Etude comparative des nouveaux composants de puissance en carbure de silicium (Sic) et leur modélisation sous SPICE

Abstract

Les systèmes d’électronique de puissance ont largement bénéficié du grand progrès des composants de puissance en silicium (Si). Alors qu’aujourd’hui leurs performances ont atteint leurs limites et ce malgré les fortes innovations actuelles. Cela a orienté la recherche vers des nouveaux matériaux semiconducteurs à large bande interdite (gap). Parmi eux, le carbure de silicium (SiC) avec ses propriétés physiques excellentes a donné la possibilité de réaliser des composants dans des domaines de fonctionnement jusque-là inaccessibles avec le Si. Son avancement technologique fait du SiC actuellement un produit alternatif au silicium, plus attractif que les autres semiconducteurs à large bande interdite (Diamant, GaN…). Dans ce travail on présente des études analytiques comparatives des modèles existants des composants à semiconducteurs en SiC, ainsi que les principales caractéristiques statiques, dynamiques, et thermiques, des meilleurs transistors SiC-MOSFET de puissance (1200V) commercialisés de différents constructeurs en raison d’élaborer un plan de choix guidant les concepteurs des circuits d’électronique de puissance de sélectionner le composant le plus adapté à leur cahier de charge selon leurs objectifs et selon les performances de leurs convertisseurs de puissance. Pour pleinement exploiter des avantages de cette nouvelle technologie (SiC), il est nécessaire d'avoir des modèles précis, fiables, et plus simples des composants de puissance, et ils doivent être facilement intégrés et adaptés avec les simulateurs utilisés. En effet pour réduire la complexité du modèle, seuls les phénomènes physiques les plus importants doivent être pris en compte dans le processus de formation du modèle. Le plus important est l'autoéchauffement produisant une augmentation significative de la température de jonction interne, contribuant par conséquent à la réduction des performances du composant. Dans le souci de contribuer à la modélisation des composants à semiconducteur de puissance, et d'aider les concepteurs des circuits et les ingénieurs à avoir les modèles des dispositifs voulus, on leur propose des modèles électrothermiques comportementaux souples, basés sur les modèles niveau 1 de SPICE, et les sources de tension et de courant commandées (Ei, Gi) de la bibliothèque ABM. Les paramètres de ce modèle sont obtenus à partir des courbes caractéristiques fournies par le fabricant dans le databook du composant, utilisant des scripts Matlab adoptant la méthode d'optimisation le Recuit Simulé. En plus de la souplesse, ces modèles proposés sont facilement intégrables dans les différents logiciels de simulation de type SPICE. La technique proposée nous a permis de modéliser avec excellence la diode Schottky et le transistor MOSFET en SiC sous SPICE, ces modèles proposés ont été validés par la confrontation avec les différentes caractéristiques des composants à semiconducteurs du constructeur CREE (la diode C2D20120D, et le MOSFET C2M0025120D). Cette comparaison a montré une concordance très satisfaisante.