Caractérisation et modélisation de composants IGBT et diode PIN dans leur environnement thermique sévère lié aux applications aéronautiques
Résumé
At a time where climatic concerns are more than ever relevant, energy control, management and saving are nowadays becoming key points. This can be translate in avionics by weight reduction of the aircraft in order to save jet fuel consumption during flight leading to drastic decrease in CO² discharge. In accordance with saving energy concern the More Electrical Aircraft emphasizes the need for an all electrical actuation of the systems. Besides more electrical systems allow a reduction of maintenance costs as well as an increase of systems global reliability. Several projects has been created according this new vision and one of them is called the ModErNe project. This work has been realized as part of this project. Indeed, the use of power electronics equipment on an aircraft demands to perfectly know power components behavior in particular under harsh thermal environment. One of the main objectives is to experimentally analyze power components electrical characteristics in a range of temperature beyond manufacturer's one (-55°C to +175°C). This work describes the design and the experimental set up of a high and low temperature electrical test bench as well as tests vehicles. The other essential objective concerns virtual prototyping by modeling power components in order to simulate electrical characteristics under operating conditions. By the help of an electrical analogy the Ambipolar Diffusion Equation is analytically resolved allowing the creation of a 1D precise power component model. Then a comparison between simulation results, manufacturers data, and experimental results opens a discussion on the existence of a physics phenomena allowing the drastic reduction of the saturation voltage of certain IGBT: the Injection Enhanced Effect.
À l'heure où les préoccupations climatiques sont plus que jamais d'actualité, les problématiques du contrôle, de la gestion et de l'économie de l'énergie prennent une importance considérable dans notre société. Dans le secteur avionique, cela peut se traduire par une nécessité de réduction du poids des aéronefs afin d'économiser le kérosène consommé durant le vol, résultant au final à une réduction drastique d'émission de CO². En adéquation avec les problématiques d'économie d'énergie l'avion plus électrique crée depuis quelques années un nouvel engouement dans le monde aéronautique pour l'actionnement tout électrique. La refonte des systèmes actuels (hydrauliques, mécaniques, pneumatiques) vers des systèmes plus électriques permet de plus de diminuer les coûts de maintenance des équipements et d'augmenter la fiabilité globale des systèmes, en s'affranchissant par exemple des problèmes fluidiques liés à l'hydraulique. Plusieurs projets ont été fédérés autour de ce nouvel élan dont le projet ModErNe dans le cadre duquel les travaux présentés tout au long de ce mémoire de thèse ont été réalisés. La mise en place dans un aéronef de nouveaux dispositifs électroniques de puissance nécessite une parfaite connaissance du comportement des composants notamment sous environnement thermique extrême. Cela permet de dimensionner des systèmes haute puissance et haute température optimisés et sécurisés. La technologie SiC n'étant pas suffisamment mature au lancement du projet ModErNe, celui-ci a eu pour postulat l'utilisation de composants IGBT silicium. L'un des objectifs principaux de ces travaux est alors l'étude par la caractérisation du comportement des IGBT dans une gamme de température allant au-delà de celle établie par les fondeurs (-55°C à +175°C). Ces travaux décrivent ainsi la conception, la réalisation et la mise en place d'un banc de caractérisation électrique en température, de véhicules de test et la procédure de tests utilisée. Un second objectif essentiel de ces travaux se situe au niveau du prototypage virtuel. La modélisation et l'analyse des systèmes sont aujourd'hui incontournables afin d'éviter au maximum les défaillances qui peuvent mettre en danger des fonctions élaborées comme celles liées à la sécurité. Dans ces travaux de thèse nous modélisons le dispositif choisi afin de déterminer par simulation son comportement électrique sous l'influence de conditions de fonctionnement environnementales thermiques sévères. À l'aide d'une analogie électrique l'Équation de Diffusion Ambipolaire est résolu analytiquement pour fournir un modèle (1D) précis et complet de composants de puissance. Une confrontation simulation/ données constructeurs/ mesures expérimentales ouvre une discussion sur l'identification de l'Injection Enhanced effect : un phénomène physique permettant d'améliorer considérablement les performances statiques des composants IGBT, et présent dans certains IGBT selon une configuration structurelle particulière.
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