Principe de limitation d’un appareillage de coupure

Dans le domaine de la protection des installations électriques contre les surcharges et les surintensités, les seuls moyens qui été utilisés sont les disjoncteurs électromagnétiques, les fusible, les sectionneurs….exc. Mais la présence d’arc de haute énergie lors de la coupure entraîne en plus de l’usure des contacts de nombreux désagréments tels que le bruit.

Dans le domaine de l’aéronautique et le spatial la protection électrique requière l’introduction de dispositifs avec un pouvoir de coupure rapide et nécessitant un volume et poids réduit. Ces dispositifs sont sensés fonctionner dans des conditions environnementales sévères, en raison de l’environnement confiné et de la localisation de ces dispositifs à proximité des actionneurs à commander, la température ambiante peut être très élevée, ainsi la nécessité d’un pouvoir de dissipation d’énergie. De manière générale, les dispositifs électroniques en silicium (Si) ont marqués leurs existences dans le domaine de la protection de l’aéronautique et le spatial. Ces disjoncteurs statiques à base de silicium pose l’inconvénient des pertes importante d’énergie ce qui abouti à un refroidissement couteux. Avec l’apparition du carbure de silicium (SiC) les composants électroniques ont pu connaitre un air de développement important. Les performances de ces composants électroniques résultent des propriétés électriques du carbure de silicium : faible résistance à l’état passant, tension de claquage élevée et le fonctionnement à des températures élevées.

Etat de l’art de la filière SiC pour la protection des réseaux 

Pour protéger une installation électrique ou les personnes qui l’utilisent, il faut pouvoir détecter les défauts pouvant apparaître et qui peuvent nuire de façon importante au bon fonctionnement de l’installation, et les neutraliser. Le plus souvent pour les courts-circuits, la protection consiste à ouvrir le courant dans le circuit incriminé. Parmi les principaux défauts, on peut noter : les surcharges en courant, les court-circuits, et les surtensions. Les surcharges proviennent d’une charge qui appelle une puissance trop importante sur la ligne d’alimentation. Ceci se traduit par un courant excessif dans l’installation. Il en résulte une augmentation excessive de la température des conducteurs, au-delà des limites normales de fonctionnement. L’échauffement des conducteurs est problématique pour les isolants dont la durée de vie dépend fortement de la température, et dont l’usure est accélérée après une phase d’échauffement excessif.

Le court-circuit résulte de la mise en contact de deux conducteurs portés à des potentiels différents. Ceci provoque une brutale augmentation du courant limitée uniquement par l’impédance amont du réseau. Les défauts de surtension sont généralement d’origine inductive (ouverture du courant dans un circuit inductif). La foudre est également à considérer.

Le court-circuit est souvent du à une défaillance électrique importante comme la rupture d’un isolant, la chute d’un objet sur des barres ou la défaillance d’un semi conducteur. Il en résulte un courant de défaut dont la valeur efficace est très élevée (typiquement supérieur à 10 fois la valeur du courant nominal de l’installation). L’échauffement des conducteurs est rapide et les dégâts dans l’installation peuvent se produire en quelque ms seulement si l’installation n’est pas efficacement protégée.

Cet effet thermique extrêmement rapide ne peut pas être caractérisé par la valeur efficace du courant présumé de défaut comme c’est le cas pour les surcharges, car il dépend de la forme de l’onde de courant.

Les trois conditions à respecter par l’appareillage de protection pour une limitation correcte sont :

– faire apparaître rapidement une tension qui doit être supérieure à la tension max. du réseau (plus le temps d’intervention d’un appareillage de protection est faible plus celui-ci est en mesure d’interrompre des courts-circuits importants),
– pouvoir supporter la tension
– pouvoir dissiper l’énergie résultante (l’appareillage de coupure est appelé à dissiper l’énergie emmagasinée dans les inductances du réseau et celle fournie par le réseau durant la coupure).

Dispositifs de protections, état de l’art

Pour des applications telles que l’aéronautique ou le spatial, la protection des équipements électriques n’est pas réalisable par des moyens classiques de protection tel que les fusibles et les disjoncteurs. Ces applications requièrent des moyens de protection commandable à distance, présentant des volumes et poids réduits ainsi qu’un temps d’intervention faible comme les disjoncteurs statiques. Les appareils électromécaniques actuels bénéficient de plusieurs décennies d’évolution technologique et sont devenus particulièrement fiables et performants. Mais la présence d’arc de haute énergie lors de la coupure entraîne en plus de l’usure des contacts de nombreux désagréments tels que le bruit. Vers les années 1970, de nombreuses investigations ont été menées sur des composants de l’électronique de puissance pour remplacer ou du moins assister le disjoncteur électromécanique. En effet, la commutation du courant dans les semi-conducteurs est extrêmement brève vis-à-vis de la mise en mouvement des pièces mécaniques, ce qui peut permettre de concevoir un disjoncteur statique avec un très bon pouvoir de limitation du courant. On parle de « disjoncteur statique » lorsque le contact mobile constituant le disjoncteur électromécanique est entièrement remplacé par un dispositif à base de semi-conducteurs. L’utilisation de disjoncteurs statique réduit considérablement le temps d’ouverture et peut donc permettre d’augmenter le pouvoir de limitation de l’appareil.

Un contrôle précis des paramètres de la coupure (durée de coupure, énergie dissipée, valeur crête du courant limité) est facilement réalisable. L’absence d’arc et de pièces mécaniques mobiles augmente la durée de vie de l’appareil et en réduit la maintenance. Enfin, l’absence d’arc électrique permet également de confiner l’appareil dans un volume global plus réduit les nuisances sonores sont également éliminées. Ces nombreux avantages suscitent l’intérêt de l’électronique de puissance dans le domaine de la protection des installations électriques.

Parmi les travaux qui ont été réalisés sur ce sujet on peut citer à titre d’exemple les travaux de S.Lacroix [2.] sur l’hybridation d’un contacteur-disjoncteur statique installé dans un réseau continu de 300V appelé à interrompre un courant de 80A. Les travaux effectués à l’école centrale de Lyon par G.Clerc [3] concernent la réalisation d’un interrupteur commandé en tension susceptible d’interrompre un courant de 25A dans un réseau de 1000V. Un autre travail présenté par C.Raulet [4] utilisant la mise en série de composants MOS à permis d’interrompre un courant de 15A sous 2000V. J. Le Ponner [5] propose l’étude et la réalisation d’un contacteur-disjoncteur statique à l’aide de transistors bipolaires. G.De.Palma [6] a présenté une étude et la réalisation d’un disjoncteur statique limiteur protégeant le réseau alternatif 660V/100A et P. Larguier [7], l’étude et la réalisation d’un disjoncteur statique triphasé à base de thyristor GTO. Enfin X.Tian [8] qui décrit l’état de l’art actuelle des interrupteurs statiques.

L’utilisation généralisée du disjoncteur statique en silicium n’est cependant pas encore de mise dans de nombreux domaines d’applications. La raison principale vient des propriétés non idéales des composants de puissances disponibles. Un appareillage de protection doit présenter une très faible chute de tension à l’état passant, une tension de blocage élevée, ainsi qu’un courant commutable élevé. Une faible énergie de commande est également souhaitée. Il faut également que le disjoncteur statique soit capable d’établir et d’interrompre un courant aussi bien positif que négatif.

La chute de tension à l’état passant des composants à base de silicium du commerce s’élève à plusieurs volts lorsque le courant est élevé (ordre de grandeur : 3V à 1500A pour un IGBT 3.3kV, et 1.7 V environ à 1500A pour un GTO de même calibre soit respectivement 4500 W et 2500 W de perte à l’état passant). Ces niveaux de perte sont totalement inacceptables pour des disjoncteurs, et nécessiteraient ici un système de refroidissement coûteux et volumineux afin d’évacuer efficacement les pertes. Par contre, pour des applications base tension, des composants unipolaires peuvent présenter des chutes de tension extrêmement faibles. Cela explique l’intérêt des composants de type SMART Power (à base de transistors MOSFET) pour les applications automobiles, et notamment pour la protection des réseaux de bord (disjoncteur statique).

Grace à ses propriétés électriques, le SiC doit permettre d’améliorer les performances de ces composants et leur permettre de satisfaire les exigences d’un limiteur de courant. Des structures de composants limiteurs de courant à base de SiC ont été proposées. Les composants réalisés ont démontré la capacité des dispositifs SiC à dissiper des pertes élevées .

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I
I.1.Introduction
I.2. Principe de limitation d’un appareillage de coupure
I.3. Dispositifs de protections, état de l’art
I.4. Historique du SiC
I.5. Caractéristiques du SiC
I.6. Propriétés physiques
I.6.1 Energie de Gap
I.6.2 Champ critique
I.6.3 Résistance spécifique
I.6.4 Conductivité thermique
I.6.5 Autres propriétés
I.6.6 Synthèse
I.7. Le carbure de silicium et sa technologie
I.7.1. L’épitaxie
I.7.2. L’oxydation
I.7.3. La gravure
I.7.4. Métallisation
I.7.5. La passivation
I.7.6. Dopage
I.7.7. Substrat
I.8. Exemples de réalisations
I.9. Performance des composants de puissance en SiC
I.9.1. La diode bipolaire
I.9.2. La diode Schottky
I.9.3. Les transistors bipolaires
I.9.4. Les transistors MOSFETS
I.9.5. Transistor JFET-SiC
I.9.5.1. Généralités
I.9.5.2. Comportement d’un JFET en régime de limitation de courant
I.9.5.2.1. Zone résistive
I.9.5.2.2. Zone de coude
I.9.5.2.3. Zone de saturation
I.9.5.2.4. Zone d’avalanche
I.9.5.3. Exemples de différentes structures de JFET-SiC
I.10. Conclusion
I.11. Bibliographie
CHAPITRE II
II.1.Introduction
II.2.Etude bibliographique
II.2.1.Court-circuit
II.2.1.1.Introduction
II.2.1.2.Court-circuit de type I
II.2.1.2.1. Court-circuit de type II
II.2.1.2.2. Différents modes de défaillance en court-circuit
II.3.Phénomène d’avalanche
II.4. Description du banc de caractérisation pour l’étude du comportement des transistors JFET en régime de limitation de courant (court-circuit)
II.4.1 : Banc électrique
II.4.2. Banc de contraintes thermiques
II.5 Résultats des essais
II.5.1 Caractérisations préliminaires
II.5.1.1 Variation du courant de saturation avec la tension d’alimentation
II.5.1.1.1. JFET-SiC 2A
II.5.1.1.2. JFET-SiC 15A
II.5.1.2 Variation du courant de saturation avec la température sous faible tension
II.5.1.2.1. JFET-SiC 2A
II.5.1.2.2. JFET-SiC 15A
II.5.1.3 Variation du courant de saturation avec la température sous tension plus élevée
II.5.1.3.1. JFET-SiC 2A
II.5.1.3.2. JFET-SiC 15A
II.5.2 Essais destructifs
II.5.2.1.JFET-SiC 2A
II.5.2.2.JFET 15A
II.6. Synthèse des résultats
II.7. Bibliographie
CHAPITRE III
III.1 .Introduction
III.1.1. Equation de la chaleur
III.1.1.1. Echange convectif
III.1.1.2. Conduction de la chaleur
III.2. Propriétés thermique du SiC
III.2.1. chaleur spécifique
III.2.1.1. α-SiC
III.2.1.2. β-SiC
III.1.2.1.3. Modèle de la chaleur spécifique
III.2.2. Conductivité thermique
III.2.2.1. α-SiC
III.2.2.2. β -SiC
III.2.2.3. Modèle de la conductivité thermique
III.3. Modélisation thermique des puces
III.3.1. méthode des éléments finis
III.3.2. Maillage
III.4. Modèle tri- imensionnel simplifié
III.4.1 : Géométrie
III.4.2. Conditions aux limites
III.4.3. Résultats de simulation 3D
III.5. Modèle unidimensionnel
IV. Simulation thermique
IV.1. Résultats de simulation
IV.1.1. Résultats de simulation en 1D
IV.1.1.1. Choix de la surface de dissipation
IV.1.1.2. Prise en compte de l’effet de la température sur la conductivité thermique et la chaleur spécifique
IV.1.1.3. Prise en compte de la couche de métallisation d’aluminium
V. Analyse thermique de la phase de court-circuit
V.1. Estimation de la température maximale au moment de la destruction du composant
V.2. Résultats de simulation destructifs (temps long) en 3D
V.3. Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale

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