MOS SOI, partiellement déplété.
déplétion
neutre
GS D
Transistor MOS SOI, complètement déplété.
ComparaisonMOS Bulk / MOS SOI
Honeywell HTANFETMos de puissance sur SOI
TJMAX = 225°C90V, 0,4 à 25°C
Choix du semi-conducteur : SOI
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Choix des puces : SiC
Disponibles SiC: Diodes Scottky 600V (Infineon, Cree…)
Diode Schottky SiC Cree 10 A 600V
Comparaison :Diodes Schottky SiC / Diode Si PIN (175 °C)
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Choix des puces : SiC
Echantillons SiC : JFET, JFET Cascode
Siced : MOS Si basse tensionVBR = 1000V, RON < 1,2
Chang & al. ISPSD’03
600V5 m.cm²
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Choix des puces : SiC
Développement SiC : MOSFET, diodes PIN
MOSFET 3kVPeters & al. EPE’03
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Choix des puces : Si
VBR = 1000V: TJMAX = 150°CVBR = 100V: TJMAX = 250°C
Jonction PIN
Super Jonction (CoolMOS)
Caractérisations en température
CoolMOS 47A 600V CoolMOS 20A 600V
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Choix des puces : Si
ComparaisonCoolMOS 600V / IGBT NPT 600V / MOS 200V
VDS = VBR
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Choix des puces : Si
Caractérisations électriquesCoolMOS 47A – 600 V APT47N60BC3
Caractérisation statique (RDSon) Caractérisation dynamique (à l’ouverture)
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Assemblage
Assemblage sur DCB
Automobile : Généralement : céramique Al2O3 / Socle Cuivre
Aviation : Céramique AlN / Socle AlsiC
Après 43000 cycles d’injection de puissance
Z. Khatir & al., SemiTherm XVII, San Jose, Mars 2001
Matériau CTE
(ppm/K)
(W/mK)
PuceSilicium 2,6 150
SiC 3,7 390
Brasure
CéramiqueAlN 5 170
Al2O3 7 25
Brasure
SocleCuivre 16 390
AlSiC 6,5 – 8,5 160 - 200
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Assemblage
Réalisation d’un démonstrateur (APT Europe)Céramique AlN / Socle AlSiCDiodes schottky SiC Cree 600V 10A ×2CoolMOS Si APT 600V 47A
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Connexions
Fils de bondingModule Econo-Pack 600V 200A
Une des principales causes de défaillance
à haute température
Cyclage actif Tc 115 °C / Tj 150 °C
G. Coquery & Al. ESREF 2003
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Synergie Automobile / Avionique
Développement de modules de puissance Haute Température (175°C)dans l’automobile
Utilisation à 220°C à plus faible courant ?
Onduleur triphasé IXYS75V 350ATJMAX = 175°C
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Conclusion
Caractérisation module APT (220 °C) - Electrique- Assemblage
Caractérisation module automobile- Electrique (déclassé) - Assemblage
Convertisseur tout SiC : Diodes Schottky JFET
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