Sujet de thèse – Contrat Doctoral Unique Contexte

Sujet de thèse – Contrat Doctoral Unique
Nouvelles fonctions de gate driver CMOS pour transistors de puissance grands gaps : contrôle
rapproché, surveillance et protection ultra-rapide, récupération d’énergie
Mots clés : conception CMOS, électronique analogique, électronique de puissance, commande de transistors
grands gaps, MOSFET SiC et HEMT GaN, onduleur de tension, synchronous buck-boost
Contexte :
Les transistors de puissance grands gaps tels que les MOSFETs en Carbure de Silicium (SiC) et les
transistors à haute mobilité électronique (HEMT) en Nitrure de Gallium (GaN) repoussent les
compromis classiques en électronique de puissance. Particulièrement dans les applications
embarquées et le marché « grand public » de l’électronique de puissance (composants 600V-1200V),
des gains significatifs ont été démontrés par les transistors SiC et GaN : meilleurs rendements, couplés
à une augmentation des densités de puissance offerte par la montée en fréquence de découpage.
La mise en œuvre de semi-conducteurs grand-gap fait aussi émerger des besoins spécifiques de
surveillance et de protection ultra-rapides, en particulier pour les convertisseurs de forte puissance et
dans les applications critiques en termes de sûreté de fonctionnement. Les solutions appliquées
aujourd'hui sur les semi-conducteurs rapides en silicium font appel à une électronique haute tension
peu intégrable dans un "gate driver" et caractérisée par un compromis "rapidité – robustesse"
incompatible à nos yeux avec les spécificités des semi-conducteurs grand-gap. Il nous semble donc
pertinent d'aborder cette problématique en partant d'une électronique basse tension et en exploitant
directement et uniquement les tensions et courants de grille des semi-conducteurs grand-gap
considérés, aussi bien sur les séquences de commutation que durant les régimes établis :
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par le traitement du courant de grille (en amplitude crête, en valeur intégrale ou "gate-charge" [1],
en valeur sur régime établi) et nous permettre de détecter une température de jonction
anormalement élevée, un défaut de comportement durant les séquences de commutation (courtcircuit) voire même un niveau avancé de vieillissement de l'oxyde de grille,
la prise en compte de la tension de grille, seule ou couplée à celle du courant de grille, doit nous
permettre de rendre plus robuste les détections, i.e. obtenir une moindre dépendance au point de
fonctionnent du convertisseur et aussi, par échantillonnage sur des séquences particulières, de
reconstruire la variation du courant de charge.
Cette approche est gage d'intégrabilité au sein même de l'ASIC CMOS "gate-driver" et doit nous
permettre d'accéder à des niveaux de performance, de coût et de reproductibilité inégalés par rapport
à des solutions à composants discrets, de surcroit si ceux-ci sont en technologie haute tension. Dans
ce contexte, ce travail de recherche se focalise particulièrement sur la conception d’un circuit ASIC
CMOS de commande rapprochée permettant d’intégrer de nouvelles fonctions pour aller au-delà des
performances disponibles sur le marché (immunité aux transitoires de mode commun – CMTI [2] audelà de 200V/ns, gestion et optimisation de la consommation énergétique, récupération et transfert
d’énergie, surveillance et protections ultra-rapides).
Actions de recherche :
Le travail de thèse s’appuiera sur une étude bibliographique et une veille scientifique et technique
continue, afin de dégager et confirmer les limites des solutions et approches existantes. Le-La
doctorant-e effectuera la conception, le dimensionnement et le routage de circuits analogiques et
numériques sur une technologie CMOS industrielle déjà identifiée. La ou les puces CMOS conçues
proposeront des fonctions intégrées telles que : techniques de récupération d’énergie électrique,
transfert d’énergie et communication par voie optique, observation robuste et protection ultrarapide via une intégration fonctionnelle, techniques d’optimisation de la consommation d’énergie et
d’adaptation. Au-delà d’un travail de conception microélectronique CMOS, le-la doctorant-e devra
prendre en compte les spécificités et les aspects multi-physiques de l’électronique de puissance et des
interactions entre « gate driver » et cellule de commutation de puissance, en particulier sur des circuits
tests de type onduleur deux niveaux et multiniveaux intégrés (ayant des fréquences de commutation
de l'ordre de la centaine de kHz à quelques MHz).
Ces actions de recherche, en lien avec une dynamique internationale forte et de grandes attentes du
monde industriel, devront s’appuyer sur des caractérisations expérimentales poussées et rigoureuses :
depuis la caractérisation de fonctions CMOS sous pointes jusqu’à l’implémentation dans des cellules
de commutation "test" représentatives des convertisseurs fortement intégrés, en basse et moyenne
tension, étudiés ou en perspective dans le groupe CS du LAPLACE. Le spectre couvert dans ce travail
de recherche est donc particulièrement large. En ce sens, des candidat-e-s pluri-disciplinaires et à forte
capacité d’adaptation sont recherché-e-s.
Compétences recherchées :
Une grande partie du travail de recherche étant focalisé sur la conception de fonctions intégrées en
technologie CMOS, les candidat-e-s devront justifier de compétences dans la conception, simulation,
dimensionnement et routage analogique et numérique en technologie CMOS. Des connaissances sur
l’électronique de puissance, la physique du semiconducteur et la commande des transistors de
puissance seront très appréciées.
Le-La doctorant-e devra démontrer un goût pour la recherche, l’esprit d’initiative et une rigueur
expérimentale. Pendant son séjour de 36 mois au laboratoire, le-la doctorant-e pourra acquérir de
nombreuses compétences en bénéficiant de l’environnement dynamique et du savoir-faire reconnu
de l’encadrement et du groupe de recherche.
Laboratoire et encadrement :
Laboratoire plasma et conversion d'énergie LAPLACE
Site ENSEEIHT - 2, rue Charles Camichel - BP 7122 - 31071 Toulouse cedex 7- France
Groupe
Convertisseurs
Statiques
http://www.laplace.univ-tlse.fr/researchgroups/convertisseurs-statiques/
Directeur de thèse :
Dr. Nicolas ROUGER, Chargé de recherche CNRS, Habilité à Diriger des Recherches
Tél. +33 5 34 32 24 00, [email protected]
Co-directeur de thèse :
Dr. Frédéric RICHARDEAU, Directeur de recherche CNRS, Habilité à Diriger des
Recherches
Tél. +33 5 34 32 23 98, [email protected]
Références :
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Exemple de travaux précédents au laboratoire LAPLACE
(zoom sur une fonction analogique intégrée en
technologie CMOS 180nm pour les gate driver)
[1] T. Horiguchi, S. i. Kinouchi, Y. Nakayama and H. Akagi, "A fast shortcircuit protection method using gate charge characteristics of SiC
MOSFETs," 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Montreal, QC, 2015, pp. 4759-4764.
[2] N. Rouger, L. T. Le, D. Colin and J. C. Crébier, "CMOS SOI gate driver with integrated optical supply and optical
driving for fast power transistors," 2016 28th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs
(ISPSD), Prague, 2016, pp. 427-430.