Characterization and modeling of GaN diodes dedicated to power electronics
Caractérisation et modélisation de diodes GaN dédiés à l'électronique de puissance
Résumé
The joint use of Gallium Nitride (GaN) and Silicon Carbide (SiC) based components enables power converters to achieve higher performance, with higher power density, increased efficiency, and a more compact size. Due to the material properties of GaN, the associated components offer higher switching capacity. The eventual arrival of GaN diodes on the power electronics market, together with the GaN transistor, opens the way to the design of power converters based entirely on this material. This development could help to meet the growing demand for more advanced and efficient technologies in this field, and thus promote a frequency increase for high power applications.In the context of this thesis, a collaboration with the manufacturer StMicroelectronics gives us the opportunity to characterize and model package GaN power diodes under development. The modelling of these diodes is a necessary work for the good understanding of the physical phenomena that can occur in the component. An accurate knowledge of the operation of power components is necessary to develop a retro-engineering process permitting the optimization of the manufacturing process but also for the optimal design of converters.The objective of this thesis is to propose a methodology for the behavioral modelling of the diodes based exclusively on non-intrusive characterization methods such as S-parameter measurements or pulsed current/voltage measurements. The results obtained permitted the development of the electrical model of the diode and its implementation in a simulation software. In addition, thermal variations were considered through a thermal model and the use of a "Double Pulse" test bench made it possible to check the behavior of the electrothermal model. Finally, a study on the trapping phenomena, a problem inherent to the GaN material, is presented and a modelling of their impact on the characteristics of the diode is proposed.
L'utilisation conjointe de composants à base de Nitrure de Gallium (GaN) et de la filière du carbure de Silicium (SiC) permet aux convertisseurs de puissance d'atteindre des performances supérieures, avec une densité de puissance plus élevée, une efficacité accrue et une taille plus compacte. Par les propriétés du matériau GaN, les composants associés offrent une capacité de commutation plus élevée. L'éventuelle arrivée de diodes GaN sur le marché de l'électronique de puissance associée au transistor GaN, ouvre la voie à la conception de convertisseurs entièrement basés sur ce matériau. Cette évolution pourrait permettre de répondre à la demande croissante pour des technologies plus avancées et plus efficaces dans ce domaine, et ainsi promouvoir une montée en fréquence pour les applications à haute puissance.Dans le cadre de cette thèse, une collaboration avec le fabricant StMicroelectronics nous donne la possibilité de caractériser et modéliser des diodes de puissance GaN en cours de développement. La modélisation de ces diodes est un travail nécessaire pour la bonne compréhension des phénomènes physiques pouvant impacter le composant. Une connaissance précise du fonctionnement des composants de puissance est nécessaire pour à la fois développer un procédé de retro-engineering permettant l'optimisation du process de fabrication mais également pour la conception optimale de convertisseurs de puissance.L'objectif de ce travail de thèse est d'ainsi de proposer une méthodologie de modélisation comportementale des diodes de puissance GaN en boitier en se basant exclusivement sur des méthodes de caractérisation non-intrusives telles que la mesure en paramètres S ou les mesures courant/tension en régime pulsé. Les résultats obtenus ont permis de construire le modèle électrique de la diode et de l'implanter dans un logiciel de simulation. En outre, les variations thermiques ont été prises en compte à travers un modèle thermique et l'utilisation d'un banc de test « Double Pulse » a permis de vérifier le comportement du modèle électrothermique. Pour conclure, une étude sur les phénomènes de pièges, problème inhérent au matériau GaN, est présentée et une modélisation de leurs impacts sur les caractéristiques de la diode est proposée.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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