etude et conception - TEL (thèses-en-ligne)

T
TH HE ES SE E
En vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITE DE TOULOUSE
Délivré par l'Université Toulouse III - Paul Sabatier
Discipline ou spécialité : Conception de Circuit Microélectronique et Microsystèmes
Présentée et soutenue par
Florence CAPY
Le 4 décembre 2009
Titre :
Etude et conception d'un interrupteur de puissance monolithique à auto-commutation:
le thyristor dual disjoncteur.
Jury :
J-C. CREBIER (Rapporteur)
J. MILLAN (Rapporteur)
P.BIDAN (Examinateur)
S. LEFEBVRE (Examinateur)
J-B. QUOIRIN (Examinateur)
J-L. SANCHEZ (Examinateur)
Ecole doctorale : GEET
Unité de recherche : LAAS-CNRS
Directeur(s) de thèse : M. BREIL (Directrice), F. RICHARDEAU (Co-directeur)
Rapporteurs : J-C. CREBIER, J. MILLAN

REMERCIEMENTS
Le travail effectué dans ce mémoire a été effectué au sein du groupe Intégration des
Systèmes de Gestion de l’Energie (ISGE) du Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des
Systèmes (LAAS) du CNRS à Toulouse.
Je remercie Messieurs GHALLAB et CHATILA, Directeurs successifs du LAAS, ainsi
que Madame BAFLEUR, Responsable du groupe ISGE, pour m’avoir accueillie et permis
d’entreprendre cette étude.
Je tiens à remercier Messieurs Jean-Christophe CREBIER et José MILLAN, qui ont
accepté la tâche d’être rapporteur de mes travaux de thèse. Je remercie également les
membres du jury, Messieurs LEFEBVRE, QUOIRIN et SANCHEZ, ainsi que Monsieur
BIDAN qui m’a fait l’honneur de le présider avec toute sa gentillesse.
Je souhaite exprimer mes remerciements à ma directrice de thèse, Marie BREIL pour sa
gentillesse, son soutien, son aide permanente (même à 3h du matin) et la confiance qu’elle
m’a accordée durant ces années. Tu as parfaitement joué ton rôle de directrice de thèse, voire
même plus, et je pense que tes autres doctorants ne me contrediront pas. Je tiens également à
exprimer ma reconnaissance envers mon codirecteur Frédéric RICHARDEAU, pour la
confiance qu’il m’a accordé et les nombreuses discussions scientifiques qu’on a eu. Je tiens
aussi à te remercier pour tes qualités humaines et te dire que tu as été une source de
motivation permanente. Vous avez formé un duo formidable d’encadrant et ce fut un vrai
plaisir de travailler avec vous. Mes remerciements vont également à Jean Louis SANCHEZ,
qui a réalisé l’interim pendant un an. Je tiens à souligner que malgré tes nouvelles
responsabilités tu as toujours suivi mon travail et c’est grâce à tes conseils et ta clairvoyance
scientifique qu’il a pu autant avancer.
Je tiens aussi à remercier tout particulièrement Jean Pierre LAUR. Je remercie tout
d’abord le professeur : apprendre avec toi est un vrai plaisir car tout devient simple et
intéressant (Je me suis rarement autant éclatée à faire du circuit)… Je remercie aussi
l’encadrant car je te considère comme mon troisième directeur de thèse avec tout ce que cela
peut représenter : Tu m’as redonné goût à mon sujet quand je baissais les bras, tu m’as

soutenu dans les moments difficiles, car en plus de tes qualités pédagogiques tu as aussi de
grandes qualités humaines. J’ai été très fière de pouvoir travailler et apprendre avec toi.
Je tiens à exprimer ma reconnaissance envers les permanents du groupe ISGE, en
particulier Magali BRUNET qui a pris part avec toute sa gentillesse et sa bonne humeur à ce
travail. Je remercie aussi Abdelhakim BOURENNANE, qui a participé à ce travail tout au
long de ces années de thèse. Merci pour tous les échanges qu’on a eus et pour toute l’aide que
tu as apportée sans jamais rechigner.
Un grand merci aussi au personnel de la centrale de technologie du LAAS pour leur
patience et leur bonne humeur, en particulier Boubou, Laurent, Fabien ( merci pour la
formation microscope et plaques chauffantes) que j’ai de nombreuses fois embêtés… Mais
aussi Jean Christophe, Djaffar, Bernard, Christina, Samuel, David, Sébastien, Monique,
Véronique, David…Et surtout Eric IMBERNON qui a assuré avec beaucoup de patience et de
brio la formation (et ce n’était pas de tout repos) et le bon déroulement du process.
Je voudrais remercier les collègues de bureau pour avoir rendue ce « séjour » si agréable,
Stéphane dont les blagues commencent à être aussi drôle que les miennes, Gabs qui a apporté
sa touche de folie dans le bureau et Julie pour ses blagues de haut vol, ses initiations aux jeux
et surtout son soutien dans les moments difficiles de la fin de thèse. Je voudrais remercier
aussi toute l’équipe photovoltaïque pour leur bonne humeur: Cédric (le maître power point),
Jeff (bon c’est quand qu’on se fait une soirée ?), ainsi que les petits nouveaux Alona (la reine
du déguise), Youssef (on fait une pause ?) et Marcos. Je tiens à adresser un remerciement
particulier à Mathieu qui a été un soutien durant les périodes difficiles de la thèse et surtout
qui apporté une aide énorme en salle blanche, sans jamais compter son temps. C’est grâce à
toi que j’ai pu arriver au bout, merci d’avoir été là pour moi. Je remercie également Gaétan et
Loïc, mes deux experts en simulation 2D. Enfin un gros merci à Thibaut pour sa grande
générosité qui n’a pas hésité à se lever très tôt pour ma soutenance et qui a toujours répondu
présent dès que j’avais besoin d’aide.
Enfin dans le désordre, je remercie Philippe MENINI (un tuteur pédagogique en or),
Alain CAZARRE, Pierre ALOISI (c’était un plaisir de partir en conférence avec toi), Claude
LAFFORE, Neermalsing SEWRAJ. Je m’excuse d’avance auprès de ceux que j’ai oubliés.
Je ne peux finir sans remercier mes parents et Greg qui m’ont soutenu patiemment durant
ces années de thèse avec tout leur amour.

TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GENERALE 9
CHAPITRE 1 INTEGRATION FONCTIONNELLE D’UN INTERRUPTEUR AUTO-
COMMUTE : LE THYRISTOR DUAL DISJONCTEUR 13
Introduction 15
1. DU THYRISTOR DUAL AU THYRISTOR DUAL DISJONCTEUR 15
1.1. Les interrupteurs de puissance 15
1.2. Exemple de synthèse d’un interrupteur trois segments :
Le thyristor dual 18
1.3. Le thyristor dual disjoncteur 22
1.4. Objectifs 27
2. INTEGRATION DE LA FONCTION 28
2.1. L’intégration en électronique de puissance 28
2.2. Quelle intégration choisir ? 31
2.3. L’intégration fonctionnelle :
Stratégie actuelle d’intégration et évolution 38
3. CONCEPTION ET REALISATION DE LA FONCTION 40
3.1. La filière technologique flexible 40
3.2. Méthodologie 46
Conclusion 48
CHAPITRE 2 INTERRUPTEUR AUTO-COMMUTE A THYRISTOR 49
Introduction 51
1. DEFINITION DE L’ARCHITECTURE 51
1.1. Présentation de l’architecture et de son fonctionnement 51
1.2. Conditions de fonctionnement 54
1.3. Discussion préliminaire à l’étude 2D 58