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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
CHAPTIRE 4 PROCEDURE DE VALIDATION
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
4.1. Objectif
Les résultats de simulation ne sont acceptables qu’avec la condition d’une
modélisation précise. Une première étape a été de définir des méthodes d’extraction de
paramètres des modèles.
L’identification est un problème mathématique complexe. Ce travail est réalisé en
ne prenant en compte que quelques résultats expérimentaux sur le fonctionnement du
composant, dans les cas réputés les plus pertinents. Or la simulation d’un circuit conduit
à estimer des résultats pour des conditions de fonctionnement très différentes de celles
retenues durant la phase d’identification des paramètres du modèle.
Les procédures d’extraction de paramètres des modèles, pour la diode PiN, le
transistor MOSFET de puissance et l’IGBT, sont présentées dans le chapitre précédent.
Il se confirme que les résultats de validation sont très satisfaisants dans les conditions
retenues par l’identification.
Cependant, la confiance dans les résultats de simulation ne repose que sur la
connaissance quantifiée de la validité du couple modèle-paramètres identifiés. Il est
nécessaire de valider systématiquement un modèle avec ses paramètres identifiés.
La méthode traditionnelle est de faire un rapprochement entre l’expérience et la
simulation en fixant les mêmes conditions d’application. Par exemple, dans le chapitre
précédent, pour vérifier les paramètres identifiés de modèle de la diode PiN par la
méthode d’optimisation, nous comparons les courbes électriques en commutation à
l’ouverture entre l’expérience et la simulation dans les mêmes conditions (IF,VR).
Un circuit incluant deux composants IGBT dans le même bras [Berning-98]
[Githiari-99] était présenté pour la validation de modèle Hefner. Cette méthode montre
un avantage pour étudier le comportement du temps mort pendant la phase de transition
entre deux IGBTs. Mais, comme nous avons cité, il nous offre les résultats dans les cas
particuliers. D’autre part, il ne peut pas répondre à l’exigence de réalité. Puisque la
phase de transition normale fonctionne entre une diode rapide de puissance et un
l’IGBT.
Nous avons donc développé de nouvelles procédures de validation pour des
modèles de la diode PiN [Mi-01], du transistor MOSFET de puissance et de l’IGBT.
Cette procédure exploite des caractéristiques dynamiques (tension, courant) lors de la
fermeture et de l’ouverture des composants de puissance dans une cellule de
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commutation. Il s’agit de fournir une carte du domaine de validité pour vérifier un bon
accord entre l’expérience et la simulation dans un très grand nombre de conditions de
fonctionnement du composant de puissance.
Cette méthode va complètement changer le processus de développement d’un
modèle de composants de puissance. En effet, elle nous permettra :
− d’améliorer de façon systématique les modèles de composant ;
− d’améliorer les procédures d’identification (choix des conditions de comparaison) ;
− de fournir le domaine de validité du couple modèle-paramètres, notion
indispensables à une véritable CAO des circuits de puissance.
4.2 Procédure générale de la validation
Pour de raisons de portabilité et de pérennité, nous avons choisi le langage JAVA
pour la procédure de validité. Elle comporte trois étapes :
− Acquisition des données expérimentales ;
− Acquisition des données simulées ;
− Comparaison de ces résultats.
• Acquisition des données expérimentales
Cette partie du logiciel consiste à commander des instruments et des alimentations,
à saisir des résultats expérimentaux et ensuite à extraire les paramètres transitoires
caractérisant les courbes électriques. Dans notre cas, cette partie a été réalisée sur un PC
sous Window 98.
Nous utilisons le même banc de test (figure 4.1) que celui utilisé par l’extraction
des paramètres de la diode PiN qui permet de contrôler facilement le courant IF et la
tension VR à l’aide du bus GPIB. Le composant étudié varie: D pour une diode PiN et
M1 pour un MOSFET ou un IGBT.
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
Figure 4.1 Circuit de test de validation pour les composants de puissance
Le courant IF et la tension VR sont fixés automatiquement par le programme
JAVA, et transmis au banc de test. Les paramètres de la commutation sont extraits
automatiquement à partir des ondes de courant et de tension saisis sur l’oscilloscope.
Chaque mesure correspond à des valeurs qui spécifient les conditions expérimentales.
Tout le domaine (IF, VR) peut ainsi être balayé, pour des valeurs fixées de l’inductance
de maille LD, de la température de jonction, et du circuit de commande. A la fin, un
fichier de données de type texte est fourni par le logiciel. La table 4.1 montre un
exemple des données tRR dans ce fichier. La colonne correspond à les tensions VR et les
lignes correspondent aux courants IF.
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 2550,5 24,2 20 17,8 15,9 14,7 13,8 13,2 12,7 12,2 12 11,8 11,7 11,5 11,6 11,7 11,5 11,61 31,1 25,9 22,8 20,5 19,2 18 17 16,4 15,9 15,5 15,4 15,4 15,1 15,3 15,2 15 15,1
1,5 36,3 30,1 27 24,3 22,6 21,1 20,1 19,5 19 18,6 18,5 18,2 18,1 18 17,9 17,9 17,92 40,8 33,9 30,2 27,6 25,5 23,9 22,8 22 21,5 21,1 20,7 20,4 20,5 20,5 20,4 20,6 20,5
2,5 44,8 36,8 32,9 30,3 28 26,4 25,1 24,1 23,6 23,2 23 22,8 22,7 22,7 22,6 22,7 22,73 48,6 39,9 35,6 32,6 30,4 28,5 27,1 26,3 25,6 25,3 25,2 24,8 24,7 24,6 24,5 24,7 24,7
3,5 52 42,6 37,8 34,8 32,3 30,5 29,2 28,3 27,6 27,2 27 26,6 26,6 26,5 26,6 26,5 26,74 55,4 44,8 40 36,8 34,4 32,3 30,9 30 29,4 29 28,5 28,2 28,3 28,3 28,2 28,5 28,6
4,5 58,1 47,2 42,1 38,6 36,1 34,2 32,7 31,6 31,1 30,3 30,3 30 29,9 29,8 29,8 29,8 30,15 60,7 49,4 44 40,4 37,7 35,7 34,3 33,3 32,5 32,1 31,8 31,6 31,4 31,5 31,5 31,4 31,4
5,5 63,2 51,1 45,8 42 39,4 37,4 35,8 34,6 34 33,5 33,1 33 32,9 32,7 32,8 32,8 336 65,8 53,4 47,5 43,6 41,1 38,8 37,2 36,1 35,4 34,9 34,8 34,3 34,3 34,2 34,1 34,2 34,3
6,5 68,4 55,2 49,3 45,3 42,3 40,3 38,6 37,5 36,7 36,3 36 35,8 35,5 35,5 35,4 35,7 35,77 70,3 57 50,8 46,9 43,9 41,8 39,9 38,8 38,1 37,7 37,4 36,9 36,8 36,7 36,9 37 37
7,5 72,9 59,3 52,3 48,3 45,4 43,1 41,3 40 39,2 38,7 38,4 38,2 38,1 38 38,1 38,2 38,38 74,8 60,3 53,9 49,6 46,6 44,4 42,5 41,4 40,6 40 39,6 39,3 39,3 39,3 39,2 39,3 39,5
8,5 77,2 62,5 55,3 51 48,1 45,6 43,9 42,8 41,7 41 40,5 40,5 40,3 40,4 40,4 40,7 40,9
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9 79,7 64 56,8 52,6 49,3 46,9 44,8 43,9 42,7 42,3 41,9 41,7 41,6 41,7 41,7 41,9 41,9
9,5 81,1 65,7 58,3 53,8 50,5 48,3 46,2 45 44,2 43,5 43,2 42,9 42,8 42,9 42,9 43 43,310 83,1 67,4 59,8 54,8 51,8 49,3 47,5 46 45,2 44,7 44 43,9 43,8 43,9 43,9 44,1 44,4
Table 4.1 Résultats expérimentaux de validation tRR (ns) pour une diode de puissance
D=BYT12PI600 (M1=IRF740, LD=100nH, T=295K, Vg=15V,Rg=10W, Lg=5nH)
Nous utilisons le logiciel origine pour visualiser ces données. La figure 4.2
montre les valeurs de grandeur tRR à partir du tableau 4.1. La figure 4.3 est une
cartographie représentant les mêmes valeurs.
Figure 4.2 Valeurs expérimentales dans tout le domaine (tRR)
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Figure 4.3 Cartographie expérimentale (tRR)
• Acquisition des données simulées
La simulation du circuit de mesure (figure 4.1) est exécutée par le simulateur
(PACTE ou DESSIS pour la diode PiN, PACTE pour le MOSFET et l’IGBT) qui
supporte le modèle dont on cherche le domaine de validité. Nous constatons que le
fonctionnement de M2, un IGBT qui permet d’éviter le problème d’échauffement,
dans le circuit de test n’influence pas la caractéristique dynamique à l’instant de
commutation. Nous supprimons ce composant en vue d’éviter la complexité de la
simulation. Le circuit simulé est donc donnée à la figure 4.4. Les paramètres sont Rg,
Lg, Vg pour la commande du MOS, les références des composants D, M, l’inductance
LD et les conditions expérimentale (IF, VR).
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Figure 4.4 Cellule de commutation pour la simulation
Un logiciel en JAVA qui permet de lancer un processus de simulation sous Unix
en changeant les valeurs de sources IF et VR a été développé. La figure 4.5 montre
l’utilisation de ce logiciel pour DESSIS. D’abord, le programme ″validation.jar″ crée le
fichier d’entrée de DESSIS. Il fait varier les valeurs d’excitation IF et VR. Ensuite, ce
programme lance et surveille automatiquement la simulation DESSIS. Une fois la
simulation terminée, le programme lit le fichier de résultats qui constitue les ondes de
courant et de tension et extrait les paramètres transitoires, de la même manière que sont
traitées les données expérimentales. L’acquisition se poursuit en suivant l’évolution de
IF et VR, conformément aux valeurs expérimentales.
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
Figure 4.5 Itération de processus
Nous notons au passage l’intérêt de JAVA, car la procédure pour extraire les
paramètres transitoires est utilisée dans le programme de saisie expérimentale (sous
PC/Windows) et dans le programme de simulation en chaîne (sous station SUN/Unix).
• Comparaison des résultats
Les jeux de paramètres de commutation correspondant aux résultats
expérimentaux et simulés sont confrontés. Les différences relatives, qui sont définis
ci-dessous, sont reportées sur une cartographie du domaine.
( ) ( )( )
m sr
m
y x y xy x
δ −= 4-1
avec ym les grandeurs expérimentales
ys les grandeurs de simulation
Pour faciliter la comparaison, nous définissons d0, d1, d2 les trois variables qui
tiennent compte de toutes les grandeurs.
0 max( )rδ = δ
δ
4-2
1 rδ =∑ 4-3
22 rδ = δ∑ 4-4
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4.3 Validation du modèle de la diode PiN de puissance
4.3.1 Résultat avec le modèle de PACTE Pour compléter l’approche développée précédemment, on se propose d’étudier de
manière expérimentale le comportement électrique de la diode PiN.
En utilisant les paramètres identifiés du modèle de la diode BYT12PI600 ( table
4.3 ) et celles du modèle du transistor MOSFET IRF740 ( table 4.4), nous pouvons
obtenir les valeurs de quatre grandeurs (tRR, IRM, VRM, dIF/dt) qui sont définies dans le
premier chapitre. Toutes les données ont été produites avec les caractéristiques suivantes
du banc de test: inductance de maille LD=80nH, circuit de commande du MOSFET
IRF740 Vg=15V, Rg=10Ω, Lg=5nH.
Surface effective
Largeur de la base
Dopage de la base
Durée de vie ambipolaire dans la base
Paramètre empirique1
Paramètre empirique 2
A W ND τ α τD 4,7mm2 37,6um 3,12e14cm-3 103,5ns 0,0224 16,1ns
Table 4.3 Paramètres du modèle de la diode PiN (BYT12PI600) identifiés dans les
conditions (IF=2A, VR=40V), (IF=2A, VR=100V) et (IF=2A, VR=150V)
Signification physique Symbole Valeur Surface équivalente de l’espace grille-drain AGD 12mm2
Concentration de la base NB 8,48e14cm-3
Tension de seuil VT 3,77V Transconductance de la région linéaire de la
caractéristique statique du MOSFET KPLIN 5,45A/V2
Transconductance de la région de saturation de la caractéristique statique du MOSFET
KPSAT 16,1A/V2
Facteur de correction permettant de prendre en compte le champs transversal
THETA 1,66V
Résistance de drain RD 0,2Ω Résistance de source RS 1mΩ Résistance de grille RG 1Ω
Résistance de drain-source RDS 300kΩ Courant de saturation de la jonction de l’émetteur IS 1pA
Capacité de grille-source CGS 4,02nF Capacité de gate-drain COXD 1,55nF
Capacité de drain-source à VDS=0V CDS 2,4nF Coefficient empirique MJ 0,5 Coefficient empirique FC 0,5 Potentiel de la base PN PB 1V
Température de jonction T 300K Table 4.4 Paramètres dans le modèle du transistor MOSFET (2KP)
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Les figures 4.6 à 4.13 donnent respectivement les valeurs simulées et mesurées de
tRR, IRM, VRM, dIF/dt dans le domaine d’application. Les erreurs relatives entre les
valeurs de la simulation et de l’expérience dans tout le domaine sont aussi données.
• temps de recouvrement inverse, tRR
a)expérience b)simulation
Figure 4.6 Cartes de résultat expérimental et de simulation (tRR) pour la diode PiN
BYT12PI600 avec les paramètres du modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF):
(40V, 2A), (100V,2A) et (150V, 2A)
Figure 4.7 Domaine de validité (tRR) pour la diode PiN BYT12PI600 avec les paramètres du
modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF): (40V, 2A), (100V,2A) et (150V, 2A)
• courant inverse maximal, IRM
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a)expérience b)simulation
Figure 4.8 Cartes de résultat expérimental et de simulation (IRM) pour la diode PiN
BYT12PI600 avec les paramètres du modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF):
(40V, 2A), (100V,2A) et (150V, 2A))
Figure 4.9 Domaine de validité (IRM) pour la diode PiN BYT12PI600 avec les paramètres du
modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF): (40V, 2A), (100V,2A) et (150V, 2A)
• tension inverse maximale, VRM
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a)expérience b)simulation
Figure 4.10 Cartes de résultat expérimental et de simulation (VRM) pour la diode PiN
BYT12PI600 avec les paramètres du modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF):
(40V, 2A), (100V,2A) et (150V, 2A)
Figure 4.11 Domaine de validité (VRM) pour la diode PiN BYT12PI600 avec les paramètres
du modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF): (40V, 2A), (100V, 2A) et
(150V,2A)
• pente de la décroissance du courant direct, dIF/dt
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a)expérience b)simulation
Figure 4.12 Cartes de résultat expérimental et de simulation (dIF/dt) pour la diode PiN
BYT12PI600 avec les paramètres du modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF):
(40V, 2A), (100V,2A) et (150V, 2A))
Figure 4.13 Domaine de validité (dIF/dt) pour la diode PiN BYT12PI600 avec les paramètres
du modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF): (40V, 2A), (100V, 2A) et
(150V,2A)
Conclusion
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Les cartes sur tRR, IRM sont très semblables entre la simulation et l’expérience.
Mais la carte VRM montre clairement une différence entre la simulation et l’expérience.
Cela est dû à un problème de modélisation en partie sur la diode PiN.
Mais d’autre travaux, la thèse de Hatem Garrab par exemple, montre que la
modélisation du câblage et des couplages électro-magnétiques sont importants.
On voit l’intérêt de tracer les cartes des paramètres transitoires, car elles mettent
en évidence les problèmes de modélisation.
4.3.2 Résultat avec DESSIS Les même paramètres incluant ceux de la diode et du MOSFET ont été
introduites dans le modèle du simulateur DESSIS. Les figures 4.14 à 4.21 montrent les
cartes de résultat et les domaines de validité.
• temps de recouvrement inverse, tRR
Figure 4.14 Carte de résultat de simulation (tRR) pour la diode PiN BYT12PI600 avec les
paramètres du modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF): (40V, 2A), (100V,2A)
et (150V, 2A)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
Figure 4.15 Domaine de validité (tRR) pour la diode PiN BYT12PI600 avec les paramètres du
modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF): (40V, 2A), (100V,2A) et (150V, 2A)
• courant inverse maximal, IRM
Figure 4.16 Carte de résultat de simulation (IRM) pour la diode PiN BYT12PI600 avec les
paramètres du modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF): (40V, 2A), (100V,2A)
et (150V, 2A)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
Figure 4.17 Domaine de validité (IRM) pour la diode PiN BYT12PI600 avec les paramètres du
modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF): (40V, 2A), (100V,2A) et (150V, 2A)
• tension inverse maximale, VRM
Figure 4.18 Carte de résultat de simulation (VRM) pour la diode PiN BYT12PI600 avec les
paramètres du modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF): (40V, 2A), (100V,2A)
et (150V, 2A)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
Figure 4.19 Domaine de validité (VRM) pour la diode PiN BYT12PI600 avec les paramètres
du modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF): (40V, 2A), (100V,2A) et (150V,
2A))
• pente de la décroissance du courant direct, dIF/dt
Figure 4.20 Carte de résultat de simulation (dIF/dt) pour la diode PiN BYT12PI600 avec les
paramètres du modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF): (40V, 2A), (100V,2A)
et (150V, 2A))
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
Figure 4.21 Domaine de validité (dIF/dt) pour la diode PiN BYT12PI600 avec les paramètres
du modèle (table 4.3) identifiés dans les conditions (VR, IF): (40V, 2A), (100V,2A) et (150V,
2A))
Conclusion
Les cartes et les domaines de validité des simulations DESSIS pour la diode PiN
montre qu’il y a un bon accord pour tRR, IRM et VRM, notamment pour VRM par rapport à
celui du modèle de PACTE.
C’est normal, car la simulation par éléments finis (DESSIS) fait beaucoup moins
d’approximation. Toutefois le domaine de validité à 10% n’est pas aussi vaste qu’on
pourrait l’espérer. En effet le travail actuel au CEGELY dans le que le cadre de la thèses
de Hatem Garrab montre que la câblage joue grandement sur la qualité des résultat.
4.3.3 Comparaison des résultats entre PACTE et DESSIS Nous choisissons les trois grandeurs tRR, IRM, VRM et les appliquons aux équations
4-2, 4-3, 4-4. En notant:
max max( , , )RR RM RMt I Vδ δ δ= δ 4-5
2 2 2RR RM RMsqrt t I Vδ δ δ δ= + + 4-6
RR RM Rsum t I Vδ δ δ δ= + +M
4-7
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
Cela nous permet de comparer les résultats de PACTE et ISE. Les figures 2.22,
2.23 et 2.24 montrent les cartes pour , maxδ sqrtδ et sumδ .
a)PACTE b)DESSIS
Figure 4.22 Domaine de validité maxδ
a)PACTE b)DESSIS
Figure 4.23 Domaine de validité sqrtδ
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
a)PACTE b)DESSIS
Figure 4.24 Domaine de validité sumδ
Conclusion
Si l’on considère comme domaine de validité avec une erreur globale ,
à partir de figures 4.23, il est facile de constater que le domaine de DESSIS est plus
grand que celui de PACTE. C’est logique grâce à la méthode des éléments finis utilisés
dans DESSIS. En revanche, le coût de calcul de ISE (plusieurs jours) est beaucoup plus
cher que celui de PACTE (quelques heures)
20%sqrtδ <
Cependant, le résultat de DESSIS n’est pas satisfaisant dans tout le domaine
d’application. Car le couple modèle-paramètres de la diode n’est pas parfait.
Nous avons donc défini des méthodes de caractérisation de la précision d’un
modèle de composant: la carte de précision sur un critère précis comme IRM. Nous avons
aussi vu que nous pouvions définir le domaine de validité avec un seuil de précision: par
exemple 20%. Enfin nous venons de voir que ces nouveaux outils permettaient une
véritable comparaison entre différents modèles d’un même composant.
4.4 Validation pour le modèle du transistor MOSFET
En utilisant le même banc de validation que pour la diode PiN, nous pouvons concevoir
la procédure de validation pour le modèle du transistor MOSFET. Cette procédure est plus
complexe en raison du nombre très élevé de paramètres transitoires.
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
Nous n’étudions que la commutation à l’ouverture pour le transistor MOSFET. Puisque
lors de la commutation à la fermeture du MOSFET, la diode PiN subit une commutation à
l’ouverture, et influence grandement le comportement du MOSFET en raison de l’existence
du temps de recouvrement. Il est donc nécessaire de considérer les couples modèles-
paramètres du MOSFET et de la diode PiN en même temps. Cela augmente la difficulté.
D’autre part, la durée de la commutation à la fermeture est court. Les précisions des
résultats mesurés sont affectées par les perturbations.
Enfin, dans la pratique, la phase de la commutation à la fermeture du MOSFET est
moins importante que celle de la commutation à l’ouverture. Beaucoup de problèmes qui
peuvent influencer le fonctionnement du circuit de puissance, comme le pic de tension, le
délai, se révèlent surtout dans la commutation à l’ouverture.
Avec les paramètres de la diode PiN (table 4.5), nous montrons les cartes du délai td(ON)
de la commutation à l’ouverture à la figure 4.25 pour un MOSFET IRF740 dont les
paramètres du modèle sont affichés dans la table 4.6. Les autres conditions du banc de test
sont: LD=200nH, circuit de commande MOSFET IRF740 Vg=15V, Rg=100Ω, Lg=5nH. La
figure 4.26 est son domaine de validité. Nous pouvons remarquer qu’un bruit important
perturbe l’analyse.
Surface effective
Largeur de la base
Dopage de la base
Durée de vie ambipolaire dans la base
Paramètre empirique1
Paramètre empirique 2
A W ND τ α τD 4,8mm2 32,6um 4,1e14cm-3 83,4ns 0,01 19,9ns
Table 4.5 Paramètres du modèle de la diode PiN (BYT12PI600) utilisées pour la
validation du MOSFET IRF740
Signification physique Symbole Valeur
Surface équivalente de l’espace grille-drain AGD 6,6mm2
Concentration de la zone épitaxiée NB 4,35e14cm-3
Tension de seuil VT 3,76V Transconductance de la région linéaire de la caractéristique statique du MOSFET
KPLIN 5,19A/V2
Transconductance de la région de saturation de la caractéristique statique du MOSFET
KPSAT 12,5A/V2
Facteur de correction permettant de prendre en compte le champs transversal
THETA 2V
Résistance de drain RD 0,17Ω Résistance de source RS 1mΩ Résistance de grille RG 1Ω Résistance de drain-source RDS 300kΩ Courant de saturation de la jonction de l’émetteur IS 1pA
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113
Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
Capacité de grille-source CGS 1,88nF Capacité de gate-drain COXD 2,82nF Capacité de drain-source CDS 1,875nF Coefficient empirique MJ 0,5 Coefficient empirique FC 0,5 Potentiel de la base PN PB 1V Température de jonction T 300K
Tableur 4.6 Paramètres du modèle du transistor MOSFET (2KP) IRF740
utilisées pour la validation
a)expérience
b)simulation
Figure 4.25 Carte de résultat expérimental et de simulation (td(ON)) pour le MOS IRF740 avec
les paramètres du modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
Figure 4.26 Domaine de validité (td(ON)) pour MOS IRF740 avec les paramètres du modèle
(table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
Les images de la figure 4.27 à la figure 4.42 montrent les cartes de paramètres
transitoires typiques et ses domaines de validité. Ces paramètres transitoires ont été
définis dans le premier chapitre(table 1.4).
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
• Délai à l’ouverture, td(OFF)
a)expérience b)simulation
Figure 4.27 Cartes de résultat expérimental et de simulation (td(OFF)) pour le MOS IRF740
avec les paramètres du modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
Figure 4.28 Domaine de validité (td(OFF)) pour le MOS IRF740 avec les paramètres du
modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
• Temps de la montée du courant iD, tfi
b)simulation
Figure 4.29 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (tfi) pour le MOS IRF740 avec
les paramètres du modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
Figure 4.30 Domaine de validité (tfi) pour le MOS IRF740 avec les paramètres du modèle
(table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
• Temps de la montée de la tension vDS, trv
a)expérience b)simulation
Figure 4.31 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (trv) pour le MOS IRF740
avec les paramètres du modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
Figure 4.32 Domaine de validité (trv) pour le MOS IRF740 avec les paramètres du
modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
• Niveau de l’effet Miller,Vmiller(OFF)
a)expérience b)simulation
Figure 4.33 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (Vrmiller(OFF)) pour le MOS
IRF740 avec les paramètres du modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V,
IF=2.1A)
Figure 4.34 Domaine de validité (Vmiller(OFF)) pour le MOS IRF740 avec les paramètres du
modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
• Valeur maximale de la tension aux bornes de drain et source, VDSmax(OFF)
a)expérience b)simulation
Figure 4.35 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (VDSmax) pour le MOS IRF740
avec les paramètres du modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
Figure 4.36 Domaine de validité (VDSmax) pour le MOS IRF740 avec les paramètres du
modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
• Charge stockée dans la grille, QG(OFF)
a)expérience b)simulation
Figure 4.37 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (QG) pour le MOS IRF740
avec les paramètres du modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
Figure 4.38 Domaine de validité (QG) pour le MOS IRF740 avec les paramètres du modèle
(table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
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121
Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
• Pente du courant de la descente, diD/dt(OFF)
a)expérience b)simulation
Figure 4.39 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (diD/dt(OFF)) pour le MOS
IRF740 avec les paramètres du modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V,
IF=2.1A)
Figure 4.40 Domaine de validité (diD/dt(OFF)) pour le MOS IRF740 avec les paramètres du
modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
• Pente de la tension de la croissance, dVDS/dt(OFF)
a)expérience b)simulation
Figure 4.41 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (dVDS/dt(OFF)) pour le MOS
IRF740 avec les paramètres du modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V,
IF=2.1A)
Figure 4.42 Domaine de validité (dVDS/dt(OFF)) pour le MOS IRF740 avec les paramètres du
modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
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123
Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
Conclusion
Nous pouvons observer que les paramètres transitoires, comme le niveau de l’effet
Miller Vmiller(OFF) et les valeurs de la tension VDsmax(OFF), sont parfaitement conformes.
En revanche, d’autres paramètres transitoires ne sont pas bien correspondants. Mais
nous pouvons toujours trouver un domaine de validité réduit.
• Domaine d’erreurs relatives
Nous construisons les erreurs relatives globales en adoptant les quatre grandeurs
les plus importantes td(OFF), tfi, trv, VDS(OFF) pour chercher le domaine de validité le plus
valable. Soit:
( ) max( )max max( , , , )d OFF fi rv DS OFFt t t Vδ δ δ δ δ= 4-8
( ) max( )
2 2 2 2d OFF fi rv DS OFFsqrt t t t Vδ δ δ δ δ= + + + 4-9
( ) max( )d OFF fi rv DS OFFsum t t t Vδ δ δ δ δ= + + + 4-10
Les figures 4.38, 4.39 et 4.40 nous donnent un domaine de validité situé dans la
zone de tension 50V à 150V.
Figure 4.43 Domaine de validité pour le MOS IRF740 avec les paramètres du modèle
(table 4.6) identifiés dans la condition (V
maxδ
R=150V, IF=2.1A)
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124
Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
Figure 4.44 Domaine de validité sqrtδ pour le MOS IRF740 avec les
paramètres du modèle (table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V,
IF=2.1A)
Figure 4.45 Domaine de validité sumδ pour le MOS IRF740 avec les paramètres du modèle
(table 4.6) identifiés dans la condition (VR=150V, IF=2.1A)
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125
Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
4.5 Validation du modèle de l’IGBT
Pour la même raison que le transistor MOSFET, nous étudions uniquement la
phase de la commutation à l’ouverture.
Les tables 4.7 et 4.8 montrent les paramètres des modèles de la diode PiN et de
l’IGBT utilisés dans le simulateur PACTE. Les autres conditions du banc de test sont:
LD=200nH, circuit de commande de l’IGBT, Vg=15V, Rg=385Ω, Lg=5nH
Les figures 4.46 à la figure 4.63, montrent les résultats des paramètres
transitoires définis dans le chapitre 1.
Surface effective
Largeur de la base
Dopage de la base
Durée de vie ambipolaire dans la
base
Paramètre empirique1
Paramètre empirique 2
A W ND τ α τD 4,8mm2 40,6um 2,88e14cm-3 120ns 0,01 20,1ns
Table 4.7 Paramètres du modèle de la diode PiN (BYT12PI600) utilisées pour la
validation de l’IGBT (BUP202)
Signification physique Symbole Unité Surface active de l’IGBT A 0,11cm2
Surface équivalente de l’espace de grille-drain du MOSFET Agd 6cm2 Longueur totale de base Wb 176um Tension de seuil du MOSFET Vth 6,5V Tension de seuil de la zone de désertion grille-drain Vtd -0,5V Transconductance de la région linéaire de la caractéristique
statique du MOSFET Kplin0 1,8A/V2
Transconductance de la région de saturation de la caractéristique statique du MOSFET
Kpsat0 0,8A/V2
Capacité grille-source Cgs 0,48nF Capacité de l’oxyde de grille-drain COXD 1,59nF Courant de saturation de la jonction de l’émetteur Isne 550e-14ADuré de vie des porteurs minoritaires dans la base en forte
injection tau_HL 12,5us
Concentration de la base Nb 40e13cm-3
Constante empirique BVf 1024 Constante empirique BVn 100 Facteur de correction permettant de prendre en compte le champ
transversal dans le MOSFET teta1 110V
Table 4.8 Paramètres du modèle de l’IGBT (NPT) BUP202 (Hefner) pour la validation
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126
Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
• Délai à l’ouverture td(OFF), td(OFF)
a)expérience b)simulation
Figure 4.46 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (td(OFF)) pour l’IGBT BUP202
avec les paramètres du modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
Figure 4.47 Domaine de validité (td(OFF)) pour l’IGBT BUP202 avec les paramètres du
modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
• Temps de la descente du courant iC, tfi
a)expérience b)simulation
Figure 4.48 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (tfi) pour l’IGBT BUP202
avec les paramètres du modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
Figure 4.49 Domaine de validité (tfi) pour l’IGBT BUP202 avec les paramètres du modèle
(table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
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128
Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
• Temps de la montée de la tension vCE, trv
a)expérience b)simulation
Figure 4.50 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (trv) pour l’IGBT BUP202
avec les paramètres du modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
Figure 4.51 Domaine de validité (trv) pour l’IGBT BUP202 avec les paramètres du modèle
(table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
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129
Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
• Niveau de l’effet Miller Vmiller(OFF)
a)expérience b)simulation
Figure 4.52 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (Vmiller(OFF)) pour l’IGBT
BUP202 avec les paramètres du modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V,
IF=9,6A)
Figure 4.53 Domaine de validité (Vmiller(OFF)) pour l’IGBT BUP202 avec les paramètres du
modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
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130
Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
• Valeur maximale de la tension aux bornes de collecteur-emitteur, VCemax(OFF)
a)expérience b)simulation
Figure 4.54 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (VCEmax(OFF)) pour l’IGBT
BUP202 avec les paramètres du modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V,
IF=9,6A)
Figure 4.55 Domaine de validité (VCEmax(OFF)) pour l’IGBT BUP202 avec les paramètres du
modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
• Niveau de queue du courant, Iq
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
a)expérience b)simulation
Figure 4.56 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (Iq) pour l’IGBT BUP202
avec les paramètres du modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
Figure 4.57 Domaine de validité (Iq) pour l’IGBT BUP202 avec les paramètres du modèle
(table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
• Charge stockée dans la grille, QG(OFF)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
a)expérience b)simulation
Figure 4.58 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (Qg) pour l’IGBT BUP202
avec les paramètres du modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
Figure 4.59 Domaine de validité (Qg) pour l’IGBT BUP202 avec les paramètres du modèle
(table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
• Pente du courant de la descente, diC/dt(OFF)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
a)expérience b)simulation
Figure 4.60 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (diC/dt(OFF)) pour l’IGBT
BUP202 avec les paramètres du modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V,
IF=9,6A)²
Figure 4.61 Domaine de validité (diC/dt(OFF)) pour l’IGBT BUP202 avec les paramètres du
modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
• Pente de la tension de la croissance, dvCE/dt(OFF)
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
a)expérience b)simulation
Figure 4.62 Cartes de résultats expérimentaux et de simulation (dVCE/dt(OFF)) pour l’IGBT
BUP202 avec les paramètres du modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V,
IF=9,6A)
Figure 4.63 Domaine de validité (dVCE/dt(OFF)) pour l’IGBT BUP202 avec les paramètres du
modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
• Domaine d’erreurs relatives
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Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
Nous choisissons les même erreurs relatives globales que pour le MOSFET de
puissance. Ainsi en adoptant les quatre grandeurs les plus importantes td(OFF), tfi, trv,
VDS(OFF), cela nous donne les domaines de validité de la figure 4.64.
a) maδ b) x sqrtδ
c) sumδ
Figure 4.64 Domaine des validités , maxδ sqrtδ et sumδ pour l’IGBT BUP202 avec les
paramètres du modèle (table 4.8) identifiés dans les conditions (VR=150V, IF=9,6A)
Conclusion
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136
Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
A partir de ces cartes et de ces domaines de validité, nous pouvons remarquer
que les paramètres transitoires, comme td(OFF) et Vmiller(OFF), sont parfaitement
conformes. D’autres paramètres, comme VCEmax(OFF), QG(OFF), diC/dt(OFF) et
dvCE/dt(OFF), ont les mêmes tendances. Les résultats des autres paramètres ne sont pas
très bons, cela vient du problème du modèle de l’IGBT ou du câblage.
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137
Extraction des paramètres et domaine de validité du modèle d’un composant de puissance
4.6 Conclusion
Dans ce chapitre, une nouvelle procédure de validation pour le couple de
modèle-paramètres d’un composant de puissance a été présentée. Cette procédure
surmonte le problème de la méthode classique: il nous montre la validité dans tout le
domaine d’application. Cela va nous aider d’améliorer le modèle et les paramètres
d’un modèle d’un composant.
Nous avons employé cette procédure aux couples de modèle-paramètres de la
diode PiN, du MOSFET et de l’IGBT. Les cartes de résultat et les domaines de
validité révèlent l’intérêt de cette méthode.
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