Characterization and modeling of GaN power devices for high freuency power converters design. Caractérisation et modélisation de composants GaN pour la conception de convertisseurs statiques haute fréquence

Archive ouverte : Thèse

Pace, Loris

Edité par HAL CCSD

The high frequency operation of GaN power transistors is of great interest in order to reduce size, weight and volume of power converters. Indeed, GaN HEMT power transistors show very good physical properties for the development of high frequency power converters. Within the constant rise of the amount of power electronics in electrical systems, the GaN technology, associated with the Silicon Carbide (SiC) one, aims to progressively replace the Silicium (Si) power devices especially in terms of robustness in harsh conditions and of power integration. The optimal design of high frequency power converters involves an accurate knowledge of power devices operations in the systems. Therefore, before the fabrication of converters, simulations steps based on semi-conductor and surrounding elements models are required. This research work focuses on the development of a modeling methodology of packaged GaN power transistors, exclusively based on non-intrusive characterization techniques. In this work, electrical characterization techniques used for radiofrequency transistors modeling, such as S-parameters and pulsed current/voltage measurements, are adapted to characterize the packaged GaN power transistor. Based on the characterization results, linear and nonlinear elements of the transistor’s electrical equivalent circuit are determined and a complet electrical model of the device is implemented in the ADS software. A Double Pulse test bench is made in order to apply the developed electrical model. After having modeled the whole test bench, including the printed circuit board, simulation results of the switching waveforms are compared to experimental results. Considering the effects of transistor’s temperature on its operation in power converters, a methodology is proposed to extract the thermal model of the device using dissipated power measurements and an optimization procedure. The obtained thermal circuit and its influence of thermal-dependent elements are added to the previous electrical model in order to build the complete electro-thermal model of the GaN power transistor. Based on the developed model, a DC to DC converter using the studied transistor has been designed and fabricated. Then, the simulation results are compared to experimental results for several operating temperatures and a prediction of the continuous operation of the converter is achieved. . La montée en fréquence de commutation des transistors de puissance à base de Nitrure de Gallium (GaN) présente une avancée technologique conduisant à la réduction de la taille, du poids et du volume des systèmes de conversion de l’énergie. En effet, les propriétés physiques des transistors de type HEMT basés sur l’hétérostructure AlGaN/GaN présentent un fort potentiel pour le développement de convertisseurs statiques haute fréquence. Avec l’augmentation toujours croissante de la part de l’électronique de puissance dans les systèmes électriques actuels, cette filière technologique, associée à la filière du Carbure de Silicium (SiC), vise aujourd’hui à remplacer progressivement les composants de puissance à base de Silicium (Si) notamment pour des raisons de tension de claquage élevée, de robustesse vis-à-vis des conditions sévères de fonctionnement et d’intégration de puissance. La conception optimale des convertisseurs haute fréquence implique une connaissance précise du fonctionnement des composants de puissance au sein de ces systèmes. Ainsi, la conception de ces dispositifs repose sur des étapes d’analyse et de simulations menées à partir des modèles des semi-conducteurs de puissance et des éléments environnants. L’objectif de ce travail de thèse est de proposer une méthodologie de modélisation comportementale de transistors de puissance GaN en boitier basée exclusivement sur des méthodes de caractérisation non-intrusives. Les techniques de caractérisation électriques utilisées pour la modélisation de transistors fonctionnant en gammes radiofréquences, telles que la mesure des paramètres S ou les mesures courant/tension en régime pulsé, sont ici adaptées à la caractérisation du transistor de puissance GaN encapsulé. A partir des résultats de caractérisation, les différents éléments linéaires et non linéaires du modèle électrique du transistor sont obtenus et un modèle électrique complet rassemblant ces éléments est implémenté dans le logiciel de simulation ADS. Un banc de test Double Pulse est alors conçu afin de mettre en application le modèle électrique développé. Après modélisation de l’environnement du transistor, y compris du circuit imprimé, les résultats de simulation des formes d’onde de commutation sont confrontés aux résultats expérimentaux. Afin de tenir compte des effets de la température sur le fonctionnement du transistor, une méthodologie est proposée permettant d’obtenir le modèle thermique du composant à partir de mesures de puissance dissipée et d’une procédure d’optimisation. À partir du modèle obtenu, un convertisseur DC/DC utilisant le transistor GaN modélisé a été conçu et réalisé. Les résultats de simulation des formes d’onde de commutation sont confrontés aux résultats expérimentaux pour différentes températures de fonctionnement du transistor et une prédiction du fonctionnement en continu du convertisseur est réalisée.

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