La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

1 Intégration de lalimentation de la commande rapprochée dun interrupteur de puissance à potentiel flottant Radoslava Mitova Directeur de thèse: Christian.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "1 Intégration de lalimentation de la commande rapprochée dun interrupteur de puissance à potentiel flottant Radoslava Mitova Directeur de thèse: Christian."— Transcription de la présentation:

1 1 Intégration de lalimentation de la commande rapprochée dun interrupteur de puissance à potentiel flottant Radoslava Mitova Directeur de thèse: Christian Schaeffer Co-encadrants: Jean-Christophe Crébier Laurent Aubard 27 Octobre 2005

2 2 INTRODUCTION Optimisation de la gestion de lénergie Place de plus en plus importante de lélectronique de puissance dans les produits grand public et dans les produits industriels Marché fortement concurrentiel Intégration des structures de lélectronique puissance Efforts chez les industriels de réduction de coût et daugmentation de la densité de puissance Fonctionnalités ajoutées - commande, protection… Différents types dintégration monolithique hybride « Integrated Drive Module » (IDM) [SEMIPOWER] Mini-Profet [INFINEON]

3 3 Source dénergie Filtre Commande éloignée Commande rapprochée Isolation galvanique Alimentation Interrupteur CALC Organes de gestion, des protections, dV/dt, I, V, T°,CEM Refroidisseur Charge INTRODUCTION

4 4 PLAN DE LA PRESENTATION 1.INTRODUCTION 2.AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT - solutions, principes de fonctionnement, validation expérimentale, rendement 3.CONCEPTION ET REALISATION DUN MOSFET DE PUISSANCE AVEC LES ELEMENTS DE LALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE - dimensionnement physique et électrique, validation expérimentale 4.SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET VERTICAL - fonctionnement du JFET vertical, modélisation, résultats expérimentaux 5. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

5 5 PLAN DE LA PRESENTATION 1.INTRODUCTION 2.AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT - solutions, principes de fonctionnement, validation expérimentale, rendement 3.CONCEPTION ET REALISATION DUN MOSFET DE PUISSANCE AVEC LES ELEMENTS DE LALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE - dimensionnement physique et électrique, validation expérimentale 4.SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET VERTICAL - fonctionnement du JFET vertical, modélisation, résultats expérimentaux 5. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

6 6 CAHIER DE CHARGE - Faire appel aux solutions intégrables sur silicium - Compatibilité des filières technologiques des composants - Réduire au maximum les étapes technologiques supplémentaires - Éliminer la nécessité dune alimentation externe de la commande II. LAUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT

7 7 LALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT Inconvénients : - Difficilement intégrable - Coût - Nécessité dune alimentation externe Le transformateur dimpulsion : [COILCRAFT] Avantages : - Transmission simultanée de lénergie et des signaux de commande - Haute tension disolement (10kV) II. LAUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT

8 8 La pompe à charge : Inconvénients : - Faible tension de fonctionnement - Faible isolation - Grand nombre des capacités requises - Nécessité dune alimentation externe Avantages : - Intégrable pour des faibles et moyennes tensions et pour des faibles valeurs des capacités de stockage II. LAUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT LALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT

9 9 Inconvénients : - Fonctionnement impossible en régime statique - Nécessité dune alimentation externe pour la commande - Tension dalimentation unipolaire Bootstrap : Avantages : - Haute tension de fonctionnement (1200V) - Une seule alimentation non isolée pour un bras donduleur II. LAUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT LALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT

10 10 LAUTO-ALIMENTATION Le principe de lauto-alimentation : Prélever de lénergie aux bornes de linterrupteur de puissance et alimenter la commande rapprochée avec cette énergie Énergie Interrupteur de puissance Vers lalimentation de la commande REGULATION D C R Commande rapprochée II. LAUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT

11 11 LA TOPOLOGIE MOSFET/MOSFET Avantages : - Pas dalimentation externe de la commande - Compatibilité entre les filières technologiques des composants Inconvénients : - Capacité de stockage et la résistance sont difficilement intégrables sur silicium - Le fonctionnement en régime statique - La branche de polarisation crée des pertes V Cs 0V charge décharge ON OFF ON OFF ON OFF ON V DS 0V D Z D b C S Signal de la commande t Commande rapprochée R G V DS V DSa MOSFET auxiliaire MOSFET principal V CSCS V DB V GSa V DZ I P OFF ON 0V II. LAUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT Rp maintien

12 12 MODELISATION DYNAMIQUE DE LAUTO-ALIMENTATION II. LAUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT Résultats de simulations sous PSPICE dun hacheur série avec interrupteur auto-alimenté Formes dondes générales Ouverture DC source 200V Diode de roue libre Charge D Z D b CSCS Commande rapprochée RGRG MOSFET auxiliaire MOSFET principal V CS V DB V GS V Z I P OFF Rp C DGa C GSa C DSa I DSa =f(V GSa ) Grille V GSa 0V OFF V DS 0V V th 0V V Cs VZVZ 0V V Z avanlanche

13 13 VALIDATION EXPERIMENTALE DE LAUTO-ALIMENTATION V DS =250V C S =22nF F=30KHz =0.5 V source Charge Capacité de stockage MOSFET auxiliaire MOSFET principal II. LAUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT Formes dondes générales Ouverture Fermeture

14 14 RENDEMENT DE LAUTO-ALIMENTATION Commutation à louverture Commutation à la fermeture Somme des pertes dans linterrupteur principal + lInterrupteur auxiliaire) 0.33W0.42W Interrupteur Commutation à louverture Commutation à la fermeture Principal (alim. ext.)0.46W0.26W Ouverture Le surcoût énergétique de lauto-alimentation est négligeable 2.5A 2A 1.5A 1A 0.5A 0A II. LAUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT Fermeture V DS =150V C S =22nF F=30KHz =0.5 R g =67

15 15 CONCLUSION Solution pour lalimentation de la commande rapprochée dun interrupteur à potentiel flottant contenant deux MOSFETs. La topologie est entièrement intégrable avec linterrupteur principal suivant les mêmes étapes technologiques et sans étape supplémentaire. Pas dalimentation externe pour la commande rapprochée. Le principe de fonctionnement de lauto-alimentation a été validé par des simulations et avec des composants discrets. La solution MOSFET/MOSFET ne crée que de faibles augmentations de pertes en commutation. Conception dun composant de puissance intégrant des éléments de lauto-alimentation avec linterrupteur principal II. LAUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT

16 16 PLAN DE LA PRESENTATION 1.INTRODUCTION 2.AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT - solutions, principes de fonctionnement, validation expérimentale, rendement 3.CONCEPTION ET REALISATION DUN MOSFET DE PUISSANCE AVEC LES ELEMENTS DE LALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE - dimensionnement physique et électrique, validation expérimentale 4.SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET VERTICAL - fonctionnement du JFET vertical, modélisation, résultats expérimentaux 5. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

17 17 INTEGRATION DE LAUTO-ALIMENTATION Si0 2 N N+ Al Source Grille Drain P+ PP P P N+ Source Grille périphérie MOSFET auxiliaire Cs + Diode Db Diode Zener D Z Diode D P Périphérie 250µm MOS principal P+ 3mm périphérie D Z D b C S Signal de la commande t Commande rapprochée D p R G MOSFET auxiliaire MOSFET principal Chemins de découpe Chemins de découpe MOSFET principal 3mm N+ P+ N+ Chemins de découpe MOS auxiliaire

18 18 LA CONCEPTION DU MOSFET Caractéristiques électriques Paramètres physiques Si0 2 N+ Al Source Grille Drain P+ P P N+ P N Grille e SiO2 N+ Porte- canal Îlot P+ Distance intercellulaire N+ Canal Paramètres géométriques statiques dynamiques V BR - Tenue en tension R DSON - Résistance à létat passant J MAX - Densité de courant V th - Tension de seuil Capacités parasites – C iss, C rss, C oss - Dopage de la source (N+) -Périmètre du canal (Z) e - Résistivité ( ) du substrat - Épaisseur de loxyde de grille (e SiO2 ) - Dopages du porte-canal ( P) - Type et dopage du polysilicium de la grille - Distance Intercellulaire (L intercell ) X jn Source X jP Électrode de la grille Nombre des cellules (S active) -Dimensions du composant (Surface active) III. LA CONCEPTION DU MOSFET - Épaisseur du substrat (e ) - Profondeur de la source (X jn ) - Profondeur du porte-canal (X jp ) - ……………….. -………….

19 19 LA TENUE EN TENSION Calibre en tension du MOSFET = 600V Tenue en tension N = at/cm 3 e = 50 µm Périphérie MOS principal MOS auxiliaire f(V BR ) Terminaison de tenue en tension – anneaux de garde Si0 2 N+ Al Source Grille P+ P P MOSFET principal Al Si0 2 P+ Si0 2 Al III. LA CONCEPTION DU MOSFET Drain périphérie I[A] V DS,[V]

20 20 LA TENSION DE SEUIL V TH DU MOSFET Dépend essentiellement de deux paramètres: - le dopage du porte-canal P - lépaisseur de loxyde de la grille e Si02 V TH entre 1.5 et 3V Dopage du porte-canal entre et at/cm 3 e SiO2 > 100nm Contrainte pour loxyde de la grille – tenue en tension III. LA CONCEPTION DU MOSFET

21 21 LA TENUE EN TENSION DU PORTE CANAL Si0 2 N+ Al Grille Drain P+ P P N+ P Grille N+ Profondeur du porte-canal E MAX Profondeur du porte-canal entre 2.5 et 3µm pour une tenue en tension de 600V E,V.cm -1 Zone de charge despace,µm Source Jonction porte-canal substrat WAWA WDWD X JP =f(E MAX,P, N ) V DS V BR III. LA CONCEPTION DU MOSFET N A [at/cm -3 ] X JP [cm] A A A A

22 22 DISTANCE INTERCELLULAIRE Résultats analytiques A surface active du MOSFET constante: P L intercell L cell /2 NvNv Drain R v R 45° W P+P+ Rcanal Grille R canal Grille Z N+ Source N+ P+P+ P Distance intercellulaire de 30, 40 et 50µm III. LA CONCEPTION DU MOSFET Variation de la distance intercellulaire L intercell [µm] R,[ ] Simulations SILVACO Distance intercellulaire,[µm]

23 23 CONCEPTION DU LAYOUT MOSFET Amenée principale de courant de grille Plots de prise de contact de source Drain Amenée principale de courant de source Zone active MOS principal MOS auxiliaire Périphérie 3mm MOS principal MOS auxiliaire Plots de prise de contact de grille III. LA CONCEPTION DU MOSFET N+ P P+ NvNv SiO 2 SiPoly Al

24 24 CONCEPTION DU LAYOUT MOSFET Largeurs des amenées de courant de grille et de la source: J MAX de laluminium Nombre des doigts Surface Active L intecell + L cell, I MAXMOS III. LA CONCEPTION DU MOSFET Drain N+ P P+ NvNv SiO 2 SiPoly N+ NvNv MOS principal MOS auxiliaire P+ NvNv SiO 2 SiPoly L Grille L Source L doigt_Source L doigt_grille Al L doigt_Source =2100µm L Source =230µm L Grille = 100µm

25 25 DIMENSIONNEMENT DE LA JONCTION ENTRE LES MOSFETs Périphérie 250µm Source Grille MOS principal MOS auxiliaire 15V V DS >0V Sa S 0V III. LA CONCEPTION DU MOSFET Source Grille V DS D Z D b C S Signal de la commande t Commande rapprochée D p R G MOSFET auxiliaire MOSFET principal V CSCS V DB V GSa V DZ I P Da Ga D G

26 26 DIMENSIONNEMENT DE LA JONCTION ENTRE LES DEUX MOSFETS Distribution du potentiel Distribution du champ électrique III. LA CONCEPTION DU MOSFET Source principale Source auxiliaire Grille auxiliaire Grille principale 15V V DS = 400V 0V

27 27 REALISATION TEHCNOLOGIQUE DES COMPOSANTS AU CIME III. LA CONCEPTION DU MOSFET

28 28 RESULTATS EXPERIMENTAUX DES COMPOSANTS REALISES Tenue en tension V th =1.5V Caractéristiques de sortie III. LA CONCEPTION DU MOSFET I DS [A] V GS [V] V DS = 15V I DS [A] V DS [V] I DS [A]

29 29 TEST DES COMPOSANTS REALISES V source Charge Commande éloignée D Z D b C S Commande rapprochée V DS Diode de roue libre Charge D p R G V DS V a MOSFET auxiliaire MOSFET principal V CS V DB V GSa V DZ I P Composant pilote Commande du composant pilote Composant testé t rapprochée Commande Commande rapprochée Composant sous test V DS =100V C S =22nF F=20KHz =0.5 III. LA CONCEPTION DU MOSFET Commutation du composant testé t Commande du composant testé V C, I AUX et V DS du composant testé Ouverture (V DS,I aux,V C )

30 30 TEST DES COMPOSANTS REALISES DANS UN CONVERTISSEUR AC/AC (thèse B. Nguyen) AC switch 1 2 2µFAC 1 4 V entrée I Ch AC switch 2 Commande rapprochée Circuit de puissance 2 3 V charge I charge *100 V DS2 V C2 V DS3 V C3 III. LA CONCEPTION DU MOSFET Convertisseur AC/AC Formes dondes aux bornes de deux MOSFETs et deux capacités de stockage

31 31 CONCLUSION SUR LA CONCEPTION ET LA REALISATION DU MOSFET Conception du MOSFET pour la fonction de lauto-alimentation: Dimensionnement des paramètres électriques Dimensionnement de la géométrie de linterrupteur de puissance contenant des éléments de lalimentation de la commande rapprochée Réalisation pratique: Validation expérimentale des composants réalisés Test impulsionnel Convertisseur AC/AC III. LA CONCEPTION DU MOSFET

32 32 PLAN DE LA PRESENTATION 1.INTRODUCTION 2.AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE DUN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT - solutions, principes de fonctionnement, validation expérimentale, rendement 3.CONCEPTION ET REALISATION DUN MOSFET DE PUISSANCE AVEC LES ELEMENTS DE LALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE - dimensionnement physique et électrique, validation expérimentale 4.SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET VERTICAL - fonctionnement du JFET vertical, modélisation, résultats expérimentaux 5. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

33 33 LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET I DS V DS V GS =0V Caractéristiques électriques de sortie du type penthode dun JFET V GS = -V P D Z D b C S Signal de la commande t Commande rapprochée D p R G MOSFET auxiliaire MOSFET principal Commande raprochée D b D S G G D S C Interrupteur principal (MOSFET) Interrupteur auxiliaire JFET V DS V DS > 0 V GS0 < 0 V GS0 <0V V GS1 < -V P OFF ON V GS V Db 0V V C Seuils de pincement à V DS = 400V V GS = - 15V Avantages : - Compatibilité de filière technologique entre le JFET & le MOSFET principal - Un seul composant pour assurer la régulation IV. LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET

34 34 INTEGRATION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET Si0 2 N N+ Al Source Grille Drain P+ P P P P N+ Grille Source JFET Cs + Diode Db MOSFET principal Porte-canal Grille du JFET Source Source du JFET Canal Périphérie 3mm MOS principal JFET IV. LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET Court-circuit de la source N+

35 35 LE JFET VERTICAL V GS =0 IDSIDS V DS V GS2 0 V DS2 > V DS1 Seuils de pincement Caractéristiques électriques de sortie du type triode dun JFET V DS = 400V V GS = -15V N+ 2a 1µm Léquipotentielle 0V La largeur de la source modifie le seuil de pincement du JFET et la tenue en tension de la jonction grille - source L source > 2 µm Modèle qui donne les seuils de pincement en fonction de la géométrie du JFET ! Résultats de simulation du JFET vertical

36 36 MODELE PSEUDO-ANALYTIQUE DU JFET VERTICAL Cartographie du potentiel pour un seuil de pincement à V GS =-9V et V DS =108V IV. LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET La cartographie du potentiel est la même pour les différents seuils de pincement Source N Drain Grille N + P L N+ Jonction grille-substrat P P La position de léquipotentielle 0V au pincement est la même pour les différents couples V GS - V DS Léquipotentielle 0V

37 37 MODELE PSEUDO-ANALYTIQUE DU JFET VERTICAL V G <0 Source Léquipotentielle 0V N Drain Canal du JFET x E(V.cm -1 ) E MAX x P- N+ Grille V D >0 WAWA WDWD V GD W D et W A Lemplacement de léquipotentielle 0V au pincement Les couples V GS -V DS pour des différents seuils de pincement V D =0 V G =0 V GD IV. LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET Simulation SILVACO VGVG VDVD

38 38 Comparaison entre le modèle analytique et la simulation pour un canal de largeur 2µm Comparaison entre le modèle analytique et la simulation pour un canal de largeur 1.5µm Avantage : - Prise en compte des effets bidimensionnels Inconvénient : - Nécessité dune simulation à éléments finis IV. LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET canal = 1µm L source = 4µm MODELE PSEUDO-ANALYTIQUE DU JFET VERTICAL Grille Source

39 39 SIMULATION DE LAUTO-ALIMENTATION IV. LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET D b G D S CSCS JFET V GS V Db VCVC V DS Rg ICIC V DS /20 V CS V DS /20 V CS I CS Pincement du JFET Topologie simulée avec le logiciel SILVACO Formes dondes générales de V DS et V CS Recharge de la capacité C S

40 40 IV. LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET MOS principal JFET N+ P P+ NvNv SiO 2 SiPoly CONCEPTION DU LAYOUT DU JFET Drain Source Grille Source Grille Al

41 41 IV. LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET N+ MOS principal MOS auxiliaire N+ P P+ NvNv SiO 2 SiPoly Source Grille Source Grille L N+ CONCEPTION DU LAYOUT DU JFET Al

42 42 R canal R 45° R substrat e N+ Drain Pas=36µm L N+ e N+ Canal N D N+ Source L canal R substrat Surface de contact pour la source IV. LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET R canal R 45° R N+ CONCEPTION DU LAYOUT DU JFET N+ P P+ NvNv SiO 2 SiPoly Al N+ L N+ = 72µm

43 43 REALISATION DU JFET VERTICAL IV. LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET JFET réalisé Ouverture contact de la source Périphérie Source du MOSFET principal Zone active du MOSFET pricipal Zone active du JFET Grille du JFET Canal Grille

44 44 RESULTATS DE MESURE DES JFET REALISES IV. LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET I DS,[A] V DS,[V] Résultats de mesure dun JFET Résultats de mesure pour les seuils de pincements des JFETs réalisés V DS [V] V GS [A]

45 45 CONCLUSION SUR LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET VERTICAL Les caractéristiques électriques de sortie (triode ou pentode) du JFET vertical sont très dépendantes de ses formes géométriques. Les modèles analytiques ne prennent pas en compte le profil diffusé des régions de grille ni linfluence du caisson de source : - ils ne sont pas adaptés à notre structure. Un modèle pseudo-analytique couplé avec une simulation à éléments finis a été développé. Un JFET vertical a été dimensionné et réalisé pour lauto-alimentation. Des résultats expérimentaux ont été présentés. La conception et la réalisation du JFET est délicate. IV. LA SOLUTION DE LAUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET

46 46 CONSLUSION GENERALE Deux topologies dauto-alimentation de la commande rapprochée ont été présentées: - MOSFET/JFET - MOSFET/MOSFET Leurs principes de fonctionnement ont été validés par des simulations et des réalisations pratiques Un dimensionnement et une réalisation dun interrupteur de puissance (MOSFET) avec des éléments des deux topologies dauto-alimentation ont été faits Les composants réalisés de la topologie MOSFET/MOSFET ont été testés et validés dans des convertisseurs Les résultats expérimentaux de JFET réalisés montrent que leur réalisation est plus délicate et rends cette solution plus difficile à mettre en œuvre

47 47 PERSPECTIVES Réflexions sur une topologie permettant le fonctionnement en statique. Pour la structure MOSFET/MOSFET : - Réaliser lintégration monolithique des autres éléments de la topologie (Thèse Nicolas Rouger). Pour la structure MOSFET/JFET : - Mise en oeuvre des composants réalisés. - Étudier la topologie en remplaçant le JFET par un MOSFET à appauvrissement (en coopération avec le LAAS). Étudier la faisabilité et la réalisation dune intégration de la commande rapprochée au sein de la même puce que linterrupteur de puissance ( Thèse Binh Nguyen). Autre solution intégrable monolithiquement afin déliminer lopto-coupleur ( transmission capacitive, émetteur RF…).

48 48 FIN Merci pour votre attention FIN


Télécharger ppt "1 Intégration de lalimentation de la commande rapprochée dun interrupteur de puissance à potentiel flottant Radoslava Mitova Directeur de thèse: Christian."

Présentations similaires


Annonces Google