Cette thèse de doctorat explore de nouvelles fonctions d'interrupteur intégrées pour la conversion d'énergie, se concentrant sur l'amélioration de la gestion de l'énergie électrique à l'aide de circuits électroniques avancés. Elle présente des solutions pour renforcer la fiabilité des systèmes face aux courts-circuits et analyse les compromis entre pertes en conduction et performances des composants. Enfin, des architectures innovantes de convertisseurs sont proposées, visant à diminuer le coût et le volume tout en améliorant l'intégration et les fonctionnalités.

1. Thèse de doctorat:Nouvelles fonctions interrupteur intégrées pour la conversion d’énergieChristian CaramelSous la Direction de MM P.Austin et J-L. SanchezL.A.A.S (Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes)Equipe I.S.G.E (Intégration de Systèmes de Gestion de l’Energie)27 avril 2007

2. 27/04/2007ThèseContexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéIntégration et performancesConclusionEnergie électrique au quotidienGestion de l’énergie électrique et électronique de puissanceMWWAugmentation de la populationmondiale ayant accès à l’E.EMode de vie « à l’occidentale »Pollution et épuisementdes réserves fossilesDéveloppement durablePart fossilePart renouvelable! Consommer au plus justeL’énergie électrique au quotidienMeilleure Gestion Energie électriqueMeilleure gestion de l’Energieélectrique

3. 27/04/2007ThèseContexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéIntégration et performancesConclusionEnergie électrique au quotidienGestion de l’énergie électrique et électronique de puissanceAméliorer la gestion de l’énergie électrique -les voies en électronique de puissanceAmélioration des circuits et algorithmes de commandeAmélioration des caractéristiques intrinsèques des composantsRéalisation de nouveaux composantsNouvelles architectures de convertisseursIntégration de systèmes de puissanceDiminution du volume et du poids

4. Diminution de coût de fabrication

5. Maîtrise de la dispersion des caractéristiques

6. Multiplication des fonctions et nouvelles fonctionnalités

7. Amélioration de la fiabilité des systèmes

8. Protection contre les courts-circuits

9. Amélioration des performances des systèmes

10. Architecture « faibles pertes »27/04/2007ThèseContexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéintégration et performancesConclusionPlanL’intégration au service de la fiabilitéCourts-circuits en électronique de puissanceModes et typesPrincipes de détectionCapteur de Tension d’AnodeStructure de protection contre les C.CTopologie et fonctionnementValidation par simulation 2DRésultats expérimentauxProblématique d’intégration monolithiqueL’intégration au service des performancesCompromis pertes en conduction, pertes en commutationArchitecture faibles pertes / Bi-IGBTTopologie et fonctionnementStructure discrète, validation intérêtSimulation 2D, validation du conceptRéalisation technologiqueConclusions et perspectives

11. 27/04/2007ThèseContexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéintégration et performancesConclusionPlanL’intégration au service de la fiabilitéCourts-circuits en électronique de puissanceModes et typesPrincipes de détectionCapteur de Tension d’AnodeStructure de protection contre les C.CTopologie et fonctionnementValidation par simulation 2DRésultats expérimentauxProblématique d’intégration monolithiqueL’intégration au service des performancesCompromis pertes en conduction, pertes en commutationArchitecture faibles pertes / Bi-IGBTTopologie et fonctionnementStructure discrète, validation intérêtSimulation 2D, validation du conceptRéalisation technologiqueConclusions et perspectives

12. 27/04/2007ThèseContexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéintégration et performancesConclusionEléments de contexteCourts-circuits en E.PCapteur de Tension d’AnodeStructure de protection contre les courts-circuitsPremière partie: Intégrer pour améliorer la fiabilité:Structure de protection des IGBTs contre les courts-circuits

13. 27/04/2007ThèseContexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéintégration et performancesConclusionCourts-circuits en E.P Définition

14. Modes et types

15. Défaillance de l’interrupteur

16. Grandeurs d’état de détectionCapteur de tension d’anodeModes et types de courts-circuitsModes Court-circuit lié à la charge

17. Court-circuit de brasTypesType 1: Lors de la mise en conduction de l’interrupteur de puissance

18. Type 2: Lorsque l’interrupteur de puissance est en conduction

19. Court-circuit série27/04/2007ThèseContexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéintégration et performancesConclusionCourts-circuits en E.P Définition

20. Modes et types

21. Défaillance de l’interrupteur

22. Grandeurs d’état de détectionCapteur de tension d’anodeDéfaillances d’un interrupteur élémentaire soumis à un court-circuitIA Au turn-ON Court-circuit prolongé A l’ouverture RetardéeImaxtempsSimultanément: Pleine tension d’alimentation Courant maximal Forte dissipation d’énergie

23. Nombreuses défaillancesVAKtemps

24. 27/04/2007ThèseContexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéintégration et performancesConclusionCourts-circuits en E.P Définition

25. Modes et types

26. Défaillance de l’interrupteur

27. Grandeurs d’état de détectionCapteur de tension d’anodeCapteur de Tension d’AnodeDétection de la tension d’anodeGrandeurs d’état de détectionSolutions intégrées basées sur deux grandeursCourantTensionCommande de grille établie (L.V)

28. Pleine tension d’alimentation sur l’anode (H.V)27/04/2007ThèseContexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéintégration et performancesConclusionCourts-circuits en E.PCapteur de tension d’anodePrincipe de fonctionnement

29. Comportement statique

30. Comportement dynamique

31. Réalisation technologiquexV~VALe Capteur de Tension d’Anode:principe de fonctionnementVcapteur = f (VA) Image en face avant de la tension d’anode (face arrière)

32. Intégration aisée dans un processus d’IGBT

33. Tenue en tension identique à celle du composant de puissanceVA

34. 27/04/2007ThèseContexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéintégration et performancesConclusionCourts-circuits en E.PCapteur de tension d’anodePrincipe de fonctionnement

35. Comportement statique

36. Comportement dynamique

37. Réalisation technologiqueLe capteur de tension d’anode:comportement statique (simulation 2D) Différentes gammes de tension selon l

38. Gamme Vcapteur lorsque l  Choix de la gamme dès la conception technologique27/04/2007ThèseContexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéintégration et performancesConclusionCourts-circuits en E.PCapteur de tension d’anodePrincipe de fonctionnement

39. Comportement statique

40. Comportement dynamique

41. Réalisation technologiqueLe capteur de tension d’anode:comportement dynamique en charge (simulation 2D) Charge résistive 10kΩ

42. Réponse quasi-instantanée

43. Régime permanent en 50µs

44. Charge capacitive de 0.5pF

45. 90% de la charge en 0.2µs

46. Charge totale en 1µs Compatible avec la commande de grille de MOS

47. 27/04/2007ThèseContexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéintégration et performancesConclusionCourts-circuits en E.PCapteur de tension d’anodePrincipe de fonctionnement