Radoslava Mitova

1

Intégration de l’alimentation de la commande rapprochée d’un interrupteur de puissance à

potentiel flottant

Radoslava Mitova

Directeur de thèse: Christian SchaefferCo-encadrants: Jean-Christophe Crébier

Laurent Aubard

27 Octobre 2005

2

INTRODUCTION

• Optimisation de la gestion de l’énergie

• Place de plus en plus importante de l’électronique de puissance dans les produits grand public et dans les produits industriels

• Marché fortement concurrentiel

Intégration des structures de l’électronique puissance

Efforts chez les industriels de réduction de coût et d’augmentation de la densité de puissance

Fonctionnalités ajoutées - commande, protection…

Différents types d’intégration

monolithique hybride

« Integrated Drive Module » (IDM) [SEMIPOWER]Mini-Profet [INFINEON]

3

Source d’énergi

e

Filtre Filtre

Commandeéloignée

Commande

rapprochéeIsolation

galvanique

Alimentation

Interrupteur

CALC

Organes de gestion, des protections, dV/dt, I, V,

T°,CEM

Refroidisseur

Charge

INTRODUCTION

4

PLAN DE LA PRESENTATION

1. INTRODUCTION

2. AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT

- solutions, principes de fonctionnement, validation expérimentale, rendement

3. CONCEPTION ET REALISATION D’UN MOSFET DE PUISSANCE AVEC LES ELEMENTS DE L’ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE

- dimensionnement physique et électrique, validation expérimentale

4. SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET VERTICAL

- fonctionnement du JFET vertical, modélisation, résultats expérimentaux

5. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

5


1. INTRODUCTION








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 d’une alimentation externe de la commande

II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT

7

L’ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT

Inconvénients :

- Difficilement intégrable

- Coût

- Nécessité d’une alimentation externe

Le transformateur d’impulsion :

[COILCRAFT]

Avantages :

- Transmission simultanée de l’énergie et des signaux de commande

- Haute tension d’isolement (10kV)


8

La pompe à charge :

Inconvénients :

- Faible tension de fonctionnement

- Faible isolation

- Grand nombre des capacités requises

- Nécessité d’une alimentation externe

Avantages :

- Intégrable pour des faibles et moyennes tensions et pour des faibles valeurs des

capacités de stockage



9

Inconvénients :

- Fonctionnement impossible en régime statique

- Nécessité d’une alimentation externe pour la commande

- Tension d’alimentation unipolaire

Bootstrap :

Commande rapprochée

SOURCE DE TENSION DC

LOW-SIDE SWITCH

HIGH-SIDE SWITCH

Commande rapprochée C

D

E

CIRCUIT BOOTSTRAP

POINT FLOTTANT

Avantages :

- Haute tension de fonctionnement (1200V)

- Une seule alimentation non isolée pour un bras d’onduleur



10

L’AUTO-ALIMENTATION

Le principe de l’auto-alimentation :

Prélever de l’énergie aux bornes de l’interrupteur de puissance et alimenter la commande

rapprochée avec cette énergie

Énergie

Interrupteur

de puissance

Vers l’alimentatio

n de la commande

REG

ULA

TIO

N

D

C

R



11

LA TOPOLOGIE MOSFET/MOSFET

Avantages :

- Pas d’alimentation 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

VCs

0V

charge

décharge

ON OFF ON OFF

OFF ON OFF ON

VDS

0V

DZ

Db

CS

Signal de la commande

t


RG

VDS

VDSa

MOSFET auxiliaire

MOSFET principal

VCS

VDB

VGSa

VDZ

IP

OFFON0V


Rp

maintien

12

MODELISATION DYNAMIQUE DE L’AUTO-ALIMENTATION

Time

16.00us 17.00us15.26us 17.75us(V(vregulee)+6)*10 V(R8:1)

0V

100V

200V

VDS

10*VC

s

200V

100V

0V 15.26µs 16µs 17.75µs 17µs

Temps Time

10.0us 20.0us 30.0us3.0us 38.4us(V(vregulee)+6)*10 V(R8:1)

0V

100V

200V

VDS

10*VC

s

200V

100V

0V 3µs 10µs 30µs 20µs 38.4µs

Temps Time

26.00us 26.25us 26.50us 26.75usI(R8)*50 V(R8:1) -I(R9)*50

0

100

200

VDS IDS Mosfet principal

200V

100V

0V 26µs 26.25µs

Temps

26.50µs 26.75µs

1A IDS Mosfet auxiliaire

0A


Résultats de simulations sous PSPICE d’un hacheur série avec interrupteur auto-alimentéFormes d’ondes générales

Ouverture

Ouverture

DC source200V

Diode de roue libre Charge

DZ

Db

CS

Commande

rapprochée

RG

MOSFET auxiliaire

MOSFET

principal

VCS

VDB

VGS VZ

IP

OFF

Rp

CDGa

CGSa

CDSa

IDSa=f(VGSa)

Grille

VGSa

0V

OFF

VDS

0V

Vth

0V

VCs

VZ

0V

VZ avanlanche

13

VDS

VCS

IDS

Iaux

VDS

VCS

IDS

VALIDATION EXPERIMENTALE DE L’AUTO-ALIMENTATION

VDS=250V

CS=22nF

F=30KHz

=0.5

Vsource

Charge

Capacité de stockage

MOSFET auxiliaire

MOSFET principal


Formes d’ondes générales

Ouverture

VDS

Iaux

VCS

Fermeture

14

RENDEMENT DE L’AUTO-ALIMENTATION

9 107

1 106

1.1 106

1.2 106

0

50

100

150

200

250261.163

15.046

ids_auto_on 100

vds_auto_on

ids_sansauto_on 100

vds_sansauto_on

1.242 1068.188 10

7 temps

IDS avec alimentation externe

IDS avec auto-alimentation

VDS avec auto-alimentation VDS avec

alimentation externe

250V

200V

0V 110 90 120

Temps, nm

150V

100

100V

50V

Commutation à

l’ouverture

Commutation à la

fermeture

Somme des pertes dans l’interrupteur principal + l’Interrupteur auxiliaire)

0.33W 0.42W

InterrupteurCommutatio

n à l’ouverture

Commutation à la

fermeture

Principal (alim. ext.)

0.46W 0.26W

6 107

7 107

8107

9 107

1 106

1.1106

1.2106

0

50

100

150

167.928

25.329

vds_auto_off

ids_auto_off100

ids_sansauto_off100

vds_sansauto_off

1.214 1065.187 10

7 temps

IDS avec alimentation externe

IDS avec auto-alimentation VDS avec auto-

alimentation VDS avec alimentation externe

150V

100V

0V

60 80 1110 90 120

Temps, ns

50V

70 100

0.5A

1A

1.5A

0A

Ouverture

Le surcoût énergétique de l’auto-alimentation est négligeable

2.5A

2A

1.5A

1A

0.5A

0A


Fermeture

VDS=150V

CS=22nF

F=30KHz

=0.5

Rg=67

15

CONCLUSION

Solution pour l’alimentation de la commande rapprochée d’un interrupteur à potentiel flottant contenant deux MOSFETs.

La topologie est entièrement intégrable avec l’interrupteur principal suivant les mêmes étapes technologiques et sans étape supplémentaire.

Pas d’alimentation externe pour la commande rapprochée.

Le principe de fonctionnement de l’auto-alimentation a été validé pardes simulations et avec des composants discrets.

La solution MOSFET/MOSFET ne crée que de faibles augmentations de pertes en commutation.

Conception d’un composant de puissance intégrant des éléments de l’auto-alimentation avec l’interrupteur principal


16


1. INTRODUCTION








17

INTEGRATION DE L’AUTO-ALIMENTATION

Si02

N

N+ N+ N+

N+

Al

Source

Grille

Drain

P+ P+P P P P

P+ P+

N+

Source

Grille

périphérie

MOSFET auxiliaire

Cs

+

Diode Db

Diode Zener DZ

Diode DP

Périphérie 250µm

MOS principal

P+

3mm

périphérie

DZ

Db

CS


t


Dp

RG

MOSFET auxiliaire

MOSFET principal

Chemins de découpe

Chemins de

découpe

MOSFET principal

3mm

N+

P+

N+

Chemins de

découpe

MO

S

au

xilia

ire

18

LA CONCEPTION DU MOSFET

Caractéristiques électriques

Paramètres physiques

Si02

N+

Al

Source

Grille

Drain

P+P P P+

N+

P

N

Grille

eSiO2N+

Porte-canal

Îlot P+Distance intercellulaire

N+

Canal

Paramètres géométriques

statiques

dynamiques VBR - Tenue en tension

RDSON - Résistance à l’état passant

JMAX - Densité de courant

Vth - Tension de seuil

Capacités parasites – Ciss, Crss, Coss

- Dopage de la source (N+)

-Périmètre du canal (Z)

e

- Résistivité () du substrat

- Épaisseur de l’oxyde de

grille (eSiO2)

- Dopages du porte-canal ( P)- Type et dopage du polysilicium de la grille

- Distance Intercellulaire (Lintercell)

Xjn

Source

XjP

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 (Xjn)- Profondeur du porte-canal (Xjp)

- ………………..

-………….

19

LA TENUE EN TENSION

Calibre en tension du MOSFET = 600V

Tenue en tension

N=2.1014 at/cm3

e = 50 µm

Périphérie

MOSprincipal

MO

S

au

xilia

ire

f(VBR)

Terminaison de tenue en tension – anneaux de garde

Si02N+ N+

N+

Al

Source

Grille

P+ P+P P

MOSFET principal

Al Si02

P+ P+ P+ P+ P+

Si02

Si02

Si02Al Al Al Al Al


Drain périphérie

I[A]

VDS,[V]

20

LA TENSION DE SEUIL VTH DU MOSFET

0 1 105

2 105

3 105

4 105

5 105

5

0

5

10

15

20

2523.172

1.094

Vseuilet

Vseuile2t

Vseuile3t

5 1051 10

6 eox2t T

ensi

on d

e se

uil

Vth

,V

Epaisseur de la grille eox, cm

Na=1.1016 at/cm3

Na=5.1016 at/cm3

Na=1.1017 at/cm3

1 1016

1 1017

1 1018

0

3

6

9

12

15

18

21

24

27

3030

0

Vseuil1i

Vseuil2i

Vseuil3i

Vseuil4i

1 10181 10

16 Na1i

Dopage porte-canal Na, at/cm3

Ten

sion

de

seu

il, V

th,V

eox =300nm

eox= 200nm

eox= 100nm

eox= 50nm

20

0

0

.

ln..

.2.....2

ln..

.2

Si

Sir

a

Sira

a

FBth

e

niN

qTk

Nq

ni

N

q

TkVV

Dépend essentiellement de deux paramètres:

- le dopage du porte-canal P

- l’épaisseur de l’oxyde de la grille eSi02

VTH entre 1.5 et 3V

Dopage du porte-canal entre 2.1016 et 1.1017

at/cm3

eSiO2> 100nmContrainte pour l’oxyde de la grille– tenue en tension 1

2.2

V202

cmMVE

Ve

MAXSiO

GS

SiO


21

1.00E+16

1.00E+17

1.00E+18

1.00E-04 1.50E-04 2.00E-04 2.50E-04 3.00E-04

Xj,cm

Na,

cm

-3

LA TENUE EN TENSION DU PORTE CANAL

Si02

N+

Al

Grille

Drain

P+P P P+

N+

P

Grille

N+

N+

Profondeur du porte-canal

EMAX

Profondeur du porte-canal entre 2.5 et 3µm pour une tenue en tension de 600V

E,V.cm-1

Zone de charge d’espace,µm

Source

Jonction porte-canal substrat

WA

WD

XJP =f(EMAX,P, N)

VDSVBR


NA [

at/

cm-3]

XJP [cm]

A

A’

A

A’

22

DISTANCE INTERCELLULAIRE

Résultats analytiques

A surface active du MOSFET constante:

canalDS

LLLfR ,cellintercell

P

Lintercell

Lcell/2

Nv

Drain

Rv

R45°

W P

+

RcanalGrille

Rcanal

Grille

Z

N+

Source

N+

P+

P

N+

RRRRcanalDS

45

Distance intercellulaire de 30, 40 et 50µmIII. LA CONCEPTION DU MOSFET

Variation de la distance intercellulaire

Lintercell [µm]

0 0.002 0.004 0.006 0.0080

10

2017.243

0.441

R_relatif Linter( )

Rcanal Linter( ) 20

R_relatif Linter( ) Rcanal Linter( )

0.011 104 Linter

R45°+R Rcanal.20

R45°+R+Rcanal

Variation de la demi-distance intercellulaire Linter,[cm]

R,

R,[

]

40

0 80

120 160

10

20

0.E+00

5.E-08

1.E-07

2.E-07

2.E-07

3.E-07

0 10 20 30 40 50

demi-distance intercellulaire,µm

Ids

,A/µ

m2

Simulations SILVACO

0 20 40 60 80 100Distance intercellulaire,[µm]

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

MO

S

au

xilia

ire

Plots de prise de contact de grille


N+N+

P

P+

Nv

SiO2

SiPoly

Al

24

CONCEPTION DU LAYOUT MOSFET

Largeurs des amenées de courant de grille et de la source:

JMAX de l’aluminium

Nombre des doigts

Surface Active

Lintecell + Lcell,

IMAXMOS


Drain

N+N+

P

P+

Nv

SiO2

SiPoly

N+

Nv

MOS principal

MOS auxiliaire

P+

Nv

SiO2

SiPoly

0 500 1000 1500 20000

0.05

0.10.071

0

V x( )

V1 x( )

CactiveMOS0 x Ch

ute

de

ten

sion

le

lon

g d

e l’

amen

é d

e co

ura

nt

de

la so

urc

e,V

olts

Longeur de l’amenée de courant de la source, µm

Vamenée_source

V2amenée_source

LGrille

LSource

Ldoigt_Source

Ldoigt_grille

Al

Ldoigt_Source=2100µm

LSource=230µm

LGrille= 100µm

25

DIMENSIONNEMENT DE LA JONCTION ENTRE LES MOSFETs

N+ N+

MOSFET principal MOSFET auxiliaire

Al Al

SiO2 SiO2 Al

0V

Drain

P+ P+

N

N+

Grille Source auxiliaire Source

Grille auxiliaire

Périphérie 250µm

Source

Grille

MOS principal

MO

S

au

xilia

ire

15V 15V

VDS>0V

Sa

S

0V0V


Source

GrilleVDS

DZ

Db

CS


t


Dp

RG

MOSFET auxiliaire

MOSFET principal

VCS

VDB

VGSa

VDZ

IP

Da

Ga

D

G

26

DIMENSIONNEMENT DE LA JONCTION ENTRE LES DEUX MOSFETS

3.9e+04V/cm 7.7e+04V/cm

1.e+04 V/cm

1.9e+04V/cm

b)

Source principale

drain

Grille principale 0V Grille auxiliaire

Source auxiliaire

0V

15V

400VV

Distribution du potentiel

Distribution du champ électrique

N+ N+

MOSFET principal MOSFET auxiliaire

Al Al

SiO2 SiO2 Al

10V 0V

15V

Drain

P+ P+

N

N+

Grille principale

Source principale

Source auxiliaire

Grille auxiliaire


15V

0V

a)

Source principale

Source auxiliaire

Grille auxiliaire

Grille principale

15V15V

VDS= 400V

0V 0V

27

REALISATION TEHCNOLOGIQUE DES COMPOSANTS AU CIME

MOS principal MOS auxiliare

Anneaux de garde


28

RESULTATS EXPERIMENTAUX DES COMPOSANTS REALISES

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

0.0035

0.004

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Vds

Ids

A1 A2 A3

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Vgs

Ids

A1

A2

A3

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 5 10 15 20 25 30 35

Vds

Ids

VGS=0V

VGS=500mV VGS=1V

VGS=2

VGS=2.5V

VGS=3V

VGS=3.5V

VGS=4V

VGS=1.5V

Tenue en tension

Vth=1.5V

Caractéristiques de sortie


I DS[A

]

VGS[V] VDS= 15V

I DS[A

]

VDS[V]

VDS[V]

I DS[A

]

29

TEST DES COMPOSANTS REALISES

Vsource

Charge

Commande éloignée

DZ

Db

CS


VDS

Diode de roue

libre Charge

Dp

RG

VDS

VDSa

MOSFET

auxiliaire

MOSFET

principal

VCS

VDB

VGSa

VDZ

IP

Composant pilote

Commande du composant pilote

Composant testé

t

rapprochéeCommande


Composant sous test

VDS=100V

CS=22nF

F=20KHz

=0.5


0 1 105

2 105

3 105

4 105

50

0

50

100

150128.984

3.102

Vcom3

Ids 50

Vds

4 1050 temps

Vcom

IDS VDS

V

0

50

100

150

0 1.10-5

2.10-5 3.10-5 4.10-5

temps [s]

0

1

2

A

0 2 105

4 105

6 105

8 105

50

0

50

100

150

200193.016

18.214

v

Vc 10

Vds

Iaux 1000

9.999 1050 temps

Vcom

10.VCS IAUX

VDS

V

0

50

100

150

6.10-5 4.10-5 0 2.10-5

temps [s]

8.10-5

0

5

10

15

mA

Commutation du composant testé

t

Commande du composant testé

VC , IAUX et VDS du composant testé

4 107

6 107

8 107

1 106

1.2 106

1.4 106

0

20

40

60

80

97.568

10.676

Vdszoom

Vzzoom

Iauxzoom 100

Vczoom 5

1.491 1063.413 10

7 temps

IAUX

VDS

5.VCS

V

0

80

60

40

20

4.10-7 6.10-7 8.10-7 1.10-6 1,2.10-6 1,4.10-6 temps [s]

0.4

0.6

0.8

0.2

0

A

Ouverture (VDS,Iaux,VC)

30

TEST DES COMPOSANTS REALISES DANS UN CONVERTISSEUR AC/AC

(thèse B. Nguyen) AC switch 1

2 2µF AC

1

4

Ventrée ICh

AC switch 2

Commanderapprochée

Circuit de puissance

2

3

Vcharge Icharge*100VDS2

VC2

VDS3

VC3


Convertisseur AC/AC

Formes d’ondes aux bornes de deux MOSFETs et deux capacités de stockage

31

CONCLUSION SUR LA CONCEPTION ET LA REALISATION DU MOSFET

Conception du MOSFET pour la fonction de l’auto-alimentation:

Dimensionnement des paramètres électriques

Dimensionnement de la géométrie de l’interrupteur de puissance contenant des éléments de l’alimentation de la commande rapprochée

Réalisation pratique:

Validation expérimentale des composants réalisés

Test impulsionnel

Convertisseur AC/AC


32


1. INTRODUCTION








33

LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET

Source

N

Drain

P P

Grille

N+

N+

P

IDS

VDS

VGS=0V

Caractéristiques électriques de sortie du type penthode d’un JFET

VGS= -VP

DZ

Db

CS


t


Dp

RG

MOSFET auxiliaire

MOSFET principal

Commande raprochée

Db

D

S

G G

D

S

C

Interrupteur principal (MOSFET)

Interrupteur auxiliaire JFET

VD

S

VDS > 0

VGS0 < 0

VGS0<0V

VGS1 < -VP

OFF

ON

VGS

VDb

0V

VC

Seuils de pincement à VDS= 400V VGS= -15V

Avantages :

- Compatibilité de filière technologique entre le JFET & le MOSFET principal

- Un seul composant pour assurer la régulation

IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET

34

INTEGRATION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET

Si02

N

N+ N+

N+

Al

Source

Grille

Drain

P+ P+ P+P P P P

P+

N+

Grille

Source

JFET

Cs

+

Diode Db

Commande raprochée

Db

D

S

G G

D

S

C

Interrupteur principal (MOSFET)

Interrupteur auxiliaire JFET

MOSFET principal

Porte-canal

Grille du JFET

SourceSource du JFET

Canal

Périphérie3mm

MOS principal

JFET


Court-circuit de la source

N+

35

LE JFET VERTICAL

VGS=0

IDS

VDS

VGS2<VGS

1

VP1 VP2

Drain

Grille

VGS1<VG

S

Caractéristiques électriques de

sortie du type triode d’un JFET

L

Source

N

N+

VGS=0VVGS<0V


LES MODELES EXISTANTS DE JFET VERTICAL NE SONT PAS ADAPTES A CETTE STRUCTURE DE JFET AVEC DES REGIONS DE GRILLES

DIFFUSEES

P P

VDS1 > 0

VDS2> VDS1

Seuils de pincement

Caractéristiques électriques de

sortie du type triode d’un JFET

Co

ura

nt,

A

VGS=-4V

VGS=-25V

VGS=-8V

VGS=-12V

VGS=-20V

VGS=-16V

VDS= 400V VGS= -15V

N+

2a 1µm

L’équipotentielle 0VL’équipotentielle 0V

La largeur de la source modifie le seuil de pincement du JFET et la tenue en tension de la jonction grille - source

Lsource > 2 µm

Modèle qui donne les seuils de pincement en fonction de la géométrie du JFET !

Résultats de simulation du JFET vertical

36

MODELE PSEUDO-ANALYTIQUE DU JFET VERTICAL

0V -2V -2V

0.8V

Grille

Drain

Grille SOURCE

Cartographie du potentiel pour un seuil de pincement à VGS=-9V et VDS=108V


La cartographie du potentiel est la même pour les différents seuils de pincement

Source

N

Drain

Grille

N+

PL

N+

Jonction grille-substrat

PP

La position de l’équipotentielle 0V au pincement est la même pour les différents couples VGS - VDS

L’équipotentielle 0V

37


VG<0

Source

L’équipotentielle0V

N

Drain

Canal du JFET

x

E(V.cm-

1)EMAX

x

P-

N+

Grille

VD>0

xj

wxj

x

wxj

DDtD

x

A

si

PNA A

nwN

dxdxeNq

V2

2

4

0

22

2

DD

xj

wxj

tD

x

AwNdxeN

A

n

22

2

4

WA

WD

dxxwNq

dxdxeNq

VD

w

D

si

x

w

x

w

tD

x

A

si

GS

j

a a

n

0

22

2

000

2

22

1.

0

0

22

2

wwdxeNq

VD

tD

xxj

wA

Si

DS

n

A

VGD

WD et WA

L’emplacement de l’équipotentielle 0V au pincement

Les couples VGS-VDS pour des différents seuils de pincement

VD=0

VG=0

VGD


Simulation SILVACO

VG

VD

38

0 50 100 1500

10

20

Vgs1( )n

Vgs_sim

Vds1n Vds_sim

VDS

|VGS| analytique

VGS| simulé

[V]

[V]

0 50 100 150 2000

10

20

Vgs1( )n

Vgs2_sim

Vds1n Vds3_sim

|VGS| analytique

|VGS| simulé

VDS

[V]

[V]

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 d’une simulation à éléments finis


canal = 1µm

Lsource = 4µm


Grille GrilleSource

39

SIMULATION DE L’AUTO-ALIMENTATION


Db

G

D

S

CS

JFET

VGS

VDb

VC

VDS

Rg

IC

VDS/20VCS

VDS/20

VCS

ICS

Pincement du JFET

Topologie simulée avec le logiciel SILVACO

Formes d’ondes générales de VDS et VCS

Recharge de la capacité CS

40


MOS principal

JFET

N+

N+

P

P+

Nv

SiO2

SiPoly

CONCEPTION DU LAYOUT DU JFET

Drain

Source

Grille Source

GrilleAl

41


N+

MOS principal

MOS auxiliaire

N+

N+

P

P+

Nv

SiO2

SiPoly

Source

Grille Source

Grille

LN+


Al

42

Rcanal

R45°

Rsubstrat

eN+

Drain

Pas=36µm

LN+

eN+

Canal

N

DN+

Source

Lcanal

Rsubstrat

Surface de contact pour la

source


Rcanal

R45°

RN+

RRRRR

canalDS

N

4550


N+

P

P+

Nv

SiO2

SiPoly

Al

N+

LN+= 72µm

43

REALISATION DU JFET VERTICAL


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

RESULTATS DE MESURE DES JFET REALISES


I DS,[

A]

VDS,[V]

Résultats de mesure d’un JFET

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100

VDS[V]

|VG

S|,[V

]

JFET1

JFET2

JFET3

JFET4

JFET5

JFET simulation

Résultats de mesure pour les seuils de pincements des JFETs réalisés

VDS[V]V

GS[A

]

45

CONCLUSION SUR LA SOLUTION DE L’AUTO-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 l’influence 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 l’auto-alimentation.

Des résultats expérimentaux ont été présentés.

La conception et la réalisation du JFET est délicate.


46

CONSLUSION GENERALE

Deux topologies d’auto-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 d’un interrupteur de puissance (MOSFET) avec des éléments des deux topologies d’auto-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

PERSPECTIVES

Réflexions sur une topologie permettant le fonctionnement en statique.

Pour la structure MOSFET/MOSFET : - Réaliser l’intégration 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 d’une intégration de la commande rapprochée au sein de la même puce que l’interrupteur de puissance ( Thèse Binh Nguyen).

Autre solution intégrable monolithiquement afin d’éliminer l’opto-coupleur ( transmission capacitive, émetteur RF…).

48FIN

Merci pour votre attention

FIN

Documents

Radoslava Mitova