Conception d'un circuit intégré en SiC appliqué aux convertisseur de moyenne puissance

275 Pages·2016·9.91 MB·French

Conception d’un circuit intégré en SiC appliqué aux
convertisseur de moyenne puissance
Jean-François Mogniotte
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Jean-François Mogniotte. Conception d’un circuit intégré en SiC appliqué aux convertisseur de
moyenne puissance. Electronique. INSA de Lyon, 2014. Français. ￿NNT: 2014ISAL0004￿. ￿tel-
01077715￿
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INSA DE LYON
N◦ d’ordre:2014-ISAL-0004
Thèse
Présentéeà
L’InstitutNationaldesSciencesAppliquéesdeLyon
Envued’obtenir
LEGRADEDEDOCTEUR
ECOLEDOCTORALE:ELECTRONIQUEELECTROTECHNIQUEAUTOMATIQUE
FORMATIONDOCTORALE:GENIEELECTRIQUE
par
Jean-François MOGNIOTTE
Ingénieurdel’INSAdeLyon
Conception d’un circuit intégré en SiC appliqué aux convertisseurs de
moyenne puissance
Présentéele 07Janvier2014devantlejurycomposédeMessieurs:
Pr.PhilippeGODIGNON, Président
Pr.FrédéricMORANCHO, Rapporteur
CR.Jean-ChristopheCREBIER, Rapporteur
Dr.MathieuBERVAS, Examinateur
Pr.DominiquePLANSON, Directeurdethèse
Dr.DominiqueTOURNIER, Co-directeurdethèse
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INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales – Quinquennal 2011-2015
SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE
CHIMIE DE LYON M. Jean Marc LANCELIN
CHIMIE http:// www.edchimie-lyon.fr Université de Lyon – Collège Doctoral
Bât ESCPE
43 bd du 11 novembre 1918
Sec :Renée EL MELHEM
69622 VILLEURBANNE Cedex
Bat Blaise Pascal
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Insa : H. CHARLES 43 bd du 11 novembre 1918
69622 VILLEURBANNE Cédex
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e2m2@ univ-lyon1.fr
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Matériaux http://ed34.universite-lyon.fr INSA de Lyon
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Secrétariat : M. LABOUNE Bâtiment Saint Exupéry
PM : 71.70 –Fax : 87.12 7 avenue Jean Capelle
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MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE M. Philippe BOISSE
MEGA CIVIL, ACOUSTIQUE INSA de Lyon
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PM : 71.70 –Fax : [phone] VILLEURBANNE Cedex
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ScSo* M. OBADIA Lionel
ScSo http://recherche.univ-lyon2.fr/scso/ Université Lyon 2
86 rue Pasteur
Sec : Viviane POLSINELLI 69365 LYON Cedex 07
Brigitte DUBOIS Tél : [phone] Fax : [phone]
Insa : J.Y. TOUSSAINT [email protected]
*ScSo : Histoire, Géographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie
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A ma famille, à mes parents et à Maryne
"Le Seigneur sera avec toi partout où tu iras." (Josué 1.9)
iii
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Résumé
L’émergence d’interrupteurs de puissance en SiC permet d’envisager des convertisseurs de
puissance capables de fonctionner au sein des environnements sévères tels que la haute tension
(> 10 kV) et la haute température (> 300 ◦C). Aucune solution de commande spécifique à
ces environnements n’existe pour le moment. Le développement de fonctions élémentaires en
SiC (comparateur, oscillateur) est une étape préliminaire à la réalisation d’un premier démons-
trateur. Plusieurs laboratoires ont développé des fonctions basées sur des transistors bipolaires,
MOSFETs ou JFETs. Cependant les recherches ont principalement portées sur la conception
de fonctions logiques et non sur l’intégration de drivers de puissance. Le laboratoire AMPERE
(INSA de Lyon) et le Centre National de Microélectronique de Barcelone (Espagne) ont conçu
un MESFET latéral double grille en SiC. Ce composant élémentaire sera à la base des diffé-
rentesfonctionsintégréesenvisagées.
L’objectifdecesrecherchesestlaréalisationd’unconvertisseurélévateurdetension"boost"
monolithique et de sa commande en SiC. La démarche scientifique a consisté à définir dans un
premier temps un modèle de simulation SPICE du MESFET SiC à partir de caractérisations
électriquesstatiqueetdynamique.Ensebasantsurcemodèle,descircuitsanalogiquestelsque
des amplificateurs, oscillateurs, paires différentielles, trigger de Schmitt ont été conçus pour
élaborerlecircuitdecommande(driver).Laconceptiondecesfonctionss’avèrecomplexepuis-
qu’il n’existe pas de MESFETs de type P et une polarisation négative de -15 V est nécessaire
aublocagedesMESFETsSiC.Unestructureconstituéed’unpontredresseur,d’unboostrégulé
avecsacommandebaséesurcesdifférentesfonctionsaétéréaliséeetsimuléesousSPICE.
L’ensemble de cette structure a été fabriqué au CNM de Barcelone sur un même substrat
SiC semi-isolant. L’intégration des éléments passifs n’a pas été envisagée de façon monoli-
thique (mais pourrait être considérée pour les inductances et capacités dans la mesure où les
valeursdescomposantsintégréssontcompatiblesaveclesprocessusderéalisation).Leconver-
tisseuraétédimensionnépourdélivrerunedepuissancede2.2Wpourunesurfacede0.27cm2,
soit8.14W/cm2.
Lescaractérisationsélectriquesdesdifférentscomposantslatéraux(résistances,diodes,tran-
sistors)validentlaconception,ledimensionnementetleprocédédefabricationdecesstructures
élémentaires,maisaussidelamajoritédesfonctionsanalogiques.
Lesrésultatsobtenuspermettentd’envisagerlaréalisationd’undrivermonolithiquedecom-
posants Grand Gap. La perspective des travaux porte désormais sur la réalisation complète du
démonstrateuretsurl’étudedesoncomportementenenvironnementsévèrenotammentenhaute
température(> 300◦C).Desanalysesdesmécanismesdedégradationetdefiabilitédesconver-
tisseursintégrésdevrontalorsêtreenvisagées.
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RÉSUMÉ
vi RÉSUMÉ
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Abstract
The new SiC power switches is able to consider power converters, which could operate in
harsh environments as in "High Voltage" (> 10 kV) and High Temperature (> 300 ◦C). Cur-
rently, they are no specific solutions for controlling these devices in harsh environments. The
development of elementary functions in SiC is a preliminary step toward the realization of a
first demonstrator for these fields of applications. AMPERE laboratory (France) and the Na-
tional Center of Microelectronic of Barcelona (Spain) have elaborated an elementary electrical
compound,whichisalateraldualgateMESFETinSiliconCarbide(SiC).
The purpose of this research is to conceive a monolithic power converter and its driver in
SiC. The scientific approach has consisted of defining in a first time a SPICE model of the ele-
mentary MESFET from electric characterizations (fitting). Analog functions as : comparator,
ringoscillator,Schmitt’strigger...havebeendesignedthankstothisSPICE’smodel.Adevice
basedonabridgerectifier,aregulated"boost"anditsdriverhasbeenestablishedandsimulated
with the SPICE Simulator. The converter has been sized for supplying 2.2 W for an area of
0.27cm2.
ThisdevicehasbeenfabricatedatCNMofBarcelonaonsemi-insulatingSiCsubstrate.The
electrical characterizations of the lateral compounds (resistors, diodes, MESFETs) checked the
design, the "sizing" and the manufacturing process of these elementary devices and analog
functions.
The experimental results is able to considerer a monolithic driver in Wide Band Gap. The
prospects of this research is now to realize a fully integrated power converter in SiC and study
its behavior in harsh environments (especially in high temperature > 300 ◦C). Analysis of
degradation mechanisms and reliability of the power converters would be so considerer in the
future.
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ABSTRACT
viii ABSTRACT
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Remerciements
Je tiens en tout premier lieu exprimer mes remerciements M. MORANCHO et M. CRE-
BIERpouravoiracceptéderapportercetravailderecherche.
Je tiens également à remercier le Centre Nationale de Microélectronique de Barcelone par-
ticulièrementJoséMILLANetPhilippeGODIGNONpourlesupporttechniqueapportédurant
cettethèse;ainsiquelaDirectionGénéraledel’Armementpoursonsoutienfinancier.
CestravauxderecherchesesontdéroulésaulaboratoireAMPEREdel’INSAdeLyonsous
la co-direction de D. PLANSON et de D. TOURNIER. J’adresse mes remerciement à l’en-
sembledupersonnelnotammentAbderrahim,Aude,Benoît,Bruno,Christian,Christophe,Cy-
ril, Farah, Florent, Florian, Gabriel, Hervé, Jean-Yves, Khalil, Luong Viet, Maher, Marie-Guy,
Martin,Mihaï,Nicolas,Raphaël,Rémy,Sandrine,Simon,Stanislas,Thibaut,ThomasetXavier.
Je remercie également le personnel enseignant des départements Génie Electrique et Tele-
com,ServicesetUsagesdel’INSAdeLyonparticulièrementChantal,François,Olivier,Pascal
etThomas.
J’exprimemaplusgrandegratitudeetreconnaissanceàOlivierBREVETetJean-PierreCHANTE
sansquitoutcelaneseraitpeut-êtrejamaisarrivé.
Je tiens également à remercier Pascal BEVILACQUA pour son aide et ses conseils tech-
niquesapportésaucoursdecettethèse.
JeremercieaussiPierreBROSSELARDpoursesconseils,sagentillesse,sadisponibilitéet
lepartagedesonexpérience.
J’adresse mes remerciements à Dominique PLANSON, qui fut mon directeur de thèse. Je
le remercie notamment pour sa bonne humeur, sa gentillesse et ses grandes qualités d’encadre-
ment.
Je veux particulièrement remercier mon principal encadrant Dominique TOURNIER pour
sa grande disponibilité, son soutien morale et technique, ses nombreux conseils et surtout sa
confianceaccordée.
Je remercie ma famille et mes amis pour leur soutien constant. Je pense particulièrement à
Alain,Amandine,Anthony,Asselin,Carine,Claire,David,Daniel,Eric,Karine,Laurine,Jean-
Baptise, Marie-Antoinette, Marie-Emmanuelle, Michel, Nicole, Patrick, Pauline, Raphaël, Sté-
phane,Thérèse,ValérieetVincent.
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