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19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise1 Composants à semi-conducteur de puissance pour des applications à haute température de fonctionnement à haute température.

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1 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise1 Composants à semi-conducteur de puissance pour des applications à haute température de fonctionnement à haute température de fonctionnement B. Allard, M. Lazar, H. Morel, D. Planson : CEGELY INSA de Lyon G. Coquery, L. Dupont, Z. Khatir : LTN INRETS S. Lefebvre : SATIE ENS Cachan – CNAM R. Meuret : Hispano-Suiza

2 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise2 Introduction Problématique Choix du semi-conducteur Choix des puces Assemblage Connexions Synergie Automobile / Avionique Conclusion Plan de la présentation

3 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise3 Introduction Environnement moteur (engine) Pompe hydraulique Pompe à carburant Moteurs Alternateur Démarreur …

4 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise4 Introduction Puissance de sortie : quelques kW Température ambiante : 200 °C MTBF 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)

5 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise5 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) PucesAssemblage Tenue en température : Courants de fuite, Von, … Vieillissement : Dégradation de l’oxyde… Brasures : Délamination, fissures… Fils de Bonding : Levé

6 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise6 Choix du semi-conducteur Limitation en température : courant de fuite (E G, V BR ) (cf. Wondrak pour des jonctions PIN ) SiSiC 100 V ≈ 250 °C800 °C 1000 V ≈ 175 °C600 °C Matériaux V BR

7 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise7 Choix du semi-conducteur Limitation en température : courant de fuite (E G, V BR )

8 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise8 Comparaison MOS Bulk / MOS SOI Honeywell HTANFET Mos de puissance sur SOI T JMAX = 225°C 90V, 0,4  à 25°C Choix du semi-conducteur : SOI

9 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise9 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)

10 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise10 Choix des puces : SiC Echantillons SiC : JFET, JFET Cascode Siced : MOS Si basse tension V BR = 1000V, R ON < 1,2  Chang & al. ISPSD’03 600V 5 m .cm²

11 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise11 Choix des puces : SiC Développement SiC : MOSFET, diodes PIN MOSFET 3kV Peters & al. EPE’03

12 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise12 Choix des puces : Si V BR = 1000V: T JMAX = 150°C V BR = 100V: T JMAX = 250°C Jonction PIN Super Jonction (CoolMOS) Caractérisations en température CoolMOS 47A 600VCoolMOS 20A 600V

13 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise13 Choix des puces : Si Comparaison CoolMOS 600V / IGBT NPT 600V / MOS 200V V DS = V BR

14 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise14 Choix des puces : Si Caractérisations électriques CoolMOS 47A – 600 V APT47N60BC3 Caractérisation statique (R DS on ) Caractérisation dynamique (à l’ouverture)

15 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise15 Assemblage Assemblage sur DCB Automobile : Généralement : céramique Al2O3 / Socle Cuivre Aviation : Céramique AlN / Socle AlsiC Après cycles d’injection de puissance Z. Khatir & al., SemiTherm XVII, San Jose, Mars 2001 MatériauCTE (ppm/K) (W/mK) Puce Silicium2,6150 SiC3,7390 Brasure Céramique AlN5170 Al 2 O Brasure Socle Cuivre16390 AlSiC6,5 – 8,

16 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise16 Assemblage Réalisation d’un démonstrateur (APT Europe) Céramique AlN / Socle AlSiC Diodes schottky SiC Cree 600V 10A ×2 CoolMOS Si APT 600V 47A

17 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise17 Connexions Fils de bonding Module 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

18 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise18 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 IXYS 75V 350A T JMAX = 175°C

19 19/03/2004J-EEA Cergy-Pontoise19 Conclusion Caractérisation module APT (220 °C) - Electrique - Assemblage Caractérisation module automobile - Electrique (déclassé) - Assemblage Convertisseur tout SiC : Diodes Schottky JFET


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