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1 Intégration de l’alimentation de la commande rapprochée d’un interrupteur de puissance à potentiel flottant Radoslava Mitova Directeur de thèse: Christian Schaeffer Co-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’énergie Filtre 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 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
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) II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT
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 II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT L’ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT
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 II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT L’ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT
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’alimentation de la commande REGULATION D C R Commande rapprochée II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT
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 Commande rapprochée RG VDS VDSa MOSFET auxiliaire MOSFET principal VCS VDB VGSa VDZ IP OFF ON 0V II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT Rp maintien
12 MODELISATION DYNAMIQUE DE L’AUTO-ALIMENTATION Time 16.00us 17.00us 15.26us 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 30.0us 3.0us 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 26.75us I(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 II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT Résultats de simulations sous PSPICE d’un hacheur série avec interrupteur auto-alimenté Formes d’ondes générales Ouverture Ouverture DC source 200V Diode de roue libre Charge D Z Db CS Commande rapprochée RG MOSFET auxiliaire MOSFET principal VCS VDB VGS V Z IP OFF Rp CDGa CGSa CDSa IDSa=f(VGSa) Grille VGSa 0V OFF VDS 0V Vth 0V V Cs 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 II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT Formes d’ondes générales Ouverture VDS Iaux VCS Fermeture
14 RENDEMENT DE L’AUTO-ALIMENTATION 910 7 110 6 1.1 10 6 1.2 10 6 0 50 100 150 200 250 261.163 15.046  ids_auto_on 100  vds_auto_on ids_sansauto_on 100  vds_sansauto_on 1.242 10 6   8.188 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 Interrupteur Commutation à l’ouverture Commutation à la fermeture Principal (alim. ext.) 0.46W 0.26W 610 7 710 7 810 7 910 7 110 6 1.110 6 1.210 6 0 50 100 150 167.928 25.329  vds_auto_off ids_auto_off100  ids_sansauto_off 100  vds_sansauto_off 1.214 10 6   5.187 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 II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT 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 par des 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 II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT
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 D Z Db CS Signal de la commande t Commande rapprochée Dp RG MOSFET auxiliaire MOSFET principal Chemins de découpe Chemins de découpe MOSFET principal 3mm N+ P+ N+ Chemins de découpe MOS auxiliaire
18 LA CONCEPTION DU MOSFET Caractéristiques électriques Paramètres physiques Si02 N+ Al Source Grille Drain P+ P P P+ N+ P N Grille eSiO2 N+ 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 MOS principal MOS auxiliaire f(VBR) Terminaison de tenue en tension – anneaux de garde Si02 N+ N+ N+ Al Source Grille P+ P+ P P MOSFET principal Al Si02 P+ P+ P+ P+ P+ Si02 Si02 Si02 Al Al Al Al Al III. LA CONCEPTION DU MOSFET Drain périphérie I[A] VDS,[V]
20 LA TENSION DE SEUIL VTH DU MOSFET 0 1 10 5 2 10 5 3 10 5 4 10 5 5 10 5 5 0 5 10 15 20 25 23.172 1.094  Vseuilet Vseuile2t Vseuile3t 5 10 5   1 10 6   eox2t Tension de seuil V th ,V Epaisseur de la grille eox, cm Na=1.1016 at/cm3 Na=5.1016 at/cm3 Na=1.1017 at/cm3 1 10 16 1 10 17 1 10 18 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 30 0 Vseuil1i Vseuil2i Vseuil3i Vseuil4i 1 10 18  1 10 16  Na1i Dopage porte-canal Na, at/cm3 Tension de seuil, V th ,V eox =300nm eox= 200nm eox= 100nm eox= 50nm 2 0 0 0 . ln . . . 2 . . . . . 2 ln . . . 2 Si Sir a Sir a a FB th e ni N q T k N q ni N q T k V V                    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> 100nm Contrainte pour l’oxyde de la grille – tenue en tension 1 2 . 2 V 20 2    cm MV E V e MAX SiO GS SiO III. LA CONCEPTION DU MOSFET
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) VDSVBR III. LA CONCEPTION DU MOSFET N A [at/cm -3 ] XJP [cm] A A’ A A’
22 DISTANCE INTERCELLULAIRE Résultats analytiques A surface active du MOSFET constante:   canal DS L L L f R , cell intercell   P Lintercell Lcell/2 Nv Drain Rv R45° W P + Rcanal Grille Rcanal Grille Z N+ Source N+ P + P N+  R R R R canal DS     45 Distance intercellulaire de 30, 40 et 50µm III. LA CONCEPTION DU MOSFET Variation de la distance intercellulaire Lintercell [µm] 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0 10 20 17.243 0.441 R_relatif Linter ( ) Rcanal Linter ( ) 20  R_relatif Linter ( ) Rcanal Linter ( )  0.01 1 10 4   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/µm2 Simulations SILVACO 0 20 40 60 80 100 Distance 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 MOS auxiliaire Plots de prise de contact de grille III. LA CONCEPTION DU MOSFET 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 III. LA CONCEPTION DU MOSFET Drain N+ N+ P P+ Nv SiO2 SiPoly N+ Nv MOS principal MOS auxiliaire P+ Nv SiO2 SiPoly 0 500 1000 1500 2000 0 0.05 0.1 0.071 0 V x ( ) V1 x ( ) CactiveMOS 0 x Chute de tension le long de l’amené de courant de la source,Volts 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 MOS auxiliaire 15V 15V VDS>0V Sa S 0V 0V III. LA CONCEPTION DU MOSFET Source Grille VDS DZ Db CS Signal de la commande t Commande rapprochée 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 400V V 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 III. LA CONCEPTION DU MOSFET 15V 0V a) Source principale Source auxiliaire Grille auxiliaire Grille principale 15V 15V VDS= 400V 0V 0V
27 REALISATION TEHCNOLOGIQUE DES COMPOSANTS AU CIME MOS principal MOS auxiliare Anneaux de garde III. LA CONCEPTION DU MOSFET
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 III. LA CONCEPTION DU MOSFET 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 Commande rapprochée V DS 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 rapprochée Commande Commande rapprochée Composant sous test VDS=100V CS=22nF F=20KHz =0.5 III. LA CONCEPTION DU MOSFET 0 110 5 210 5 3 10 5 4 10 5 50 0 50 100 150 128.984 3.102  Vcom3 Ids 50  Vds 4 10 5   0 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 10 5 4 10 5 6 10 5 8 10 5 50 0 50 100 150 200 193.016 18.214  v Vc 10  Vds Iaux 1000  9.999 10 5   0 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 10 7 6 10 7 8 10 7 1 10 6 1.2 10 6 1.4 10 6 0 20 40 60 80 97.568 10.676  Vdszoom Vzzoom Iauxzoom 100  Vczoom 5  1.491 10 6   3.413 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 Commande rapprochée Circuit de puissance 2 3 Vcharge Icharge*100 VDS2 VC2 VDS3 VC3 III. LA CONCEPTION DU MOSFET 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 III. LA CONCEPTION DU MOSFET
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 D Z Db CS Signal de la commande t Commande rapprochée Dp RG MOSFET auxiliaire MOSFET principal Commande raprochée Db D S G G D S C Interrupteur principal (MOSFET) Interrupteur auxiliaire JFET VDS 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 Source Source du JFET Canal Périphérie 3mm MOS principal JFET IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET Court-circuit de la source N+
35 LE JFET VERTICAL VGS=0 ID S VDS VGS2<VGS 1 VP1 VP2 Drain Grille VGS1<VGS Caractéristiques électriques de sortie du type triode d’un JFET L Source N N+ VGS=0V VGS<0V IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET 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 Courant, A VGS=-4V VGS=-25V VGS=-8V VGS=-12V VGS=-20V VGS=-16V VDS= 400V VGS= -15V N+ 2a  1µm L’équipotentielle 0V L’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 IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-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 l’équipotentielle 0V au pincement est la même pour les différents couples VGS - VDS L’équipotentielle 0V
37 MODELE PSEUDO-ANALYTIQUE DU JFET VERTICAL VG<0 Source L’équipotentielle 0V N Drain Canal du JFET x E(V.cm-1) EMAX x P- N+ Grille VD>0                  xj w xj x w xj D D t D x A si PN A A n w N dxdx e N q V 2 2 4 0 2 2 2 D D xj w xj t D x A w N dx e N A n           2 2 2 4 WA WD  dx x w N q dxdx e N q V D w D si x w x w t D x A si GS j a a n                  0 2 2 2 0 0 0 2        2 2 1 . 0 0 2 2 2                 w w dx e N q V D t D x xj w A 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 IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET Simulation SILVACO VG VD
38 0 50 100 150 0 10 20 Vgs1  ( ) n Vgs_sim Vds1n Vds_sim  VDS |VGS| analytique VGS| simulé [V] [V] 0 50 100 150 200 0 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 IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET canal = 1µm Lsource = 4µm MODELE PSEUDO-ANALYTIQUE DU JFET VERTICAL Grille Grille Source
39 SIMULATION DE L’AUTO-ALIMENTATION IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET D b G D S CS JFET VGS VDb VC VDS Rg IC VDS/20 VCS 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 IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET MOS principal JFET N+ N+ P P+ Nv SiO2 SiPoly CONCEPTION DU LAYOUT DU JFET Drain Source Grille Source Grille Al
41 IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET N+ MOS principal MOS auxiliaire N+ N+ P P+ Nv SiO2 SiPoly Source Grille Source Grille LN+ CONCEPTION DU LAYOUT DU JFET Al
42 Rcanal R45° Rsubstrat eN+ Drain Pas=36µm LN+ eN+ Canal N DN+ Source Lcanal Rsubstrat Surface de contact pour la source IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET Rcanal R45° RN+  R R R R R canal DS N       45 50 CONCEPTION DU LAYOUT DU JFET N+ P P+ Nv SiO2 SiPoly Al N+ LN+= 72µm
43 REALISATION DU JFET VERTICAL IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-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 RESULTATS DE MESURE DES JFET REALISES IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET I DS ,[A] VDS,[V] Résultats de mesure d’un JFET 0 2 4 6 8 10 12 0 50 100 VDS[V] |VGS|,[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. IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET
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…).
48 FIN Merci pour votre attention FIN

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