1 Mesure des Capacités Inter-électrodes des Composants Semi-conducteurs de Puissance dans Différents Points de Fonctionnement par la Méthode Multipinces Ke LI Laboratoire d Électrotechnique et d Électronique de Puissance de Lille L2EP Université de Lille 1, Bâtiment P2, Cité Scientifique, F-59655 Villeneuve d Ascq ke1.li@ed.univ-lille1.fr Résumé - Pour caractériser les capacités inter-électrodes des composants semi-conducteurs de puissance dans différents points de fonctionnement, une méthode utilisant de multiple pinces de courant est proposée. Cette méthode permet de réaliser une isolation galvanique entre la source d alimentation et des équipements de mesure. La méthode est appliquée et validée sur un JFET en carbure de silicium SiC pour la mesure des capacités sous différentes tensions V DS, V GS et sur un MOSFET en silicium Si sous différents courants de canal. Ces résultats permettent d obtenir plus d informations sur l évolution des capacités afin de modéliser précisément les composants semi-conducteurs de puissance. ABSTRACT - For characterizing inter-electrode capacitances of power semiconductor devices in different operating conditions, a method using multiple current probes is proposed with the benefit of isolating the measurement equipment from the high DC voltage source. The proposed method has been applied and validated on SiC-JFET for the capacitances measurement in different V DS, V GS voltages and on Si-MOSFET for different channel currents, which helps to obtain more capacitances dependency information in order to build an accurate power semiconductor device model. MOTS-CLES - Pince de courant, Composants semi-conducteurs de puissance, Carbure de silicium, Capacités inter-électrodes, Régime linéaire, MOSFET, JFET 1 Introduction Les composants semi-conducteurs de puissance sont largement utilisés dans les systèmes d électronique de puissance pour réaliser efficacement la conversion d énergie. Ces composants sont caractérisés par des capacités inter-électrodes qui ont une influence majeure sur le déroulement des commutations des composants à grille isolée. Généralement, ces capacités sont dépendantes des tensions V GS et V DS. L évolution de ces capacités est très importante durant les commutations des composants, notamment sur les pertes par commutation et les perturbations électromagnétiques. Il est bien connu que les commutations sont les sources principales des émissions électromagnétiques. Cependant, il est déterminant de caractériser ces capacités pour finement modéliser les composants semi-conducteurs de puissance. La Figure 1 représente la structure d un MOSFET et ses capacités inter-électrodes équivalentes : C gd, C gs et C ds. La Figure 2 représente la structure d un JFET SiC «Normally-off» et ses capacités inter-électrodes équivalentes : C gd et C gs [2]. Dans une datasheet d un composant semi-conducteur de puissance, les valeurs ci-dessous sont données : la capacité d entrée C iss = C gs + C gd, la capacité de sortie C oss = C ds + C gd, et la capacité de contre-réaction C rss = C gd. Dans la structure d un SiC JFET représentée dans la Figure 2, la capacité de sortie est égale à la capacité de contre-réaction C oss = C rss, parce que C ds peut être négligée. Néanmoins, l information dans les datasheets concernant l évolution des capacités inter-électrodes n est pas suffisante. Premièrement, pour un composant semi-conducteur de puissance qui commute quelques centaines de volts ou supérieur à 1000V, l évolution de V DS est généralement donnée jusqu à quelques dizaines volts. Bien que les valeurs des capacités sont rarement données en haute tension, il arrive souvent que ces valeurs ne sont pas dans des échelles logarithmiques. À cause de la forte non-linéarité des capacités inter-électrodes, leurs valeurs en haute tension peuvent être centuple de celles en basse tension, et il est très difficile de les représenter précisément dans une échelle linéaire. Deuxièmement, la courbe C V DS est toujours donnée pour une valeur particulière de V GS, ce qui ne permet pas de connaitre l évolution des capacités inter-électrodes en fonction de V GS. Troisièmement, les capacités inter-électrodes des transistors sont également influencées par le courant de canal [3]. Pour cette raison, ces capacités doivent être mesurées lorsque les transistors sont en régime linéaire afin de modéliser avec précision les commutations des transistors. Il faut noter que cette information n est pas donnée dans les datasheets. Donc, il est nécessaire de développer une méthode qui peut être facilement reproduite par les ingénieurs et les chercheurs pour caractériser les capacités interélectrodes afin de modéliser finement les composants semi-conducteur de puissance.
2 Figure 1: La structure d un MOSFET et les capacités inter-électrodes équivalentes [1] Figure 2: La structure d un JFET SiC «Normally-off» et les capacités inter-électrodes équivalentes [2] Il existe différentes méthodes permettant d atteindre cet objectif : la méthode proposée par Agilent [4] est basée sur l analyseur d impédance AI. Il est possible de caractériser précisément les capacités avec l évolution de V DS par cette méthode, néanmoins, la valeur de V DS est limitée à 40V. Les auteurs en [5] et [6] utilisent une source d alimentation avec l AI afin d augmenter la valeur de V DS ; un condensateur est connecté entre la source d alimentation et l AI pour protéger l équipement de mesure. L autre méthode proposée par Funaki et al. [7] est basée sur un «LCR meter», dont une source d alimentation est associée à des composants passifs, ce qui limite la précision de cette méthode. Ariga et al. [8] appliquent une autre méthode basée sur le principe de réflectométrie du domaine temporel. Pour cela un oscilloscope est connecté au circuit de mesure, une source d alimentation pour augmenter la tension V DS et un câble coaxial de 50Ω pour mesurer les signaux. Les appareils de mesure dans ces méthodes sont l AI, le «LCR meter» et l oscilloscope. Dans cet article, nous proposons d utiliser un analyseur de réseau avec trois pinces de courant. La méthode de deux pinces de courant a été proposée par Southwick et Dolle [9] ; les pinces sont utilisées pour mesurer l impédance du câble de puissance. Ensuite, cette méthode de deux pinces de courant a été appliquée par See et Deng [10] et Tarateeraseth et al. [11] pour mesurer l impédance de source de perturbation d un convertisseur. Dans cet article, la méthode de trois pinces de courant est proposée, qui donne une autre possibilité de caractériser les capacités inter-électrodes en haute tension. Par rapport aux méthodes de caractérisation des capacités inter-électrodes précédentes, l avantage principal de notre méthode est qu elle apporte l isolation galvanique entre l appareil de mesure et la source d alimentation afin de réduire les risques de destruction de l équipement de mesure et propose une configuration de mesure simple. Donc, la méthode proposée peut être utilisée pour caractériser non seulement la relation C-V DS et C-V GS, mais aussi de déterminer les capacités quand les composants sont en régime linéaire. Dans cet article, le principe de mesure basé sur trois pinces de courant est présenté dans la deuxième section. Ensuite, cette méthode est appliquée pour caractériser les capacités inter-électrodes d un JFET SiC «Normally-off» SJEP120R063 et d un MOSFET Si IRFP450 dans différents points de fonctionnement. Enfin des résultats de mesure sont présentés pour montrer l intérêt de la méthode proposée. 2 Méthode de trois pinces de courant La méthode proposée utilise un analyseur de réseau Vector Network Analyzer, VNA, d une pince d injection de courant Current Injection Probe, CIP et deux pinces de réception de courant Current Receiving Probe, CRP, ce qui est présenté
3 Figure 3: Configuration de mesure par la méthode de trois pinces de courant Figure 4: Circuit équivalent de mesure par trois pinces de courant dans la Figure 3. Le principe de la méthode des trois pinces de courant est le suivant : Port 1 génère un signal AC à travers la CIP, et ce courant est mesuré sur les ports 2 et 3 individuellement par deux CRPs. L impédance de Z x1 et Z x2 peut être obtenue par cette méthode. Le circuit équivalent de mesure est présenté dans la Figure 4. V 1 est la source du signal injecté par le port 1, alors que V p1, V p2 et V p3 sont les tensions mesurées sur les ports 1, 2 et 3 respectivement. L impédance de sortie du port 1 et celles d entrée du port 2 et du port 3 sont toutes à 50Ω. Z p1, Z p2 et Z p3 sont les impédances d insertion d une CIP et de deux CRPs séparément. Les impédances parasites de fils de connexion sont représentées par Z w, Z w1 et Z w2. M 1, M 2 et M 3 sont les inductances mutuelles entre les pinces et le circuit. V 1 induit un courant I w dans le circuit à travers la pince d injection. I w est divisé en I w1 et I w2, qui s écoulent à travers deux impédances inconnues en parallèle Z x1 et Z x2. V x1 et V x2 sont les tensions appliquées sur ces deux impédances inconnues. I w1 et I w2 sont mesurés par les deux CRPs, qui induisent I 2 et I 3 dans les ports 2 et 3 respectivement. Les cinq équations basées sur la loi des mailles du circuit précédent sont obtenues et données par la matrice 1 ci-dessous. En éliminant I 1, I 2, et I 3 dans 1 et en appliquant I w = I w1 + I w2, 1 peut être simplifiée dans les équations 2 et 3 : V 1 0 V x1 0 V x2 = 50 + Z p1 0 0 jωm 1 0 0 0 50 + Z p2 0 jωm 2 0 0 jωm 1 jωm 2 0 Z w Z w1 0 0 0 50 + Z p3 0 0 jωm 3 jωm 1 0 jωm 3 Z w 0 Z w2 I 1 I 2 I 3 I w I w1 I w2 1 V M1 = Z M + Z w I w1 + I w2 + Z M1 + Z w1 + Z x1 I w1 2 V M1 = Z M + Z w I w1 + I w2 + Z M2 + Z w2 + Z x2 I w2. 3
4 Figure 5: Circuit équivalent final de mesure par trois pinces de courant Avec 2 et 3, le circuit équivalent de la Figure 4 peut être ensuite simplifié conformément à la Figure 5, dont V M1 est une source de tension équivalente ramenée au circuit de mesure. Z M, Z M1 et Z M2 sont les impédances équivalentes d une CIP et des deux CRPs ramenées au circuit de mesure. Ces paramètres représentent l effet de couplage entre les pinces de courant et le circuit de mesure, dont les expressions sont données ci-dessous : V M1 = jωm 1V p1 Z p1 Z M = ωm 1 2 50 + Z p1 Z M1 = ωm 2 2 50 + Z p2 Z M2 = ωm 3 2 50 + Z p3. 4 I w1 et I w2 peuvent être mesurés par les pinces de réception, I w1 = V p2 Z T2 5 I w2 = V p3 Z T3 6 où Z T2 et Z T3 sont les impédances de transfert de deux pinces de réception séparément. V p1, V p2 et V p3 peuvent être obtenues par la définition des paramètres S mesurés à l aide de l analyseur de réseau : V p1 = V 1 2 7 V p2 = V 1 S21 2 8 V p3 = V 1 S31 2. 9 En remplaçant les équations 5~9 dans 2 et 3, les équations 10 et 11 sont finalement obtenues : jωm1 ZM + Z w Z x1 = Z T2 Z M + Z w + Z M1 + Z w1 Z T2 Z p1 Z T3 S31 10 jωm1 ZM + Z w Z x2 = Z T3 Z M + Z w + Z M2 + Z w2 Z T3 Z p1 Z T2 Les impédances inconnues Z x1 et Z x2 peuvent finalement être calculées avec les expressions ci-dessous : Z x1 = K 1 Z setup1 Q 1 S31 S21. 11 12
5 Figure 6: Détermination des paramètres de la méthode de trois pinces de courant Figure 7 Configuration de mesure par trois pinces de courant Z x2 = K 2 Z setup2 Q 2 où K 1 représente l effet de couplage entre les pinces des ports 1 et 2 avec les fils de connexion ; K 2 représente l effet de couplage entre les pinces des ports 1 et 3 avec les fils de connexion ; Z setup1 représente les impédances des pinces des ports 1 et 2 avec les fils de connexion ; Z setup2 représente les impédances des pinces des ports 1 et 3 avec les fils de connexion ; Q 1 et Q 2 représente l effet de couplage de deux CRPs et l impédance de la CIP avec les fils de connexion. Les paramètres K 1, K 2, Z setup1, Z setup2, Q 1 et Q 2 peuvent être obtenus par les étapes suivantes. Tout d abord, Z x1 et Z x2 dans la Figure 3 peuvent être remplacées par deux résistances connues R 1 et R 2 afin d avoir deux équations : 14 et 15. Comme il y a six paramètres à déterminer, quatre équations en plus de 14 et 15 sont nécessaires. Il est nécessaire de répéter l étape précédente deux fois et dans chaque étape, deux résistances avec des valeurs différentes sont utilisées pour avoir deux équations de plus. Les six paramètres peuvent être obtenus en résolvant ces six équations. R 1 = K 1 z x1=r1 Z setup1 Q 1 R 2 = K 2 z x2=r2 Z setup2 Q 2 S21 S31 S21 13 z x1=r1 14 z x2=r2 15 Dans la section suivante, la méthode de trois pinces de courant sera utilisée pour mesurer directement les capacités interélectrodes des composants semi-conducteurs de puissance. 3 Mesure des capacités inter-électrodes des composants semi-conducteurs de puissance Dans cette section, la méthode proposée dans cet article est appliquée pour caractériser l évolution des capacités inter-
6 Figure 8 Résultats de mesure de C rss du JFET SiC sous différents tensionsv DS et V GS électrodes d un JFET SiC «Normally-off» SJEP120R063 et d un MOSFET Si IRFP450. 3.1 Mesure des capacités inter-électrodes d un JFET SiC «Normally-off» Comme expliqué dans la section 1, C ds dans ce JFET peut être négligée à cause de sa structure, donc C gd peut être mesurée directement à l aide de cette méthode avec la variation de V DS et V GS quand le composant est bloqué. Une source d alimentation est utilisée pour varier la tension de V DS, et un réseau de stabilisation d impédance de ligne RSIL, ou LISN en anglais est utilisé pour maîtriser l impédance de cette source. L impédance de sortie du RSIL est de 100Ω dans notre cas et cette impédance est incluse dans les résultats de mesure des capacités inter-électrodes. Dans ce cas, la détermination de six paramètres [14 et 15] peut être effectuée par la configuration présentée dans la Figure 6 où R1 et R2 sont choisis avec les trois groupes de valeurs : 50Ω/50Ω, 50Ω/33Ω et 33Ω/50Ω. Alors, avec cette configuration, pour déterminer les six paramètres, l impédance du RSIL est incluse dans les paramètres Z setup1 et Z setup2. Un VNA Agilent E5071C, 9 khz ~ 4.5 GHz, une CIP FCC F-120-3, 10kHz~100MHz, deux CRPs FCC F35, 1kHz~100MHz ; EMC Test System 91550-2, 10kHz~150MHz, et un RSIL EMCO 3180/2, 9kHz~30MHz sont utilisés pour la mesure. Les capacités inter-électrodes sont déterminées à 1MHz. En dessous de 1MHz, l inductance mutuelle entre deux pinces de courant peut être négligée. La Figure 7 représente la configuration de mesure. Une pile est connectée entre G et S pour bloquer le JFET sous différentes tensions V GS négatives. Le courant injecté est divisé dans deux branches : dans une branche où se situe C gd, le courant est mesuré par une CRP et dans l autre branche où se situe C ds, le courant est mesuré par une autre CRP. La Figure 8 montre le résultat de mesure de C rss entre l analyseur d impédance et la méthode proposée dans cet article. Comme le montrent les résultats, les capacités inter-électrodes du JFET SiC évoluent avec V DS et V GS, alors que ce résultat n est pas donné dans la datasheet. Quand V GS = 0V et -9V, C rss mesurée par la méthode des trois pinces correspond bien avec celle de l analyseur d impédance lorsque V DS est inférieure à 40V, ce qui montre la validité de cette méthode en basse tension. En haute tension, quand les composants sont bloqués, leurs capacités inter-électrodes deviennent petites, et la sensibilité de cette méthode doit être prise en compte, ce qui a déjà fait l objet d une publication [12]. Cela montre que les résultats en haute tension de la Figure 8 sont également fiables. Par rapport à l analyseur d impédance dont la tension de polarisation V DS est limitée à 40V, la méthode des trois pinces permet d augmenter la tension V DS, qui est un paramètre important pour les composants SiC qui peuvent commuter en haute tension. 3.2 Mesure des capacités inter-électrodes d un MOSFET Si Quand les composants semi-conducteurs sont bloqués, la détermination des capacités inter-électrodes en haute tension est importante pour connaitre le niveau des perturbations des sources de bruit électromagnétique. Ainsi pour modéliser les commutations des transistors, les capacités inter-électrodes doivent être mesurées quand les composants sont dans la régime linéaire. Cette méthode est tout d abord appliquée pour un MOSFET Si. Quand le MOSFET est dans la régime linéaire, la mesure est faite pour V DS égale à 10V, V GS est réglée pour augmenter le courant dans le canal. Un dispositif de régulation de température est utilisé pour garder la température de jonction constante durant la mesure. La Figure 9 présente le résultat de mesure, qui montre l effet du courant de canal sur les capacités inter-électrodes du MOSFET. Ces résultats confirment l évolution des capacités inter-électrodes indiquées dans les travaux [13, 14]. Dans des futurs travaux, cette méthode sera utilisée pour mesurer les capacités inter-électrodes d un JFET SiC dans la régime linéaire afin de modéliser au mieux les composants semi-conducteurs de puissance pour étudier leur comportement durant les commutations.
7 ImpédanceΩ 1000 100 I=0A I=1A I=2A I=3A 0.5 1 1.5 0 Phase -50-90 -100 0.5 1 1.5 FréquenceMHz Figure 9 Résultats de mesure de C rss du MOSFET Si pour différentes valeurs du courant de canal 4 Conclusion Dans ce papier, nous avons présenté une méthode de mesure des capacités inter-électrodes des composants semi-conducteurs de puissance Si et SiC basée sur la méthode des trois pinces de courant. En utilisant une configuration de mesure simple, la méthode proposée apporte l isolation galvanique entre la source d alimentation et les équipements de mesure, ce qui permet de caractériser les capacités inter-électrodes sous différente tension de polarisation V DS élevée. Les résultats de mesure montrent la fiabilité de cette méthode. Par conséquent, cette méthode permet d obtenir des informations supplémentaires sur les propriétés des composants qui ne sont pas incluses dans une datasheet. Ces informations pourront ensuite servir à modéliser finement les composants semi-conducteurs de puissance. Références [1] S. Lefebvre and F. Miserey, Composants à semi-conducteur pour l électronique de puissance, Lavoisier, Ed. Lavoisier, 2004. [2] E. Platania, Z. Chen, F. Chimento, A. Grekov, R. Fu, L. Lu, A. Raciti, J. Hudgins, H. Mantooth, D. Sheridan, J. Casady, and E. Santi, A physics-based model for a SiC JFET accounting for electric-field-dependent mobility, Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 47, no. 1, pp. 199 211, jan.-feb. 2011. [3] L. Aubard, G. Verneau, J. Crebier, C. Schaeffer, and Y. Avenas, Power mosfet switching waveforms : an empirical model based on a physical analysis of charge locations, in Power Electronics Specialists Conference, 2002. pesc 02. 2002 IEEE 33rd Annual, vol. 3, 2002, pp. 1305 1310 vol.3. [4] Agilent Impedance Measurement Handbook, 4th ed., 2009. [5] Application note an-957 measuring hexfet mosfet characteristics. International Rectifier. [Online]. Available : http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-957.pdf [6] Z. Chen, D. Boroyevich, R. Burgos, and F. Wang, Characterization and modeling of 1.2 kv, 20 A SiC MOSFETs, in Energy Conversion Congress and Exposition, 2009. ECCE 2009. IEEE, sept. 2009, pp. 1480 1487. [7] T. Funaki, N. Phankong, T. Kimoto, and T. Hikihara, Measuring terminal capacitance and its voltage dependency for high-voltage power devices, Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 24, no. 6, pp. 1486 1493, june 2009. [8] Z.-N. Ariga, K. Wada, and T. Shimizu, TDR measurement method for voltage-dependent capacitance of power devices and components, Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 27, no. 7, pp. 3444 3451, july 2012. [9] R. Southwick and W. Dolle, Line impedance measuring instrumentation utilizing current probe coupling, Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactions on, vol. EMC-13, no. 4, pp. 31 36, nov. 1971. [10] K. Y. See and J. Deng, Measurement of noise source impedance of smps using a two probes approach, Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 19, no. 3, pp. 862 868, may 2004. [11] V. Tarateeraseth, B. Hu, K. Y. See, and F. Canavero, Accurate extraction of noise source impedance of an SMPS under operating conditions, Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 25, no. 1, pp. 111 117, jan. 2010. [12] K. Li, A. Videt, and N. Idir, Multi-Probe Measurement Method for Voltage-Dependent Capacitances of Power Semiconductor Devices in High Voltage Accepté et à publier, Power Electronics, IEEE Transactions on, 2013.
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