Soutenance mémoire
Les principaux acteurs du domaine des transports travaillent aujourd’hui sur la réduction de la consommation d’énergie fossile afin de diminuer les coûts ainsi que les émissions polluantes. Cette diminution de la consommation passe par un allégement et une miniaturisation des systèmes. Pour y parvenir une des solutions est l’utilisation de l’énergie électrique de façon partielle ou totale. En plus de diminuer l’impact sur l’environnement, la multiplication des systèmes électriques embarqués permet d’améliorer le confort des passagers, la sécurité, la maîtrise de l’énergie, et le coût. Cette énergie électrique est de plus en plus présente dans les domaines de l’aéronautique, du naval et de l’automobile.
Les différents niveaux d’hybridation automobile
Un véhicule hybride est un véhicule utilisant deux modes de génération d’énergie, aujourd’hui la technologie d’hybridation la plus mature est celle qui associe un moteur thermique à une motorisation électrique on parle dans ce cas d’hybridation thermique/électrique. Le développement de ce type de véhicule s’est intensifié depuis 1997 date de sortie de la première Toyota Prius hybride. A cette époque les véhicules hybrides étaient principalement classés selon leur type d’hybridation: série ou parallèle. L’hybridation de type série possède un moteur thermique qui n’est pas directement lié à la transmission, ce moteur va générer de l’électricité grâce à l’alternateur qui va ensuite recharger la batterie et cette énergie sera utilisée par le moteur électrique qui transmettra le couple aux roues du véhicule. Pour l’hybridation parallèle les moteurs thermique et électrique sont directement liés à la transmission ce qui permet d’utiliser au choix moteur thermique ou électrique pour la propulsion selon la puissance à délivrer. Aujourd’hui les véhicules hybrides thermique/électrique sont tous équipés d’un moteur thermique, d’un moteur électrique, d’un onduleur, d’une batterie, et sont classés en fonction de leur niveau d’hybridation c’est-à-dire en fonction du degré d’électrisation de la gestion et du stockage de l’énergie, on parle de véhicule hybride léger, semi hybride ou bien hybride intégral.
L’hybride léger ou Micro-hybride
Le premier niveau d’hybridation, le micro-hybride, est le plus économique et le plus simple à implanter mais il ne permet pas d’utiliser seul le moteur électrique pour la traction du véhicule. La puissance électrique de ces systèmes est comprise entre 3kW et 5kW.
L’alterno-démarreur
Les véhicules équipés de la technologie Stop & Start n’ont plus a proprement parlé de démarreur et d’alternateur mais un alterno-démarreur fixé à la place de l’alternateur classique et relié au moteur par une courroie crantée. En mode moteur, la machine permet de démarrer le moteur thermique et en mode alternateur elle recharge la batterie [CHA07] [RIC07]. En plus de combiner les fonctions classiques de démarreur et de générateur de puissance électrique, ce système permet lors d’un court arrêt du véhicule (stop, feux de signalisation, embouteillages…) de couper le moteur thermique au lieu de le faire tourner au ralenti, puis de le redémarrer lorsque l’accélérateur est enclenché ou bien lorsque la pédale de frein est relâchée. Pendant la veille du moteur, le véhicule ne consomme pas de carburant et n’émet pas de gaz polluants. Ce système permet de diminuer le bruit et les vibrations lors de l’arrêt tout en gardant d’autres fonctions telles que la radio ou la climatisation actives grâce à l’alimentation de la batterie. L’alterno-démarreur est parfaitement compatible avec les batteries 12V actuelles.
Cette fonction permet de diminuer la consommation en cycle mixte de 6% à 10% pour un surcoût de fabrication de 200 à 300. Pour exemple la Citroën C3 et la Smart fortwo sont équipées de ce type d’alterno-démarreur.
La récupération de l’énergie de freinage
Autre système entrant dans la catégorie micro-hybride: la récupération de l’énergie de freinage. Cette technologie permet lors des phases de freinage ou de décélération de recharger la batterie grâce au freinage électromagnétique qui va générer par induction un courant électrique et ainsi transformer l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique. Cette fonction nécessite un système de gestion du stockage de l’énergie tel que des batteries couplées à des supers capacités. La récupération de l’énergie de freinage proposée par exemple sur la BMW Série 1 est compatible avec les batteries 12V, entraine un surcout d’environ 500 et permet de diminuer la consommation de 10% à 15%.
Le semi-hybride ou Mild-hybride
En plus des systèmes présentés dans la partie micro-hybride, les véhicules dits semihybrides sont équipés d’un moteur électrique de 10kW à 15kW monté en série entre le moteur thermique et la transmission. Ce moteur électrique d’assistance permet de soulager le moteur thermique afin qu’il soit en mode de fonctionnement optimal c’est à dire éviter que le moteur thermique ne se mette en surconsommation en apportant le surplus de puissance nécessaire par le moteur électrique. Le surplus d’énergie électrique est stocké dans des batteries de 36V à 144V et restitué lorsqu’elle est insuffisante. Le semi-hybride permet de diminuer la taille du moteur thermique mais ne permet cependant pas de rouler en mode tout électrique. Grâce à ce système la consommation de carburant est diminuée de 12% à 20% pour un montant de 2000. La Honda Insight est un véhicule semi-hybride .
L’hybride intégral ou Full-hybride
La technologie full-hybride est le dernier niveau d’hybridation des véhicules. Ce système intègre un moteur thermique et un moteur électrique en parallèle ce qui permet de conduire en mode entièrement électrique ou en mode thermique selon la puissance à fournir. La durée de conduite en mode électrique dépend de la capacité de la batterie. Les véhicules full-hybrides sont généralement équipés de batteries entre 200V et 500V. Grâce au moteur électrique de 30kW à 50kW, la taille du moteur thermique peut être diminuée et les économies de carburant sont de 20% à 30%. Cette technologie à un coût, environ 5000. Le véhicule full hybride le plus répandu est la Toyota Prius.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I: Etat de l’art
I.1. Contexte de l’étude
I.1.1. Les différents niveaux d’hybridation automobile
I.1.1.1. L’hybride léger ou Micro-hybride
I.1.1.2. Le semi-hybride ou Mild-hybride
I.1.1.3. L’hybride intégral ou Full-hybride
I.1.2. Gestion de l’énergie dans les systèmes hybrides légers
I.1.2.1. L’onduleur triphasé
I.1.2.2. Choix du transistor de puissance
I.2. Le transistor MOSFET de puissance faible tension
I.2.1. Principe de fonctionnement d’un transistor MOSFET de puissance
I.2.1.1. L’état passant
I.2.1.2. L’état bloqué
I.2.1.3. Les terminaisons
I.2.2. Les différents MOSFETs de puissance
I.2.2.1. VDMOS
I.2.2.2. Autres technologies MOS de puissance
I.2.3. Comportement statique des transistors NMOS
I.2.3.1. Tension de seuil VGSth
I.2.3.2. Courant drain source IDS
I.2.3.3. Résistance à l’état passant RDSon
I.2.3.4. Tension de blocage BVDSS
I.2.4. Comportement dynamique
I.2.5. Impact de la température sur les paramètres électriques
I.2.5.1. Tension de seuil VGSth
I.2.5.2. RDSon
I.2.5.3. BVDSS
I.2.5.4. Les courants de fuite
I.2.6. Le MOSFET en avalanche
I.2.6.1. L’avalanche
I.2.6.2. Le test UIS classique
I.2.6.3. Température maximale pendant l’UIS
I.2.7. Analyse thermique des semiconducteurs de puissance
I.2.7.1. Régime stationnaire
I.2.7.2. Régime transitoire
I.2.7.3. Composants réels
I.3. Dégradations et modes de défaillances des semiconducteurs dans les modules de puissance
I.3.1. Niveau silicium
I.3.1.1. L’oxyde de grille
I.3.1.2. La métallisation de surface
I.3.2. Niveau boitier
I.3.2.1. Les fils de connexion
I.3.2.2. Les brasures
Chapitre II: Cyclage en avalanche d’un MOSFET
II.1. Présentation du MOSFET étudié
II.1.1. La technologie HDTMOS développée par Freescale
II.1.1.1. Design de la cellule élémentaire
II.1.1.2. Métallisation de source épaisse
II.1.1.3. Passivation
II.1.1.4. Capteur de température intégré : la diode en polysilicium
II.1.1.5. Compatibilité du MOSFET avec l’assemblage dans le module
II.1.2. Véhicule de test utilisé
II.2. Appareils et méthodes de mesure des paramètres électriques statiques
II.2.1. Appareils de mesure
II.2.1.1. HP 4142B
II.2.1.2. Tektronix 371A
II.2.2. Paramètres électriques statiques
II.2.2.1. Mesures à faible courant à température ambiante
II.2.2.2. RDSon à température ambiante
II.2.2.3. Récapitulatif des caractéristiques électriques statiques
II.3. Cyclage en avalanche du HDTMOS
II.3.1. Principe du test
II.3.2. Equipement pour le cyclage
II.3.3. Mesure de la température pendant le cyclage
II.3.3.1. Mesure par la diode intégrée en polysilicium
II.3.3.2. Mesure de la température par la diode structurelle
II.3.3.3. Température mesurée à l’aide de la caméra infrarouge
II.3.3.4. Température mesurée à l’aide d’un thermocouple
II.3.3.5. Corrélation entre les différentes températures
II.4. Conclusion
Chapitre III: Effets du mode d’avalanche sur le MOSFET
III.1. Tenue en avalanche
III.1.1. Influence du courant sur la durée de vie
III.1.2. Température maximale pendant l’avalanche
III.1.2.1. Mesure de la température maximale
III.1.2.2. Calcul du T
III.1.2.3. T obtenu par simulations numériques
III.1.3. Impact des dimensions de la puce
III.1.4. Impact de l’assemblage
III.2. Modes de défaillances possibles
III.3. Suivi des différents paramètres pendant le test UIS
III.3.1. BVDSS, IGSS, IDSS, Vf , VGSth
III.3.2. RDSon
III.4. Introduction de nouvelles mesures
III.4.1. Modèle de la mesure de RDSon
III.4.2. RT
III.4.3. RDSon2
III.4.4. Extraction des différentes résistances
III.5. Conclusion
Chapitre IV: Vieillissement de l’électrode source du MOSFET
IV.1. Mise en évidence du vieillissement du métal source
IV.1.1. Rayons X
IV.1.2. Observations
IV.1.2.1. Observations optiques
IV.1.2.2. Observations en microscopie électronique à balayage
IV.1.3. Coupes verticales
IV.2. Impact de l’assemblage sur le vieillissement du métal
IV.2.1. Taille des fils
IV.2.2. Brasure face arrière
IV.2.3. Passivation
IV.3. Influence de la température
IV.4. Influence du type de métal source
IV.4.1. Ti/TiN
IV.4.2. Ti/TiN+ARC TiN
IV.5. Epaisseur de la puce
IV.5.1. Amincissement
IV.5.1.1. Le polissage mécano-chimique (CMP)
IV.5.1.2. Le procédé Taiko développé par Disco
IV.5.2. Mesure de planéité
IV.5.3. Impact de l’amincissement sur la chute de RDSon pendant l’avalanche répétitive
IV.6. Structures de tests
IV.6.1. Dessin des structures de test
IV.6.2. Elévation de température dans les structures tests
IV.6.2.1. Equations thermodynamiques
IV.6.2.2. Equation de Schafft
IV.6.2.3. Méthode résistométrique
IV.6.3. Caractérisation en température
IV.6.4. Fatigue des barreaux d’aluminium T=f(I)
IV.6.5. Observations
IV.6.6. Evolution de la résistance
IV.7. Conclusion
Conclusion générale
