Fiche individuelle

Gallium Nitride (GaN) power devices developed these recent years are ideal candidates for high frequency power conversion, leading to a reduction of size, cost and weight of power converters. The design of these converters is based on simulations which require developing accurate models over a wide frequency range. This paper presents a new characterization method of GaN power transistors based on the extraction of devices small-signal parameters up to the gigahertz range using 2-port S-parameters measurements and dedicated characterization fixtures on printed circuit boards (PCB).

The influence of the electromagnetic environment of the indoor power line grid (Houses’ Power Grid) is increasingly important on the Power Line Communication transmission. The household equipment operating changes considerably the network impedance. Several procedures exist to evaluate the network impedance. Two impedance measurement techniques seem to be the most adequate and allow to characterize loads under their operating conditions. The first one uses current injection and reception probes and the second one uses capacitive coupling. With a proper pre-measurement calibration process, the proposed methods allow to measure the evolution of the impedance versus frequency of the active loads (TV screen, Fluorescent lamp…). This study deals with the analyses of these two methods in order to evaluate their advantages and disadvantages. The measurements are carried in narrowband and broadband in the frequency range of 10 kHz to 100 MHz.

Les composants de puissance à base de GaN présentent un fort potentiel pour le développement de convertisseurs statiques fonctionnant à hautes fréquences. Les principales propriétés de cette filière technologique conduisent à une réduction de la taille, du poids et du volume des convertisseurs d’énergie. La conception de ces convertisseurs hautes fréquences (HF) repose sur des simulations nécessitant des modèles de composants actifs très précis. Afin d’obtenir ces modèles, une phase de caractérisation permettant d’obtenir les différents paramètres du modèle est nécessaire. Ce travail présente une méthode de caractérisation des transistors de puissance GaN basée sur la mesure de paramètres S à l’aide de dispositifs d’adaptation sur circuit imprimé ainsi que des mesures en régime pulsé.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la collaboration entre l’IEMN et le L2EP sur la thématique de la montée en fréquence des convertisseurs statiques pour l’intégration de puissance. Les transistors de puissance à base de Nitrure de Gallium (GaN) offrent la possibilité de commuter de fortes puissances (au- delà d’1 kW) à hautes fréquences (au-delà d’1 MHz), permettant ainsi de réduire le volume des composants passifs des convertisseurs d’énergie. La conception des convertisseurs hautes fréquences par simulation nécessite de disposer de modèles de composants de puissance précis et valides sur une large plage de fréquence. Les techniques classiques de caractérisation et modélisation utilisées en électronique de puissance sont limitées en bande de fréquence et ne permettent pas de modéliser de façon précise tous les effets intrinsèques aux composants en hautes fréquences. L’objectif de ce travail est d’adapter les techniques utilisées dans le domaine de la caractérisation hyperfréquences pour la modélisation d’un transistor de puissance GaN. Dans le cadre de cette étude, le transistor GS66502B 650V/7.5A de type GaN HEMT sera utilisé pour la mise en place de notre méthode. La plage de fréquence visée pour la modélisation est 1 MHz – 1 GHz.

It is proposed a novel GaN-HEMT modelling method by using S-parameters to characterise device inter-electrode capacitances and terminal contact resistances.Afterwards, the model is implemented into virtual prototyping software. By co-simulation with electromagnetic models generated of the VP software, device switching waveforms are then obtained and they are compared with commercial ADS software and experimental measurement.