[tel-01077715] Conception d'un circuit intégré en SiC appliqué aux convertisseur de moyenne puissance

The new SiC power switches is able to consider power converters which could operate in harsh environments as in High Voltage 10kV and High Temperature 300 °C Currently they are no specific solutions for controlling these devices in harsh environments The development of elementary functions in SiC is a preliminary step toward the realization of a first demonstrator for these fields of applications AMPERE laboratory France and the National Center of Microelectronic of Barcelona Spain have elaborated an elementary electrical compound which is a lateral dual gate MESFET in Silicon Carbide SiC The purpose of this research is to conceive a monolithic power converter and its driver in SiC The scientific approach has consisted of defining in a first time a SPICE model of the elementary MESFET from electric characterizations fitting Analog functions as comparator ring oscillator Schmitt’s trigger have been designed thanks to this SPICE’s model A device based on a bridge rectifier a regulated boost and its driver has been established and simulated with the SPICE Simulator The converter has been sized for supplying 22 W for an area of 027 cm2 This device has been fabricated at CNM of Barcelona on semi-insulating SiC substrate The electrical characterizations of the lateral compounds resistors diodes MESFETs checked the design the sizing and the manufacturing process of these elementary devices and analog functions The experimental results is able to considerer a monolithic driver in Wide Band Gap The prospects of this research is now to realize a fully integrated power converter in SiC and study its behavior in harsh environments especially in high temperature 300 °C Analysis of degradation mechanisms and reliability of the power converters would be so considerer in the futureL’émergence d’interrupteurs de puissance en SiC permet d’envisager des convertisseurs de puissance capables de fonctionner au sein des environnements sévères tels que la haute tension 10 kV et la haute température 300 °C Aucune solution de commande spécifique à ces environnements n’existe pour le moment Le développement de fonctions élémentaires en SiC comparateur oscillateur est une étape préliminaire à la réalisation d’un premier démonstrateur Plusieurs laboratoires ont développé des fonctions basées sur des transistors bipolaires MOSFETs ou JFETs Cependant les recherches ont principalement portées sur la conception de fonctions logiques et non sur l’intégration de drivers de puissance Le laboratoire AMPERE INSA de Lyon et le Centre National de Microélectronique de Barcelone Espagne ont conçu un MESFET latéral double grille en SiC Ce composant élémentaire sera à la base des différentes fonctions intégrées envisagées L’objectif de ces recherches est la réalisation d’un convertisseur élévateur de tension boost monolithique et de sa commande en SiC La démarche scientifique a consisté à définir dans un premier temps un modèle de simulation SPICE du MESFET SiC à partir de caractérisations électriques statique et dynamique En se basant sur ce modèle des circuits analogiques tels que des amplificateurs oscillateurs paires différentielles trigger de Schmitt ont été conçus pour élaborer le circuit de commande driver La conception de ces fonctions s’avère complexe puisqu’il n’existe pas de MESFETs de type P et une polarisation négative de -15 V est nécessaire au blocage des MESFETs SiC Une structure constituée d’un pont redresseur d’un boost régulé avec sa commande basée sur ces différentes fonctions a été réalisée et simulée sous SPICE L’ensemble de cette structure a été fabriqué au CNM de Barcelone sur un même substrat SiC semi-isolant L’intégration des éléments passifs n’a pas été envisagée de façon monolithique mais pourrait être considérée pour les inductances et capacités dans la mesure où les valeurs des composants intégrés sont compatibles avec les processus de réalisation Le convertisseur a été dimensionné pour délivrer une de puissance de 22 W pour une surface de 027 cm2 soit 814 W/cm2 Les caractérisations électriques des différents composants latéraux résistances diodes transistors valident la conception le dimensionnement et le procédé de fabrication de ces structures élémentaires mais aussi de la majorité des fonctions analogiques Les résultats obtenus permettent d’envisager la réalisation d’un driver monolithique de composants Grand Gap La perspective des travaux porte désormais sur la réalisation complète du démonstrateur et sur l’étude de son comportement en environnement sévère notamment en haute température 300 °C Des analyses des mécanismes de dégradation et de fiabilité des convertisseurs intégrés devront alors être envisagées



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