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International audience; Lors de la phase de développement d’un prototype de convertisseur d’électronique de puissance, une étude de la puissance dissipée par le module est nécessaire afin de dimensionner les dissipateurs thermiques. Une seconde problématique est de s’assurer que les perturbations électromagnétiques émises par le système respect les normes en vigueur. Pour ces deux points une campagne de mesures de tension et courant en certains points peut être réalisée à condition de prendre certaines précautions liées à la bande passante des sondes utilisées. Pour se faire, une caractérisation des sondes de mesures doit être effectuée en mesurant leur fonction de transfert afin de réaliser une déconvolution dans le domaine temporel du signal mesuré et supprimer la signature des sondes. Une mesure du transfert de mode (Mode Commun vers Mode Différentiel) de ces sondes doit également être réalisée. La méthode est évaluée ici en comparant la puissance dissipée mesurée électriquement avec celle mesurée thermiquement.

International audience; This paper details EMC (electromagnetic compatibility) analysis on an inverter application. The work deals with the whole power chain (±270Vdc input voltage to 3-phase 115 Vac output voltage). This inverter is composed by modular parts (power module and EMC filters) that supply motors in more electrical aircraft. Through our analysis an approach is defined to design a detailed lumped circuit model of the power module layout by using Q3D extractor and SABER software. From this first step, the power module layout design is improved by reduced parasitic impedances at high frequency (around 30 MHz). Then whole power converter is modeled in SABER by including switches (SiC MOSFET models), LISN (line impedance stabilization network), harness, and load models. I Introduction The more electrical aircraft aims to offer many benefits [1]. On the one hand, it reduces operating costs, fuel consumption and the environmental impact of the future air travel. On the other hand, the use of electrical equipment leads to advantages in terms of maintenance, power control and efficiency [2], [3]. Thanks to this concept, electrical systems should substitute conventional power sources used in aircraft. As a result, they take a significant part of the total aircraft mass. Among these systems, there are power electronic converters that control actuator energy. Different efforts are made in order to improve power electronic converter efficiency by considering new semiconductor technologies (GaN, SiC …). These efforts also allow to increase switching frequency and, operating temperature in the way to reduce passive components and cooling requirements. Within the scope of the EU research and innovation program Horizon2020 [4], the I 2 MPECT project [5] aims to bridge this gap and create synergies for the aircraft industry with other industries. The goals of the I 2 MPECT project are the following:  Increase efficiency, power density of power electronic conversion systems through the use of wide band gap devices and innovative cooling technology.  Increase reliability and efficiency by use of advanced packaging and thermal management solutions.  Enable reduced maintenance cost and increase availability by employing health-monitoring techniques.  Reduce qualification and certification cost through the availability of modularized power electronic modules. The I 2 MPECT project aims to demonstrate these achievements with a 45 kW 3-phase bidirectional DC-AC power converter featuring a power to weight ratio of 15 kW/kg at an efficiency of 99% for the power electronics core component. In this project the use of SiC MOSFET should make possible to increase switching frequency to reduce passive components size. However, high switching frequency implies EM (ElectroMagnetic) disturbances that must be taken into account in the design phase. This paper presents detailed lumped circuit model of the advanced layouts of the inverter by combining both Q3D extractor (3D EM Simulator) and SABER software (Electrical Circuit Simulator). This approach allows analysing the distribution of impedances through these layouts and act to improve layout design in order to decrease stray inductance at high frequency. The coupling between Q3D and SABER allows simulating the whole system (layout model, active component model (MOSFET), control part, LISN …). Section II explains the importance of detailed lumped circuit model for EMC analysis. In section III, the simulation approach and layout design improvement are described. The simulation results are summarized in section IV. A conclusion and perspectives are given in section V. II Simulation approach of layout circuit model To analyse EM disturbances and design EMC filters, it's necessary to model the whole power converter in order to get EM signatures. There are two main approaches to get simulation model: the first one is behavioural modelling approach [6] which is suitable when there are no details about inverter layout and it requires few computational time. However, since there is no information about impedance distribution, it is not possible to correlate EM disturbances to the layout. As a result, this technique cannot be used to improve layout. The second one is a detailed lumped circuit modelling approach based on the physics of the circuit. It is the classical way to model any electronic circuit. The interconnections like wires and printed circuit board (PCB) traces are modelled using

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International audience; Silicon Carbide (SiC) components are accepted devices for high temperature and high efficiency applications. Normally-on SiC JFETs are now commercialized and will be used in future power converters. However, such devices are conducting when not driven with a sufficient negative voltage, which can lead to safety issues during start-up or abnormal operation of the gate driver. Therefore, it is needed to generate an auxiliary negative voltage to turn-off the JFET in order to protect the system. Moreover, insulation is necessary to cover all failure modes. Prior papers presented solution to protect such devices but no high temperature isolated solution were demonstrated. In this paper, a solution to protect JFETs used in a high temperature (200°C) voltage source inverter is proposed. The protection circuit, components selection and characterizations for high temperature application are detailed. Experimental results are provided and validate the design of the isolated normally-on protection circuit up to 200°C.

International audience; The use of normally on Silicon Carbide (SiC) JFET devices poses the question of safety and reliability in Voltage Fed Inverter (VFI) applications. Indeed, when a JFET is not driven with a sufficient negative voltage, the JFET is conducting and the VFI may be short-circuited. Therefore, it is needed to generate a negative voltage to turn-off the JFET to protect the VFI in case of gate driver failure. The settling time of this negative voltage must be inferior to the power system constant time to reduce the rise time of the short-circuit current. In this paper, a solution to protect the JFET and the system is proposed. A circuit description of an innovative topology using a Forward-Flyback topology with Primary Side Sensing (PSS) technique and an Output Voltage Estimation based on the Time Constant Matching (OVETCM) is presented. Moreover, the converter protects the VFI for an input range from 3 V to 610 V and up to 150 °C. Experimental results are provided and validate the design of the safety system.

International audience; This paper reports the design, fabrication and experimental performance of a 2kW, 20kHz, High Temperature, three-phase, all-SiC JFET Voltage Source Inverter (VSI). The inverter includes a specific JFET driver and a DC-link capacitor. All these elements have been validated over a wide temperature range, between 25°C and 200°C. The power device used, a 1200V, 15A, JFET from SiCED has been characterized up to 200°C. An innovative reliable protection circuit for normally-on devices is also presented and validated.

International audience; In this paper, the authors propose a solution to provide self protection in a normally-On JFET voltage fed inverter. The solution is a plug-in to an existing Gate driver. An overview of JFET Gate driving serves as an introduction to the problem of self protection of inverters using Normally-On devices.

Les marchés de la conversion d'énergie dans l'aéronautique, l'automobile et les transports terrestres sont en pleine croissance, en particulier l'électronique de puissance en raison de l'utilisation de plus en plus répandue d'actionneurs électriques commandés par commutateurs électroniques, qui viennent se substituer aux actionneurs hydrauliques. Une bonne fiabilité des systèmes électroniques de puissance embarqués est indispensable non seulement pour garantir la sécurité des systèmes ( et par conséquent des personnes ) mais aussi pour diminuer les coûts liés à la maintenance et à la non disponibilité des systèmes. L'objectif du projet CEPIA est de développer une approche de fond de la problématique « fiabilité prédictive « des électroniques de puissance pour les applications embarquées. En effet, la prédiction de la fiabilité dès la phase de conception permettra de retenir les architectures des systèmes répondant au mieux au besoin client et d'introduire les nouvelles technologies de manière maîtrisée.

(ITCT 2006 - Journées internationales d'études Ingénieries des Technologies Communes aux Transports terrestres, maritimes, aériens et spatiaux, Paris, FRANCE, 20-/11/2006 - 23/11/2006; La thématique de recherche abordée dans cet article est motivée par l'utilisation croissante de l'électricité dans le domaine des transports, avec la recherche d'une réduction de la consommation d'énergie et de l'émission des gaz polluants. Cette mutation conduit au développement de systèmes complexes, assemblages de briques fonctionnelles permettant l'optimisation de la gestion de l'énergie électrique embarquée, avec des spécifications sévères en termes de fiabilité et de durée de vie. Avant de nous focaliser sur les difficultés liées à l'intégration des dispositifs de conversion d'énergie électrique dans des environnements de plus en plus sévères, nous tenterons de faire une présentation générale de la problématique posée. Finalement, et après avoir exposé les objectifs et la méthodologie employée, nous présenterons une étude cherchant à évaluer le comportement de différents substrats céramiques utilisés pour la réalisation de modules de puissance adaptés à la haute température et soumis à des cycles de température de grande amplitude. Cet article montre ainsi les principaux modes de défaillances rencontrés, et expose les principaux facteurs qui peuvent permettre une amélioration la durée de vie des assemblages de puissance dans des environnements thermiques extrêmement sévères.

SAAEI-EPF 2004 - Annual seminar on automatic control, industrial electronics and instrumentation, Electronique de puissance du futur, Toulouse, FRANCE, 15-/09/2004 - 17/09/2004; Cet article présente la réalisation d'un véhicule de test (module de puissance) développé pour étudier la faisabilité d'un convertisseur dédié à des températures de fonctionnement élevées pour des applications avioniques. Le module, réalisé par la société APT Europe, sera présenté en détail. Le choix des matériaux d'assemblage ainsi que celui des composants actifs sont présentés et discutés. En particulier, l'utilisation de diodes Schottky sic et transistors coolmos est justifiée à travers les caractérisations électriques et leurs comportements jusqu'à des températures de 200°c.

PCIM 2004 - International conference power electronics, intelligent motion, power quality, Nuremberg, ALLEMAGNE, 25-/05/2004 - 27/05/2004; In avionic applications, a growing demand for devices being capable of operating at high temperatures is developing. In these applications, semiconductor devices are placed on the engine, in very harsh operating conditions with an ambient temperature which could reach about 200°c. The paper will present the realisation of test vehicles (power modules) dedicated to avionic applications in high temperature applications. The paper will also present electrical characterisation of semiconductor devices in high temperature operations in order to justify the choice of silicon carbibe schottky diodes and coolmos tansistors. The high temperature power module realised by apt europe will be presented in detail.

Today’s main challenge for aeronautical equipment manufacturers is to respond to the more electrical aircraft regulations. Moreover, there are many applications in aircraft area where high temperature technologies are needed. Nowadays, the replacement of hydraulic systems for electric ones leads to place the power inverters in a harsh environment, for example in the engine nacelle. The equipment is under high constraints such as high and low temperatures, wide temperature cycling, high humidity and low pressure. Combined to these environmental constraints, the new aircraft system is submitted to weight and operating cost reduction. As a consequence, efforts shall be done to reduce weight and volume of the power converter without losing its performance. To reach such a goal, the design of the converter must enable a high level of integration, efficiency and reliability. In particular, fatigue damage has a significant influence on such modules electrical power performance. And fatigue-related performance testing remains a costly endeavor for aeronautical equipment. A finite number of destructive tests can be carried out in specific facilities for a fairly low number of configurations. The purpose of these destructive tests is to investigate the failure modes appearing regarding this accelerated ageing. Therefore numerical simulations have been envisaged since non-destructive, easily evolving and usable for a high number of configurations, though needing data from experimental assays. In this study, we propose a method dealing with the main constraints for such equipment, i.e. electrical, thermal and mechanical simulation. Those three physical problems have different characteristic time and are strongly coupled with a non-trivial behavior. To optimize the resources usage and have a relevant representation of the problem, a 1D electrical / 3D thermal / 3D mechanical coupled method has been implemented over a co-simulation bus. Different time steps, different abstraction levels and different skills are used to provide predictions of the multiphysical fatigue behavior of power modules., Le principal défi auquel sont confrontés aujourd'hui les équipementiers aéronautiques est d'augmenter l'utilisation des systèmes électriques à bord de l'avion. De nos jours, le remplacement des systèmes hydrauliques par des actionneurs électriques conduit à placer les systèmes électriques dans un environnement hostile, par exemple dans la nacelle du moteur. L'équipement est soumis à des contraintes sévères telles que des températures élevées et basses, un cycle thermique étendu, une humidité élevée et une basse pression. En conséquence, des efforts doivent être faits pour réduire le poids et le volume du convertisseur de puissance sans perdre ses performances. Pour atteindre cet objectif, la conception de modules de puissance doit permettre un haut niveau d'intégration, d'efficacité et de fiabilité. On s’intéresse en particulier aux dommages causés par la fatigue qui ont une influence significative sur les performances électriques de ces modules. Les tests de performance liés à la fatigue restent des efforts coûteux pour l'équipement aéronautique. Un nombre fini de tests destructifs, par vieillissement accéléré, peut être effectué pour un nombre assez faible de configurations. Le but de ces tests est d'étudier les modes de défaillance apparaissant lors du vieillissement accéléré. Par conséquent, des simulations numériques ont été envisagées, facilement évolutives et utilisables pour un grand nombre de configurations, mais nécessitant des données d'essais expérimentaux. Dans ce manuscrit, quelques modes de défaillances sont étudiés. On propose une méthode numérique intégrant les contraintes principales dans les équipements, à savoir la simulation électrique, thermique et mécanique. Ces trois problèmes physiques ont des temps caractéristiques différents et sont fortement couplés avec un comportement non trivial. Pour optimiser l'utilisation des ressources et avoir une représentation pertinente du problème, un procédé couplé électrique 1D / thermique 3D / mécanique 3D a été implémenté sur un bus de cosimulation. Différents pas de temps, différents niveaux d'abstraction et différentes compétences sont utilisés pour fournir un modèle multiphysique de modules de puissance.