Silicium tedt

1. 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. 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. 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. 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. 5
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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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

16. 16
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

17. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 27
REALISATION TEHCNOLOGIQUE DES COMPOSANTS AU CIME
MOS principal
MOS
auxiliare
Anneaux
de garde
III. LA CONCEPTION DU MOSFET

28. 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. 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. 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. 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

32. 32
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

33. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 48
FIN
Merci pour votre attention
FIN