Contribution à la modélisation électrothermique: Elaboration d'un modèle électrique thermosensible du transistor MOSFET de puissance
Résumé
Strong demand for robustness has emerged in all areas of application of power components. Only a detailed analysis of phenomena related directly or indirectly to failures can ensure the reliability of the functions of the new power components. However, these phenomena involve the coupling between electrical, thermal and mechanical effects, making their study very complex, therefore the use of multi-physics modeling is well suited. In this thesis, we propose a methodology for electrical modeling taking into account the effects of temperature on the localized phenomena that initiate failure is often fatal. In preparation for the coupled electro-thermal simulation involving MOS power transistors, an electric thermo-sensitive model of the MOS and its body diode has been developed. Correspondingly a set of experimental studies was implemented to extract the parameters and model validation. Particular attention was paid to the study of interference phenomena that could occur in a localized response to an inhomogeneous distribution of temperature and hot spots. Thus the workings limits avalanche, with the outbreak of parasitic bipolar transistor (snapback) and its reversal were modeled. Benches specific validations of the model for harsh switching conditions were used by taking precautions related to high temperature. Finally, the complete thermal electric model developed was used by the company "EPSILON Ingénierie" for electro-thermal simulation of power MOS mode Avalanche Software adapting Epsilon-R3D.
Une forte exigence de robustesse s'est imposée dans tous les domaines d'application des composants de puissance. Dans ce cadre très contraint, seule une analyse fine des phénomènes liés directement ou indirectement aux défaillances peut garantir une maîtrise de la fiabilité des fonctions assurées par les nouveaux composants de puissance. Cependant, ces phénomènes impliquent des couplages entre des effets électriques, thermiques et mécaniques, rendant leur étude très complexe. Le recours à la modélisation multi-physique bien adaptée s'avère alors déterminant. Dans ce mémoire de thèse, nous proposons une méthodologie de modélisation électrique prenant en compte les effets de la température sur les phénomènes localisés qui initient une défaillance souvent fatale. En prévision de la simulation électrothermique couplée impliquant des transistors MOS de puissance, un modèle électrique thermosensible de ce composant et de sa diode structurelle a été développé. Corrélativement un ensemble de bancs expérimentaux a été mis en oeuvre pour l'extraction des paramètres et pour la validation du modèle. Une attention particulière a été accordée à l'étude des phénomènes parasites qui pourraient survenir de manière très localisée suite à une répartition inhomogène de la température et à l'apparition de points chauds. Ainsi les fonctionnements limites en avalanche, avec le déclenchement du transistor bipolaire parasite et de son retournement ont été modélisés. Des bancs spécifiques pour la validation du modèle pour les régimes extrêmes ont été utilisés en prenant des précautions liées à la haute température. Enfin, Le modèle électrique thermosensible complet développé a été utilisé par la société EPSILON Ingénierie pour faire des simulations électrothermiques du MOS de puissance en mode d'avalanche en adaptant le logiciel Epsilon-R3D.
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