Conception d`un circuit intégré en SiC appliqué aux convertisseur

INSA DE LYON
N◦d’ordre : 2014-ISAL-0004
Thèse
Présentée à
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
En vue d’obtenir
LE GRADE DE DOCTEUR
ECOLE DOCTORALE : ELECTRONIQUE ELECTROTECHNIQUE AUTOMATIQUE
FORMATION DOCTORALE : GENIE ELECTRIQUE
par
Jean-François MOGNIOTTE
Ingénieur de l’INSA de Lyon
Conception d’un circuit intégré en SiC appliqué aux convertisseurs de
moyenne puissance
Présentée le 07 Janvier 2014 devant le jury composé de Messieurs :
Pr. Philippe GODIGNON, Président
Pr. Frédéric MORANCHO, Rapporteur
CR. Jean-Christophe CREBIER, Rapporteur
Dr. Mathieu BERVAS, Examinateur
Pr. Dominique PLANSON, Directeur de thèse
Dr. Dominique TOURNIER, Co-directeur de thèse
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© [J-F. Mogniotte], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés

INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales – Quinquennal 2011-2015
SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE
CHIMIE
CHIMIE DE LYON
http:// www.edchimie-lyon.fr
Sec :Renée EL MELHEM
Bat Blaise Pascal
3e etage
Insa : R. GOURDON
M. Jean Marc LANCELIN
Université de Lyon – Collège Doctoral
Bât ESCPE
43 bd du 11 novembre 1918
69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone]
[e-mail]
E.E.A.
ELECTRONIQUE,
ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE
http:// edeea.ec-lyon.fr
Secrétariat : M.C. HAVGOUDOUKIAN
[e-mail]
M. Gérard SCORLETTI
Ecole Centrale de Lyon
36 avenue Guy de Collongue
69134 ECULLY
Tél : [phone] Fax : [phone]
Gerard.scorle[email protected]
E2M2
EVOLUTION, ECOSYSTEME,
MICROBIOLOGIE, MODELISATION
http://e2m2.universite-lyon.fr
Insa : H. CHARLES
Mme Gudrun BORNETTE
CNRS UMR 5023 LEHNA
Université Claude Bernard Lyon 1
Bât Forel
43 bd du 11 novembre 1918
69622 VILLEURBANNE Cédex
Tél : [phone]
e2m2@ univ-lyon1.fr
EDISS
INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-
SANTE
http://www.ediss-lyon.fr
Sec :
Insa : M. LAGARDE
Mme Emmanuelle CANET-SOULAS
INSERM U1060, CarMeN lab, Univ. Lyon 1
Bâtiment IMBL
11 avenue Jean Capelle INSA de Lyon
696621 Villeurbanne
Tél : [phone] Fax :[phone]
[e-mail]
INFOMATHS
INFORMATIQUE ET MATHEMATIQUES
http://infomaths.univ-lyon1.fr
Sec :Renée EL MELHEM
Bat Blaise Pascal
3e etage
infomaths
@univ-lyon1.fr
Mme Sylvie CALABRETTO
LIRIS – INSA de Lyon
Bat Blaise Pascal
7 avenue Jean Capelle
69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone] Fax [phone]
[email protected]
Matériaux
MATERIAUX DE LYON
http://ed34.universite-lyon.fr
Secrétariat : M. LABOUNE
PM : 71.70 –Fax : 87.12
Bat. Saint Exupéry
[email protected]
M. Jean-Yves BUFFIERE
INSA de Lyon
MATEIS
Bâtiment Saint Exupéry
7 avenue Jean Capelle
69621 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone] Fax [phone]
[email protected]
MEGA
MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE
CIVIL, ACOUSTIQUE
http://meg a.universite-lyon.fr
Secrétariat : M. LABOUNE
PM : 71.70 –Fax : 87.12
Bat. Saint Exupéry
[email protected]
M. Philippe BOISSE
INSA de Lyon
Laboratoire LAMCOS
Bâtiment Jacquard
25 bis avenue Jean Capelle
69621 VILLEURBANNE Cedex
Tél :[phone] Fax : [phone]
[email protected]
ScSo
ScSo*
http://recherche.univ-lyon2.fr/scso/
Sec : Viviane POLSINELLI
Brigitte DUBOIS
Insa : J.Y. TOUSSAINT
M. OBADIA Lionel
Université Lyon 2
86 rue Pasteur
69365 LYON Cedex 07
Tél : [phone] Fax : [phone]
[email protected]
*ScSo : Histoire, Géographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie
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A ma famille, à mes parents et à Maryne
"Le Seigneur sera avec toi partout où tu iras." (Josué 1.9)
iii
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iv
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Résumé
L’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 démons-
trateur. 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 diffé-
rentes 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 puis-
qu’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 monoli-
thique (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 conver-
tisseur a été dimensionné pour délivrer une de puissance de 2.2 W pour une surface de 0.27 cm2,
soit 8.14 W/cm2.
Les caractérisations électriques des différents composants latéraux (résistances, diodes, tran-
sistors) 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 com-
posants 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 conver-
tisseurs intégrés devront alors être envisagées.
v
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