Radoslava Mitova
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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 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
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’alimentatio
n de la commande
REG
ULA
TIO
N
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
OFFON0V
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 17.00us15.26us 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
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-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
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
9 107
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
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 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
II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT
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
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
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
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
III. LA CONCEPTION DU MOSFET
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
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)
VDSVBR
III. LA CONCEPTION DU MOSFET
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
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 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
III. LA CONCEPTION DU MOSFET
Source
GrilleVDS
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
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
III. LA CONCEPTION DU MOSFET
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
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
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
Commande rapprochée
Composant sous test
VDS=100V
CS=22nF
F=20KHz
=0.5
III. LA CONCEPTION DU MOSFET
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
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
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
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
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
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
IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN 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
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
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
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+
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
MODELE PSEUDO-ANALYTIQUE DU JFET VERTICAL
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
IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET
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
IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET
canal = 1µm
Lsource = 4µm
MODELE PSEUDO-ANALYTIQUE DU JFET VERTICAL
Grille GrilleSource
39
SIMULATION DE L’AUTO-ALIMENTATION
IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET
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
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
GrilleAl
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+
RRRRR
canalDS
N
4550
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]
|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.
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…).
48FIN
Merci pour votre attention
FIN