Etude de la fiabilité des composants de puissance ACS de ... · puissance ACS de type TRIAC et...

ECOLE POLYTECHNIQUE DE L’UNIVERSITÉ DE TOURS

DEPARTEMENT PRODUCTIQUE

OPTION ELECTRONIQUE

Etude de la fiabilité des composants de puissance ACS

de type TRIAC soumis à des contraintes en di/dt

Laboratoire de Microélectronique de Puissance

Université de Tours

Mikaël MANCEAU Responsable universitaire : Thierry LEQUEU

François DE NICOLO Responsable industriel : Benjamin CHERON

®

1

Etude de la fiabilité des composants de puissance ACS

de type TRIAC soumis à des contraintes en di/dt

2

SOMMAIRE

Introduction p.3

Présentation de l’entreprise

Laboratoire de Microélectronique de Puissance p.4-5

STMicroelectronics p.6-7

Présentation de la mission p.8

Analyse de l’existant

Présentation du matériel p.9-15

Présentation des moyens d’analyse statistique de fiabilité p.16-17

Méthodologie p.18

Résultats

Simulation p.19-24

Essais p.25-40

Conclusion p.41

Remerciements p.42

Bibliographie p.43

3

Introduction

Dans le cadre de la formation de l’Ecole Polytechnique Universitaire de Tours un Projet

Industriel Interne doit être effectué. Nous avons réalisé ce projet au Laboratoire de

Microélectronique de Puissance sur le site de STMicroelectronics. Ce projet représentera à son

terme 100h de travail. L’objectif de cette étude consiste à tester la fiabilité des composants de

puissance ACS de type TRIAC et plus particulièrement le modèle ACS108-6SX. La

méthodologie consiste à appliquer de fort di/dt sur les composants afin de déterminer leurs

durées de vie. Au Laboratoire de Microélectronique de Puissance un banc de tests permet de

réaliser cette étude.

Pour réaliser cette étude nous allons tout d’abord présenter l’entreprise

STMicroelectronics ainsi que le laboratoire de microélectronique de puissance. Puis, nous

décrirons la mission que l’on nous a confiée en détaillant les objectifs de cette étude. Ensuite,

une analyse de l’existant permettra de mieux comprendre le fonctionnement du banc de test

ainsi que les moyens d’analyse statistique de fiabilité de composants. À partir de ces premières

données, on pourra établir une méthodologie afin de mener à bien ce projet. Enfin nous

exploiterons les résultats obtenus du banc de test pour dresser un bilan de fiabilité pour ce

composant sous différentes contraintes.

4

1-Présentation de l’entreprise

Nous allons présenter dans un premier temps le Laboratoire de microélectronique de

puissance(LMP) puis dans un second temps nous parlerons du site de STMicroelectronics de

TOURS.

1-1-Le Laboratoire de Microélectronique de Puissance

1-1-1- Présentation

Le LMP a été fondé le 18 décembre 1996 suite à la création du pôle Micro-électronique de

Puissance de Tours.

Le Pr. Robert JERISIAN, nommé à la direction des recherches, est le Directeur du

Laboratoire dont le siège se situe dans l’entreprise STMicroelectronics Tours. Il existe aussi

deux autres sites ; un à l’Ecole Polytechnique de l’Université de Tours, l’autre à l’IUT GEII de

Tours. Le pôle Micro-électronique de Puissance, constitué sur un partenariat très fort entre

l’Université François Rabelais de Tours et la société STMicroelectronics, a pour vocation de

réunir les potentialités de la recherche universitaire et industrielle sur le thème de la

microélectronique de puissance.

1-1-2- Domaines d’activités et partenaires

L’activité principale du LMP est l’intégration de système et de dispositifs d’électroniques de

puissance sur plaquette. Pour se faire, il possède des compétences et les équipements pour,

notamment, la réalisation de briques technologiques sur silicium, la caractérisation physique, la

simulation et la mesure de fiabilité des composants électroniques, mais aussi pour la

caractérisation électrique de composants sur plaquette, la caractérisation fonctionnelle des

composants, ainsi que pour le développement de microsystèmes à applications électroniques et

médicales.

Pour l’aider dans ces recherches, le LMP est en collaboration avec différents laboratoires tels

que : PHASE (Strasbourg), LEG (Grenoble), CEMES (Toulouse), LAAS (Toulouse), DMAT

CEA (Ripault), LEMA (Tours), LUSSI (Tours) et le LMR (Tours). Mais il a surtout des

partenaires industriels comme SAFT (Chambray), Vermon (Tours) et STMicroelectronics

Tours, qui est son principal partenaire.

5

Laboratoire de Microélectronique de Puissance

Microélectronique – Technologie Equipe M.T.E.C.

Composants – Systèmes Equipe C.O.S.Y.S.

Ingénierie des défauts Nouveaux Matériaux

Microsystèmes Fiabilité

Composants Systèmes

1-1-3- Moyens humains et organigramme

L’effectif est de 24 personnes dont : 10 enseignants chercheurs, 1 ATER (Attaché Temporaire

d'Enseignement et de Recherche), 10 doctorants, 2 post-doctorants et 1 secrétaire.

Cet effectif est divisé en deux équipes (voir figure 1, p.5), l'une traitant des technologies des

semi-conducteurs, test et fiabilité (MTEC) et l'autre de l'analyse des systèmes de conversion

d'énergie (COSYS).

Figure 1, Organigramme du LMP

6

1-2- STMicroelectronics

1-2-1- Sur le plan mondial

Le groupe, dirigé par Pasquale PISTORIO,

compte plus de 45 000 employés. Il conçoit,

développe, fabrique et vend une large gamme de

circuits intégrés semi-conducteurs et de

composants discrets à semi-conducteurs.

Les domaines d'application de ces produits sont,

entre autres, les systèmes de télécommunication, les calculateurs, l'électroménager,

l'automobile, les systèmes de contrôle d'énergie et d'automatismes industriels.

Au total, ce sont plus de 3 000 produits différents (de la diode au microprocesseur) que

STMicroelectronics propose à plus de 1 500 clients, parmi lesquels nous pouvons citer Alcatel,

Nokia, Nortel Networks, Sony, Marelli, HP, Seagate Technology, Western Digital, IBM,

Thomson Multimedia, Pioneer, Bosch, Siemens, Ford, Creative Technology et d'autres encore.

Le graphique, ci-contre, montre

l’importance du groupe sur le plan

international.

Le groupe a obtenu de nombreux prix

tels que le European Quality Award, le Trophée de la Qualité de Singapour et le prestigieux

Trophée Malcom Baldrige, récompensant ses efforts en termes de protection de

l'environnement et de gestion de la qualité.

L'entreprise a également été reconnue par de nombreux journaux (Industry Week, La

Recherche, Upside) comme étant la mieux dirigée et gérée dans le monde.

7

1-2-2- Le site de Tours :activités et production

Le site STMicroelectronics de Tours est l'un des deux centres de

production et de diffusion des composants à semi-conducteurs

discrets. Le second se situe à Catane, en Italie, où l'on produit des

transistors (MOSFET, IGBT, etc.).

Le site s'organise en six grandes activités qui sont la direction industrielle/produit, la direction

marketing, le contrôle financier/informatique/achats, les ressources humaines, les services

généraux et la qualité. Il est dirigé par Ricardo De Sa Earp et emploie environ 1 440

personnes.

L'usine possède une zone de production (salle blanche) de 8 000 m².

En 2003, 3,3 milliards de composants ont été produits.

Le domaine d'activité du centre de Tours est basé autour des composants de l'électronique de

puissance.

Les produits fabriqués peuvent être classés en quatre grandes familles :

Ø Diodes : schottky (puissance et signal), ultra- fast, turboswitch, damper ;

Ø Thyristors : TRIAC, SCR, DIAC ;

Ø Protection : Zener, transil ;

Ø A.S.D.™ (Application Specific Discret) : protection télécoms, calculateurs, ballast de

tube d'éclairage, réseaux de TRIACs, etc.

Les A.S.D. ™ sont de nouveaux produits. Le concept est l'intégration sur une même puce de

différents composants de puissance élémentaires (diodes, thyristors, etc.) dans le but d'assurer

une certaine fonction.

8

2- Présentation de la mission 2-1-Contexte De nombreux travaux sont consacrés aujourd’hui à l’étude de la fiabilité fonctionnelle des

composants de puissance et plus particulièrement des interrupteurs bidirectionnels tels que les

TRIACs. Il s’agit de prévoir la durée de vie du composant en fonctionnement dans différentes

applications. Ces applications sont susceptibles d’exercer sur les zones actives du composant

des contraintes qui peuvent provoquer un vieillissement anormal de celui-ci (chocs thermiques

par fort di/dt). Le LMP, laboratoire universitaire intégré à la structure de STMicroelectronics

TOURS, possède de l’expérience dans le domaine de la fiabilité des triacs soumis à de forts

di/dt.

2-2-Objectif L’objectif de ce projet consiste à étudier la durée de vie des composants triacs ACS1086SX,

afin d’étudier la fiabilité des composants soumis à de forts di/dt. L’étude s’appuiera sur

l’utilisation d’un banc de test automatisé permettant l’application de contraintes en di/dt sur 40

composants. Pour ce faire nous étudierons l’évo lution des courants de fuite en inverse. Puis une

exploitation statistique des défauts permettra l'extrapolation de la durée de vie des composants

soumis à des niveaux de contrainte nominale.

9

3- Analyse de l’existant

Tout d’abord nous allons effectuer une présentation du matériel afin de mieux comprendre le

fonctionnement du banc de test. Ensuite on s’intéressera aux moyens d’analyse statistique de

fiabilité de composants, qui permettront d’exploiter les résultats obtenus avec le banc de test.

3-1-Présentation du matériel 3-1-1- Le TRIAC Le TRIAC (TRIode for Alternative Current) fait partie de la famille des thyristors.

Figure 2- Le triac Sa structure est identique à celle de deux thyristors en configuration anti-parallèle

(voir figure 2, p.9). C’est un interrupteur bidirectionnel à trois électrodes qui est mis en

conduction de manière identique au thyristor par une gâchette. Le triac possède une seule

électrode de commande. Le déclenchement peut se faire par un courant de gâchette positif ou

négatif quelle que soit la polarité de A2. On a donc quatre quadrants de fonctionnement (voir

figure 3, p.9).

Figure 3-Les quatre quadrants de déclenchement

A2

A1

G

Th2 Th1Ctl

GA1

A2

G

Symbole

+ +

- -

Ig (+)

Ig (+)

Ig(-)

Ig( -)

Q1Q2

Q4Q3

A2 polarity

G polarity

++ ++

-- --

Ig (+)Ig (+)

Ig (+)Ig (+)

Ig(-)Ig(-)

Ig( -)Ig( -)

Q1Q2

Q4Q3

A2 polarity

G polarity

10

3-1-2- Le composant :ACS108-6SX Le composant testé est l’ACS108-6SX. Cette ACS s’enclenche à l’aide d’un courant de

gâchette négatif. Il est donc utilisable uniquement dans les quadrants Q2 et Q3. Pour

l’enclencher, on applique une impulsion de courant de –10 mA synchronisé sur notre signal

d’entrée (voir figure 5, p.11). La tension de commande vaut –24 V et la résistance de gâchette

2.2 kO. Pour indication voici quelques paramètres caractéristiques du modèle l’ACS108-5SX

(voir figure 4, p.10).

VDRM Tension max en direct à l’état bloqué

Tj = 25°C 500 V

IDRM Courant de fuite en direct

Vout = VDRM Tj = 25°C MAX 2 uA

IRRM Courant de fuite en inverse

Vout = VRRM Tj = 110°C MAX 50 uA

VCL Tension de retournement ICL = 1 mA, tp = 1ms Tj = 25°C

600 V

IT(RMS) Courant efficace RMS on-statecurrent full cycle sine wave 50 to 60 Hz

Tlead = 60°C 0.8 A

VTM Chute de tension pour le courant crête ITM

ITM = 1.1 A, tp = 380 µs Tj = 25°C

MAX 1.3 V

IGT Courant de gâchette nécessaire pour amorcer le triac

Vout = 12 V (DC) RL = 140 Ω Tj = 25°C

MAX 10 mA

VGT Chute de tension entre G et A1 à IGT

Vout = 12 V (DC) RL = 140 Ω Tj = 25°C

MAX 1 V

IH Courant de maintien (valeur max)

Iout = 100 mA gate open Tj = 25°C MAX 60 mA

Figure 4- Paramètres de l’ACS108-5SX Remarque : Pour le modèle ACS108-6SX on a VDRM = 600V.

11

3-3- Le circuit de test On souhaite appliquer sur le TRIAC un fort di/dt, pour cela, on utilise un CALC (Circuit

d’Aide à La Commutation) ou snubber. Généralement un CALC est utilisé afin de protéger les

triacs des forts dV /dt du réseau. Ce snubber est composé d’une capacité et d’une résistance

(voir figure 5, p.11). A la fermeture du triac, le condensateur du CALC se décharge et engendre

un fort di/dt sur le composant. La répétition de fort di/dt détériore progressivement le triac et

limite donc sa durée de vie. En modifiant les valeurs de la résistance Rs et du condensateur Cs,

on va ainsi modifier la valeur du di/dt appliqué et le courant de crête.

Figure 5-Circuit de test Nous allons désormais nous intéresser au banc d’essai qui permet de mettre en œuvre ce circuit

de test.

0

Rg = 2.2 k

VgACS108-6SX

Ve

Re = 22 k

Cs

Rs

SNUBBER

12

3-4- Le banc de test Le banc de test est tout d’abord constitué de deux platines. Chacune des deux comportent 40

circuits de test (voir figure 6, p.12). Pour le moment, une seule platine est utilisable en même

temps. En effet, on a remarqué que lorsque les deux platines sont connectées des interférences

se produisent entre elles. Nous utilisons donc une platine, ce qui permet de tester au maximum

un échantillon de 40 composants.

Figure 6-Platine (40 circuits) Un dispositif (voir figure 7, p.12) permet d’alimenter les différents circuits de cette platine avec

une tension d’entrée sinusoïdale (f = 50 Hz) et un courant de gâchette (environ -10 mA).

Figure 7- Synoptique du banc de test

Ve

Vg

Amplificateur de puissance

isolé

Compteur

Contrôle par PC

Transformateur 230 V / 440 V

Circuit de test

Générateur d’impulsions

+synchronisation

Alimentation Veff variable

Réseau 230 V 50 HZ

Interrupteurs Démarreur ON/OFF

Transformateur230 V /230 V

(Isolation) PC

13

Sur ce synoptique on retrouve la partie puissance et la partie commande du banc de test. La puissance (Ve) : On souhaite avoir une tension d’entrée sinusoïdale (50 Hz) réglable en amplitude afin de

modifier la valeur du di/dt appliquée sur les triacs. Pour cela on utilise une alimentation

connectée au réseau (230V, 50 Hz) par l’intermédiaire d’un démarreur. Cette alimentation nous

permet de faire varier l’amplitude du signal d’entrée. Pour amplifier cette tension, on utilise un

transformateur (230V/440V). Ce dispositif permet d’obtenir une tension de 600 V crête.

La commande (Vg) : On souhaite appliquer un pulse synchronisé avec le signal d’entrée afin d’enclencher le triac au

moment ou la tension VAK est la plus élevée. Pour cela on utilise un générateur d’impulsion


Figure 8- Générateur d’impulsion On relie à ce générateur d’impulsion le signal d’entrée afin d’effectuer la synchronisation. Ce

générateur est aussi constitué d’un compteur. Il permet de réaliser des tests en mono impulsion

ou en en multi impulsions. Le mode multi impulsion peut être réglé sur trois pré-divisions

différentes (1/10/100). Entre chaque mesure on peut donc régler le nombre d’impulsions

appliquées sur les composants. La pré-division par 100 permet d’obtenir rapidement les limites

de fonctionnement du composant. La pré-division par 1 permet d’obtenir une plus grande

précision dans les tests. On peut ainsi déterminer plus précisément le nombre d’impulsions

nécessaires pour détériorer un composant.

Oscilloscope

Compteur

PC

14

Un amplificateur de puissance permet ensuite de faire varier l’amplitude de notre tension de

gâchette. On applique une tension de -24 V permettant d’amorcer notre ACS108-6SX.

Pour effectuer les mesures on utilise un traceur 370A Tektronix relié à un PC par une liaison

GPIB (voir figure 9, p.14).

Figure 9- Le traceur L’ensemble du banc est piloté par des programmes développés sous le logiciel labview 6i.

3-5- L’interface Labview Les programmes Labview permettent la mesure des différentes caractéristiques électriques des

triacs ainsi que la gestion des mesures. Les caractéristiques relevées sont :

- la mesure des courants de fuites en direct et en inverse ;

- la mesure du Igt ;

- le nombre d’impulsions.

Remarque: L’amorçage des triacs se fait dans un seul quadrant à la fois que l’utilisateur peut

choisir par modification du câblage des platines.

Une interface graphique permet à l’utilisateur de configurer les paramètres des tests effectués

(voir figure 10, p.15). On peut activer les circuits que l’on souhaite testés, les circuits ainsi

sélectionnés sont indiqués en vert. A partir de cette interface, on peut aussi visualiser les

circuits où les triacs deviennent défaillants au cours du test. Les circuits sont alors indiqués en

rouge sur l’interface.

15

Figure 10 - interface graphique Exemple de mode opératoire à partir de cette interface graphique : - Sélection du répertoire de travail (ex : L:\Groupe_TRIACS\ACS108\2005-01-05\test600V-1ohm)

- Sélection du fichier de configuration des mesures.

- Réglage de la pré-division. Elle doit correspondre à la position sur le module de comptage


- Mettre la minuterie initiale sur 0 afin d’obtenir un pas minimum.

- Paramètre enlevé: Permet d’enlever les composants défaillants afin qu’ils ne subissent pas

d’autres impulsions pouvant les dégrader d’avantage.

- Paramètre mesure: Choix de la mesure sur les composants défaillants ou non.

- Paramètre initiale: Choix de la mesure initiale ou non.

- Indication des composants présents: Circuits numérotés de 1 à 40

- Appuyer sur GO pour démarrer le test.

Choix de la mesure initiale ou non

Choix de la mesure sur les composants défaillants ou non

Permet d’enlever les composants défaillants afin qu’ils ne subissent pas d’autres impulsions pouvant les dégrader d’avantage.

Détermination de la pré-division : 1/10/100

Circuits numérotés de 1 à 40

Détermination du répertoire de travail

16

3-2-Présentation des moyens d’analyse statistique de fiabilité

Pour faire l’étude de fiabilité de ces triacs nous utilisons la distribution cumulée ou fonction de

répartition de Weibull à deux paramètres donnés par :

Dans cette expression :

-α représente la durée de vie de Weibull obtenue à F =63,2% et β le paramètre de forme.

-R représente la fonction de fiabilité.

Le paramètre de forme β est particulièrement important car il donne des indications sur la

physique des défauts :

-β<1 implique des défauts de jeunesse responsables de la mortalité infantile. En

microélectronique, on parle également de défauts latents. Ces défauts ne sont pas détectables

par une inspection fonctionnelle (tests électriques). Ces défauts proviennent certainement d’un

mauvais process qualité de fabrication. Les défauts de jeunesse sont caractérisés par un taux de

mortalité, ou de défaillance instantanée (‘hazard rate’) élevée en début de leur vie.

-β=1 implique des défauts dus aux hasard. Ce sont des défauts qui apparaissent pendant la vie

utile.

-β>1 implique l’usure des composants. Le taux augmente avec le temps.

Pour caractériser ce phénomène on peut visualiser la courbe en baignoire ci dessous (taux de

défaillance instantanée par rapport au temps).

Figure 11– Courbe en baignoire

Taux de défaillance instantané

17

A partir de la distribution de weibull on calcule le taux de défaillance instantanée H qui est

défini par :

H(t)=β .t^(β-1)/α^β

Une loi de Weibull à deux paramètres ne permet de visualiser qu’un mécanisme de

dégradation. C’est pourquoi nous pouvons aussi une loi de Weibull à 5 paramètres. Car cette

loi permet de montrer que la population est scindée en deux sous populations de tailles

différentes et ayant leur propre mécanisme de dégradation.

Fonction de répartition de weibull à 5 paramétres :

= ( )F t − − 1 p e

−

th

b

( ) − 1 p e

−

tη

β

où :

-b et β sont les paramètres de forme des 2 sous populations.

-h et η sont les durées de vie caractéristiques.

-p est un facteur de proportionnalité entre les deux sous populations.

Pour tracer ces différentes distributions de weibull à deux où cinq paramètres on utilise le

logiciel weibull++.

18

4- Méthodologie Pour étudier la fiabilité des TRIACS ACS108-6SX nous nous sommes servis du banc de

test(décrit précédemment p12,p13,p14) géré par le logiciel labview. En effet, à travers ce banc

on peut injecter de fort di/dt sur les TRIACS en jouant sur la tension d’entrée (Ve) via le

transformateur, sur la résistance du snubber (Rs) et sur la capacité du snubber (Cs).

Tout d’abord nous allons nous fixer sur 4 composants sur le banc et jouer sur les composantes

Rs, Cs et Ve afin de trouver le di/dt limite qui va engendrer la mort immédiate des composants,

c'est-à-dire au bout de quelques impulsions. Ce sont des tests dits de torture afin de trouver une

première limite mais aussi le défaut potentiel que ce di/dt entraîne sur les TRIACS ACS108-

6SX. Puis nous allons étudier l’évolution de ce défaut potentiel.

A chaque fois que nous avons réalisé des tests nous avons comparé les di/dt expérimentaux et

ceux simulés.

Ensuite nous allons optimiser les valeurs de Rs, CS et Ve afin d’obtenir des dégradations de

triacs dans le temps, c’est à dire obtenir une plus grande variation de dégradation par rapport

aux nombres d’impulsions.

Une fois ces valeurs optimisées nous allons passer sur 40 composants sur le banc pour obtenir

une plus large vision du comportement de ces triacs. Et par la suite ajustée les trois

composantes Rs, Cs et Ve afin d’obtenir des dégradations dans le temps mais aussi pour définir

une contrainte limite en di/dt de ces composants en faisant une étude statistique de fiabilité de

composants en utilisant la distribution de Weibull par le biais du logiciel Weibull++.

19

5- Résultats

5-1- Simulation La simulation a été effectuée à l’aide du logiciel Orcad. 5-1-1- Modélisation du triac Nous avons utilisé un modèle paramétrable, le 2N6146, pour modéliser le triac.

Figure 12-Représentation du modèle La modification des paramètres de ce modèle permet de se rapprocher du comportement de

notre ACS 6SX. On a déterminé les caractéristiques à l’aide des paramètres de l’ACS 5SX.

Modèle obtenu :

5-1-2- Le circuit de test

Figure 13- schéma du circuit simulé

.subckt 2N6146 MT2 gate MT1 * Min and Max parameters X1 MT2 gate MT1 Triac params: + Vdrm=600v Idrm=2u Ih=60ma dVdt=500e6 Ton=1u + Igt=10ma Vgt=1v Vtm=1.3v Itm=1.1 .ends

ACS

2N6146

0

Rg = 2.2 k

Vg

Ve

Re = 22 k

Cs

Rs

L = 150 nH

Rc

ACS

2N6146

20

On peut voir sur le schéma de simulation (voir figure 13 p.19) les différents éléments du circuit de test. - Le signal d’entrée Ve. C’est une tension sinusoïdale avec f=50Hz et Voff = 0V. Plus l’amplitude de cette tension est grande et plus le di/dt traversant le triac est fort. - Une résistance d’entrée Re = 22 kO qui limite le courant dans le TRIAC. - Le snubber (Rs et Cs). On sait que notre composant est robuste et résiste à de fort di/dt. On utilise donc une résistance de faible valeur (quelques ohms). Remarque: La résistance Rc permet de modéliser la résistance interne du condensateur (Cs) - Un pulse Vg d’une durée de 3 ms, d’amplitude -24 V, synchronisé avec le signal d’entrée. - une résistance Rg = 2.2 kO permettant de créer un courant de gâchette de -10.4 mA Remarque : On effectue la simulation avec une inductance de 150mH afin de refléter au mieux la réalité. Cette inductance permet de modéliser l’effet inductif des fils de notre montage. Par la suite on fera donc varier trois paramètres :

- la valeur de Cs - la valeur de Rs - l’amplitude de la tension d’entrée Ve

5-1-3- Résultats On commence par effectuer une simulation afin de visualiser l’allure des différents signaux. On prend Ve = 300V, Rs = 10 O et Cs = 22 nF et Rc = 41.6 mO

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40msV(X4:MT2) V(V4:+) V(V3:+)

-200V

0V

200V

Légende : VAK (en rouge) Ve( en bleu) Vg (en vert)

14- Allure de VAK, Ve et Vg

21

On peut observer la tension aux bornes du triac (voir figure 14, p.20). On voit que la durée du pulse ne permet pas de garder le triac enclenché sur un quart de période. Cependant cela n’est pas primordiale compte tenu du fait que l’objectif est simplement d’appliquer un di/dt le plus fort possible.

Time

5.000400ms 5.000800ms 5.001200ms 5.001600ms 5.002000ms 5.002362msI(L1)

5.00A

10.00A

15.00A

0.06A

Zoom

Figure 15- Allure du IAK On peut obtenir la valeur du di/dt en effectuant un zoom sur le pic de courant (voir figure 15, p.21). En superposant cette courbe avec celle de VAK on peut voir comment évolue la puissance instantanée (cf figure16 p.21).

Time

5.0007ms 5.0008ms 5.0009ms 5.0010ms 5.0011ms 5.0012ms 5.0013ms 5.0014ms1 I(L1) 2 V(X4:MT2) 3 I(L1)* V(X4:MT2)

5.00A

10.00A

15.00A

0.15A

1

50V

100V

150V

200V

250V

300V

2V

2

0W

0.4KW

0.8KW

1.2KW

1.6KW3

>>

Légende : VAK (en rouge) IAK( en bleu) P (en vert)

15- Allure de VAK, IAK et de la puissance instantanée

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40msI(L1)

-15A

-10A

-5A

0A

5A

10A

15A

22

5-1-4- Exploitation A partir de cette simulation on peut donc déterminer le di/dt et le Imax obtenus en fonction des différents paramètres (Ve, Rs et Cs). Remarque : Toutes ces simulations sont effectuées dans le quadrant Q2. 1er Cas : Rs = 1 O, Cs = 22 nF et Rc = 41.6 mO La condensateur Cs = 22 nF possède une résistance interne Rc de 41.6 mO.

Ve (V) 400 500 550 600 dI/dt (A/us) 191 264 291 312 Imax (A) 38.3 48 52.7 57.5

On a diminué la résistance du snubber afin d’augmenter le di/dt, mais cette diminution entraîne en même temps un phénomène d’oscillation. On retrouve l’allure d’un filtre LC (voir figure 17, p.23)

Time

5.0006ms 5.0007ms 5.0008ms 5.0009ms 5.0010ms 5.0011ms 5.0012ms 5.0013ms 5.0014ms1 V(X4:MT2) 2 I(L1)

0V

100V

200V

300V

400V

-99V

499V1

0A

10A

20A

30A

40A

-10A

50A2

>>

Figure 16- VAK et IAK (Rs = 1 O, Cs = 22 nF, Rc = 41.6 mO et Ve = 500 V)

2eme Cas : Rs = 0 O, Cs = 22 nF et Rc = 41.6 mO

Ve (V) 400 500 550 600 dI/dt (A/us) 241 303 338 355 Imax (A) 44 55 60.5 66

23

Time

5.000600ms 5.000800ms 5.001000ms 5.001200ms 5.001400ms 5.001600ms5.000448ms 5.001804ms1 V(L8:2) 2 I(L8)

0

100

200

300

400

4921

-40A

-20A

0A

20A

40A

60A2

>>

Figure 17- VAK et IAK (Rs = 0 O, Cs = 22 nF, Rc =41.6 mO et Ve = 500 V)

3eme Cas : Rs = 1 O, Cs = 47 nF et Rc = 25.7 mO La condensateur Cs = 47 nF possède une résistance interne Rc de 25.7 mO.

Ve (V) 400 500 550 600 dI/dt (A/us) 286 359 392 432 Imax (A) 60.5 75.7 83.4 90.8

Time

5.000600ms 5.000800ms 5.001000ms 5.001200ms 5.001400ms 5.001600ms 5.001800ms1 V(L8:2) 2 I(L8)

0V

100V

200V

300V

400V

-77V

484V1

0A

20.0A

40.0A

60.0A

-16.2A

77.4A2

>>

Figure 18- VAK et IAK (Rs = 1O, Cs = 47 nF, Rc =25.7 mO et Ve = 500 V)

24

4eme Cas : Rs = 0 O, Cs = 47 nF et Rc = 25.7 mO

Ve (V) 400 500 550 600 dI/dt (A/us) 364 457 505 539 Imax (A) 76.2 95.4 105 114.3

Time

5.00060ms 5.00080ms 5.00100ms 5.00120ms 5.00140ms 5.00160ms5.00045ms1 V(L8:2) 2 I(L8)

0V

100V

200V

300V

400V

-99V

498V1

0A

50.0A

-49.7A

99.4A2

>>

Figure 19 - VAK et IAK (Rs = 0O, Cs = 47 nF, Rc =25.7 mO et Ve = 500 V)

25

5-2- Essais Ce composant ACS108-6SX fonctionne uniquement en Q2 et Q3, contrairement aux

composants testés précédemment sur les platines. Cela pose donc un problème avec les

programmes de Labview. Initialement le programme commençait par effectuer les tests dans le

quadrant Q1. Ne fonctionnant pas en Q1 cela affecte le bon déroulement des tests dans les

autres quadrants. Des modifications ont donc du être apportée afin de tester uniquement Q2 et

Q3. On commence par tester Q2.

5-2-1- Essais dans Q2 On sait que les ACS sont résistant aux forts di/dt. Dans un premier temps on cherche à

déterminer leurs limites. On va donc supprimer la résistance du snubber, en la remplaçant par

un fil, afin d’accroître le di/dt appliqué. Les tests sont effectués pour le moment avec seulement

4 composants.

1er test : Ve = 300 V, Cs = 47 nF et Rs = 0 O

On commence par appliquer une tension de 300V à l’entrée de notre montage test. On envoie

des impulsions de gâchette avec un pas de 200. On s’aperçoit que les ACS ne sont pas

détériorés par cette manipulation. En effet les courants de fuites (en direct et en inverse) relevés

sont de l’ordre de quelques dizaines de nano ampère.

On va donc augmenter la tension d’entrée. On applique désormais une tension de 600 V en

entrée.

2eme test : Ve = 600 V, Cs = 47 nF et Rs = 0 O Dans ces conditions, la simulation donne un di/dt de 539 A/us.

On effectue le test sur quatre composants avec un pas de 2. A la suite des deux premières

impulsions deux des ACS présentent un courant de fuite en inverse de - 51 uA. Ce courant

dépasse la limite de fonctionnement, ces composants sont donc hors d’usage. Au pas suivant,

un troisième ACS présente le même courant de fuite en inverse. Après quatre impulsions il ne

reste donc plus qu’un seul composant en état de marche.

Le composant sur le circuit numéro 3 résiste à la succession de plusieurs impulsions. On

suspend donc ce test afin d’augmenter le pas à 200. Le composant résiste aux impulsions.

26

Remarque:

Au bout d’un moment le test est interrompu car les capacités de la platine n’étaient pas prévues

pour fonctionner à des tensions de 600 V. On a donc changé les capacités. De même on a

augmenté les résistances des optocoupleurs du circuit de détection de la tension pour résister à

600V.

3eme test : Ve = 600 V, Cs = 47 nF et Rs = 0 O Dans ces conditions, la simulation donne un di/dt de 539 A/us

On effectue une nouvelle mesure sur quatre composants avec un pas de 2. On s’aperçoit que les

ACS108-6SX présentent des forts courants de fuite en inverse et non en direct.

On peut voir ci-dessous le tableau d’évolution des courants de fuites en inverse exprimés en

ampère :

Nombre

d’impulsions 0 2 4 6 10 14 18 134

Circuit n°1 -20E-9 -40E-9 -23E-9 -36E-9 -27E-9 -51E-6

Circuit n°2 -26E-9 -51E-6

Circuit n°3 -19E-9 -40E-9 -35E-9 -50E-9 -45E-9 -45E-9 -52E-9 -52E-9

Circuit n°4 -41E-9 -51E-6

On peut voir que trois des composants ont été détériorés au bout de quelques impulsions.

Comme dans le test précédent le composant du circuit n°3 semble résister aux impulsions. On

peut donc envisager que cela est lié au circuit.

4eme test : Ve = 400 V, Cs = 47 nF et Rs = 0 O Dans ces conditions, la simulation donne un di/dt de 364 A/us.

On effectue ce test sur quatre composants avec un pas de 2. Au bout de plusieurs cycles aucun

composant n’est détérioré. On poursuit donc le test avec un pas de 200. Les composants ne

présentent toujours pas de forts courants de fuites.

On va donc augmenter la tension d’entrée. On applique désormais une tension de 500 V en

entrée.

27

5eme test : Ve = 500 V, Cs = 47 nF et Rs = 0 O Dans ces conditions, la simulation donne un di/dt de 457 A/us. On effectue une nouvelle mesure sur quatre composants avec un pas de 200. Aucun composant

n’est détérioré, on passe donc à une tension de 550V.

6eme test : Ve = 550 V, Rs = 0 O Sur les circuits numérotés de 1 à 4 on a Cs = 47 nF

Sur les circuits numérotés de 5 à 8 on a Cs = 22 nF

On lance le test sur les huit composants. Tous les composants ont claqués après 1h10 de temps

de cycles soit 27022 impulsions. Ils présentaient tous un fort courant de fuite en inverse.

Dans le tableau ci-dessous, on retrouve le nombre d’impulsions nécessaire pour détériorer

chaque composant :

Valeur de Cs Numéro de circuit Nombre d’impulsions n°1 622

n°2 2

n°3 27022

47 nF

n°4 4622

n°5 2

n°6 2

n°7 2

22 nF

n°8 2

On s’aperçoit que les composants sur les circuits ayant une capacité de snubber de 22 nF sont

en moyenne plus rapidement détériorés que les autres. Cependant le di/dt théorique appliqué

avec une capacité de 22nF est inférieur à celui appliqué avec une capacité de 47 nF.

Rappel de la partie simulation :

Pour Ve = 550 V, Rs = 0 O et Cs = 47 nF on a di/dt = 505 A/us

Pour Ve = 550 V, Rs = 0 O et Cs = 22 nF on a di/dt = 338 A/us

Le fait d’avoir toujours utilisé les quatre premiers circuits est peut être une explication à ce

phénomène paradoxal. En effet les composants des circuits de test ont peut être été détériorés

au cours des essais précédents.

28

7eme test : Ve = 500 V Sur les circuits numérotés de 1 à 4 on a Cs = 47 nF et Rs = 0 O

Sur les circuits numérotés de 37 à 40 on a Cs = 47 nF et Rs = 0 O



On a relevé la valeur du di/dt pour les trois cas grâce à un oscilloscope

Conditions : Ve = 500 V Cs = 22 nF Rs = 1 O Mesures : di/dt = 296 A/µs Imax = 49.2 A

Figure 20- VAK et IAK sur le circuit N°35


Figure 21 - VAK et IAK sur le circuit N° 6

29


Figure 22 - VAK et IAK sur le circuit N°39

On peut comparer ces résultats avec ceux de la simulation :

500 V Cs = 22 nF et Rs = 1O Cs = 22 nF et Rs = 0O Cs = 47 nF et Rs = 0O

Caractéristiques di/dt

(A/µs) Imax (A)

di/dt (A/µs)

Imax (A)

di/dt (A/µs)

Imax (A)

Valeurs obtenues à l’oscilloscope

296

49.2

352

55.6

400

90.8

Résultat de la simulation

264

48

326

55

457

95.4

On obtient donc des résultats assez proches entre la réalité et la simulation. Pour l’instant nous avons essentiellement réalisé des tests sur des petits échantillons de

composants. Ces tests ont permis de mieux cerner les limites de l’ACS108-S6X. Cependant ils

ne permettent pas de tirer de conclusions sur la fiabilité des composants soumis à de forts di/dt.

Par la suite, nous allons donc réalisés des essais sur des échantillons de 40 composants afin

d’obtenir des résultats plus représentatifs.

30

8eme test : Ve = 550 V, Cs =22 nF et Rs = 1 ohm Dans ces conditions, la simulation donne un di/dt de 291 A/µs. On effectue désormais le test sur 39 composants (tous sauf le circuit n° 3).

Après les mesures initiales, on s’aperçoit que quatre des composants présentent déjà des forts

courants de fuites en inverses. Après environ 60 millions d’impulsions il reste 27 composants.

On va s’intéresser à l’évolution des courants de fuites d’un composant. Pour cela, on utilise un

programme développé sous le logiciel matlab. Ce programme permet d’exploiter directement

les fichiers de mesures. On peut ainsi obtenir l’évolution des courants de fuites en fonction du

nombre d’impulsions.

On peut ainsi observer les courants de fuites du composant n° 5 (voir figure 23, p.30).

Figure23-Evolution des courants de fuites du composant N° 5

On peut voir que les courants de fuites sont variables d’une impulsion à une autre. Les courants de fuites ne suivent pas une tendance d’évolution.

31

On observe maintenant l’évolution pour un composant qui devient défaillant au cours du test, le n° 21 par exemple (voir figure 2, p.2).

Figure 24-Evolution des courants de fuites du composant N° 21

On peut noter la présence d’un palier, en effet, les courants de fuites n’évoluent pas linéairement.

32

Distribution de Weibull à deux paramètres :

100000,001,00E+7 1,00E+9 1,00E+11 1,00E+13 1,00E+15 1,00E+171,00

5,00

10,00

50,00

90,00

99,00

0,5

0,6

0,8

1,0

2,0

6,0β

η

Probability - Weibull

Time, (t)

Unr

elia

bilit

y, F

(t)

x 27

WeibullTest_8

W2 MLE - RRM MEDF=8 / S=27

β=0,0664, η=3,1297Ε+14 Figure 25- Distribution de Weibull

Sur la figure ci-dessus, on trace le taux de défaillance en fonction du nombre d’impulsions.

Pour un di/dt théorique de 291 A /us, on obtient un paramètre de durée de vie :

η = 3,19.10^14 impulsions et un β = 0,0664 bien inférieur à 1 qui caractérise bien des défauts

de jeunesse responsables de la mortalité infantile.

33

9eme test : Ve = 600 V, Cs =22 nF et Rs = 1 ohm

Dans ces conditions, la simulation donne un di/dt de 312 A/µs

On effectue le test sur 39 composants (tous sauf le circuit n°3).

Après les mesures initiales, on s’aperçoit que deux des composants présentent déjà des forts

courants de fuites en inverses. Après environ 17 millions d’impulsions, il reste 20 composants.

On a relevé la valeur du di/dt pour trois circuits différents :

Conditions : Ve = 600V Cs = 22 nF Rs = 1 O Mesures : di/dt = 500 A/µs Imax = 56.84 A




34


Figure 28 - VAK et IAK sur le circuit N° 6 Pour cet essai on remarque une différence anormale entre les différents di/dt mesurés (voir

figure 25, 26 et 27, p. 33 et 34). En effet les di /dt varient de 500 A/us à 280 A/us, ce qui

constitue un écart non négligeable. De plus on peut s’apercevoir que le courant évolue

anormalement surtout sur la figure 25. On peut donc remettre en question ces résultats

expérimentaux. Par défaut, on se basera donc sur les résultats de la simulation, c'est-à-dire un

di/dt de 312 A/us.

35


10,00 1,00E+131000,00 100000,00 1,00E+7 1,00E+9 1,00E+111,00

5,00

10,00

50,00

90,00

99,00

0,5

0,6

0,8

1,0

2,0

6,0

β

η


Time, (t)

Unr

elia

bilit

y, F

(t)

2

x 20

WeibullTest_9

W2 MLE - RRM MEDF=17 / S=20

β=0,0462, η=1,8539Ε+9 Figure 29- Distribution de Weibull


η =1,85.109 impulsions et un β = 0,0462 bien inférieur à 1 qui caractérise bien des défauts de

jeunesse responsables de la mortalité infantile. Ainsi en augmentant le di/dt on voit bien que la

durée du composant diminue considérablement. En effet, entre le test 8 et le test 9 le di/dt passe

de 291 à 312 A/us en simulation pour obtenir une durée de vie qui passe de 3,19.1014

impulsions à 1.85.109 impulsions.

36

10eme test : Ve = 600 V, Cs =22 nF et Rs = 0 ohm Dans ces conditions, la simulation donne un di/dt de 355 A/µs avec un Imax de 66 A.

Le test est effectué sur 36 composants. Au bout de 2 impulsions ils présentent tous de forts

courants de fuites en inverse.

On a relevé la valeur du di/dt:

Conditions : Ve = 600V Cs = 22 nF Rs = 0 O Mesures : di/dt = 448 A/µs Imax = 88 A

Figure 30- VAK et IAK sur le circuit N° 35 Ce relevé sur le circuit N° 35 présente une belle allure pour le courant contrairement aux

relevés précèdent (voir figure 26, p.33). On obtient une différence de 93A/us entre le di/dt

expérimentale et le di/dt simulé. Ainsi nous allons continuer à garder le di/dt simulé comme

référence de contrainte pour voir l’évolution de la durée de vie des composants.

37


1,00 10,00

1,00

5,00

10,00

50,00

90,00

99,00

0,9

1,0

1,2

1,4

1,6

2,0

3,0

4,0

6,0

β

η

ReliaSoft's Weibull++ 6.0 - www.Weibull.com


Time, (t)

Unr

elia

bilit

y, F

(t)

03/02/2005 13:07CompanyUser's Name

WeibullData 1

W2 RRX - RRM MEDF=37 / S=1

β=0,1467, η=0,0013, ρ=1,0000 Figure 31- Distribution de Weibull

Pour un di/dt théorique de 355 A /us, on obtient un paramètre de durée de vie:

η =0,0013 impulsions et un β = 0,1467 bien inférieur à 1 qui caractérise bien des défauts de

jeunesse responsables de la mortalité infantile. Ainsi, en augmentant le di/dt jusqu’à 355A/us

les composants sont tués quasi- instantanément. On va donc diminuer le di/dt pour obtenir une

meilleure évolution de ces triacs dans le temps. Pour ce faire nous allons diminuer la tension

Ve.

38

11eme test : Ve = 530 V, Cs =22 nF et Rs = 0 ohm. Dans ces conditions, la simulation donne un di/dt de 325 A/µs avec un Imax de 58.3 A.

Ce test est effectué sur 38 composants, au bout de 2 impulsions 26 composants présentent des

courants de fuite en inverse importants. Et il restait encore 4 composants au bout de 6 791 500

impulsions.


Figure 32 - VAK et IAK sur le circuit N° 6 On obtient un di/dt expérimental de 333A/us avec un Imax de 69,6 A. Ainsi les résultats entre

la simulation et l’expérimentation sont proches.

39


1,00 1000000,0010,00 100,00 1000,00 10000,00 100000,00

1,00

5,00

10,00

50,00

90,00

99,00

0,5

0,6

0,7

0,8

1,0

1,2

1,6

2,0

3,0

6,0β

η

ReliaSoft's Weibull++ 6.0 - www.Weibull.com


Time, (t)

Unr

elia

bilit

y, F

(t)

03/02/2005 13:32CompanyUser's Name

WeibullData 1

W2 RRY - RRM MEDF=34 / S=4

β=0,0506, η=0,1995, ρ=0,9937 Figure 33- Distribution de Weibull


η =0,1995 impulsions et un β = 0,0506 bien inférieur à 1 qui caractérise bien des défauts de

jeunesse responsables de la mortalité infantile.

40

Récapitulatifs des différents tests :

Test 8 Test 9 Test 10 Test 11

Di/dt (A/us)

Simulé

291

312

355

325

η (durée de vie

des composants)

en impulsions

3,19.1014

1,85.109

0,0013

0,1995

Ainsi à travers ce tableau on voit bien l’évolution de la durée de vie des composants triacs

ACS108-6SX. Plus on augmente la contrainte di/dt plus la durée de vie des composants

diminue. C’est un résultat tout à fait évident. Mais grâce à cette étude on peut donner un

intervalle de confiance pour ces composants, car on sait désormais que ces triacs pourront être

utilisé jusqu’à une contrainte en di/dt comprise entre 312 et 325 A/us (exclu). Nous aurions

aimé faire une étude plus précise dans cette intervalle pour obtenir plus précisément la

contrainte limite de ces composants. Mais ces tests auraient demandés des semaines de

simulations que nous n’avions plus à disponibilités.

41

Conclusion

A travers ce projet, nous avons donc étudié la fiabilité du TRIAC ACS108-6SX. Pour

ce faire nous avons du dans un premier temps étudier le banc de test mais aussi, les

caractéristiques de ce triac via les fiches constructeurs. Puis nous avons simulés le

comportement de ce composant avec le logiciel ORCAD afin d’obtenir un ordre de grandeur

sur le di/dt. En outre, nous avons du trouver une méthodologie expérimentale adéquate afin

d’optimiser notre étude statistique de fiabilité via le logiciel Weibull++. Nous avons découverts

que le triac ACS108-6SX, contraints à de forts di/dt, subissait des défauts caractérisaient sur les

courants de fuite en inverse. En effet, lors d’une défaillance le courant de fuite du composant

passe de l’ordre de 10-9 à 10-6 A.

On peut donc noter la présence d’un palier lors de la défaillance. En effet, les courants de fuites

n’évoluent pas linéairement. Quant à la limite en di/dt pour ce composant on peut à travers

notre étude conclure qu’elle est compris entre 312 et 325 (exclu) A/us pour obtenir une durée

de vie tout à fait acceptable. Ainsi, pour ne pas prendre de risque ce triac peut subir un di/dt

jusqu’à 300A/us.

42

Remerciements

Nous tenons à remercier toutes les personnes qui ont fait en sorte que ce projet se déroule dans

de bonnes conditions et notamment :

Monsieur Thierry LEQUEU, maître de conférence à l’IUT GEII, pour ces précieux conseils

tout au long du projet.

Monsieur Stéphane MOREAU, doctorant chez STMicroelectronics, pour le suivi du banc de

test lorsque nous n’avions pas PII. Mais aussi pour nous avoir fait visiter le Laboratoire

d’Analyse Technologique (L.A.T).

Toute l’équipe du LMP pour sa bonne ambiance de travail.

.

43

Bibliographie Stéphane Forster. Fiabilité fonctionnelle et mécanismes de dégradation des triacs soumis aux

chocs thermiques par di/dt à la fermeture. Thèse de doctorat, Université de Metz, 10 septembre

2001.

Stéphane Moreau. Mécanismes de dégradation et fiabilité fonctionnelle des interrupteurs

bidirectionnels tels que les triacs. Thèse de doctorat, Université Joseph Fourier Collège

doctoral de l’INP Grenoble.

Florence Arnaud. Fiabilité des Triacs. Université Paul Sabatier de Toulouse DESS

Microélectronique.

Etude de la fiabilité des composants de puissance ACS de ... · puissance ACS de type TRIAC et...

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