Ampère Lab CNRS Associated Lab 5005 Electrical Engineering, Electromagnetism, Control, Environmental Microbiology and Applications Hervé Morel mai 2013 Directeur de Recherche, CNRS Responsable Programme à l'ANR/EDu/PROGELEC Cette présentation est téléchargeable à cette adresse isp/2013 http://hmorel.ampereforge.org/mes-cours Conférence sur la transition énergétique : http://hmorel.ampereforge.org/mes-presentations 2013 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 1 Pourquoi de l'intégration de puissance ? Électrification accrue => EP1 partout Dans les transports, la masse et le volume sont discriminant => compacité La fabrication collective2 augmente la fiabilité La fabrication collective diminue les coûts EP1 = Électronique de Puissance, Fabrication collective2 ↄ Intégration de puissance Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 2 Technologies d'intégration de puissance Bus-barre Fort courant, isolant très fin Modules hybrides Substrat céramique Al2O3, AlN, Si3N4 Intégration 3D hybride, CPES, ECPE, 3DPHI ... Intégration monolitique de puissance : CMOS (mobile), SOI (Automobile) ... PCB + radiateur ... Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 3 Objectifs de l'ISP 1) compacité http://www.ecpe.org 2) modularité Intégration 3D Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 4 Électronique de puissance Convertir l'énergie électrique avec la meilleure Efficacité énergétique Schéma général de la conversion Electric Energy Source PIN losses control POUT Power Converter QCONV Electric Load QLOAD losses Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 5 Interrupteur ideaux i (Electro-)Mecanique off v off-state i on i on-state on 4 quadrants ctrl K v off v 6 Interrupteur idéaux Nom Diode idéale fonction Quadrants Composants réels i Conduction directe, blocage inverse Diodes bipolaires ou Schottky on off v Interrupteur commandé bidirectionnel en tension Conduction directe, blocage direct et inverse Interrupteur commandé bidirectionnel en courant Conduction directe et inverse, blocage direct Interrupteur bidirectionnel en courant et tension Conduction directe et inverse, blocage direct et inverse Thyristor, GTO, BJT, IGBT i on off v i MOSFET, JFET on off v i on off v Interrupteur électromécaniq ue 7 Principes de l'électronique de puissance 1-commutation tON K E ON R découpage tOFF OFF T Période de découpage T =T ON +t OFF 2-lissage K t ON t ON α= = T ON +t OFF T Avec des éléments passifs Diode de roue libre 3-roue libre E Rapport cyclique L R K E L R C Buck arc si K s'ouvre ! 8 Électronique de puissance Source Charge Filtre CEM Lissage Commutation Source d'énergie CEM Découpage (fs) Lissage (L,C) Pertes en conduction consommation Pertes en commutation Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 9 Cellule de commutation Thèse Kaissar Ammous, INSA, 2002 iF Source Charge Filtre CEM Lissage vR Commutation vR iF Rôle du cablage ! cellule de commutation (à l'échelle de la commutation) Modélisation du découpage et des pertes ! Cellule de commutation à haute tension ??? Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 10 Objectifs de l'ISP http://www.ecpe.org Compacité mais ... Complexité ? puissance ? thermique ? CEM ? Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 11 Objectifs de l'ISP http://www.ecpe.org Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 12 commutation 100 ns à qq µs Hatem Garab, thèse INSA 2003 VR IF BYT12P600 + IRF 740 Modélisation multiphysique 0 To = 440 K -200 To = 300 K To = 380 K V diode [V] -100 Experimental waveform simulated waveform simulated waveform simulated waveform -300 -400 60,0n DESSIS 80,0n 100,0n 120,0n 140,0n 160,0n 180,0n 200,0n Time [s] Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 13 Pertes dans les convertisseur État on : Q ON =V ON ( I ON ) I ON État off : QOFF =V OFF I OFF (V OFF ) Pertes en commutation : ? Premier Principe de la Thermodynamique dU =i v−Q dt T Sur un cycle, ∫ i v dt= 〈 Q 〉 T datasheets 0 〈 Q 〉 =α QON + ( 1−α ) QOFF + E turn OFF +E T turn ON 1 Rôle de la fréquence f = T CEM ! 14 Pertes: conduction et commutation Pertes en conduction QON =i F v ON (i F , T ) auto-échauffement Application fort courant PIN: QON/S ~ EG JF Pertes à l'état bloqué Si: 300 W/cm² SiC: 1000 W/cm² Q OFF =iOFF (v R , T ) v R Négligeable ? Application haute tension (VBR) Application haute température Pertes en commutation E SW = E SW I F , V R , T , ... Câblage, CEM ... Pertes turn E turn OFF + E ON 〈 Q 〉 =α QON + ( 1−α ) QOFF + T Limite fréquentielle Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 15 Caractéristiques des composants de puissance Chute de tension à l'état passant v ON i F , T Courant de fuite i OFF v R ,T Tenue en tension (VBR) v BR T Pertes en commutation ? Liens entre ces caractéristiques et les paramètres de conception technologique Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 16 A3 - Rôle du câblage Position du problème i1 v2 v1 i2 Pistes de connexions sur un PCB ou un module DBC Couplage inductif entre les pistes Couplage capacitif entre pistes et plan de masse Diffusion des courants HF (effet de peau ...) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 17 Rôle du câblage Equations de Maxwell i1 v2 v1 i2 ∂ B E rot =0 ∂t = div D = { E } D E =0 div B ∂ D H =J rot ∂t = { B } H B Méthodes numériques (intégrales de frontière) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 18 Potentiels électrique et magnétique ∂A E= J − grad V− ∂t = rot A B Solution des potentiels retardés ∥ x − x '∥ t− , x ' 3 1 c Vt , x = d x' ∫ ∥ x− x '∥ 4 0 x− x '∥ j t−∥ , x ' 0 3 c A t , x = d x' ∫ ∥ x − x '∥ 4 Relation de cause à effet ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 19 La méthode PEEC The Partial Element Equivalent Circuit (PEEC) Method Limites: géométrie ... Outil: INCA, FASTHENRY Albert E. Ruehli (IBM) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 20 Rôle du câblage La cellule de commutation Lm : le plus simple modèle de câblage Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 21 Rôle du câblage : paramètres de commutation entrées IF : courant direct VR : tension inverse appliquées Paramètres de commutation IRM: courant inverse maximal VRM: tension inverse maximale tRR : temps de recouvrement inverse Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 22 Rôle de la tension appliquée, VR Rôle du courant direct, IF Rôle du câblage : IF et VR Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 23 Rôle de l'inductance de maille, Lm di/dt versus Lm Rôle du câblage : IF et VR Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 24 Rôle du câblage : conclusion Compromis câblage - fréquence Systèmes compacts : - haute fréquence - CEM ? - Thermique - température Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 25 Intégration des composants de puissance Physique des composants à semiconducteurs (puissance, T) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 26 Physique des composants à semiconducteur Reférences B. J. BALIGA, Modern Power Devices, Krieger, Florida H. Mathieu, Physique des semiconducteurs et des composants électroniques, Masson, Paris Martin Lades, Modeling and Simulation of Wide Bandgap Semiconductor Devices: 4H/6H-SiC, PhD, Munich Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 27 Physique des composants de puissance à semiconducteur IV Classification périodique, B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr chimie (le russe Dimitri Mendeleïev) Ni Pd Ag Cd In Pt Sn Sb Te I Au Hg Th Pb Bi Conducteur Po At Xe Rn Semiconducteur Isolant Cu, Ag, Al, Si, SiC, GaN, Diamant, AlN, Si 3N4, SiO2 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 28 électron libre Les forces de Coulomb deviennent très faibles. C'est un électron libre ! Il ne tourne plus autour d'un atome ou de 2 atomes. Excitation = apport d'énergie Un électron = une charge Il reste une charge +! Un trou ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 29 Semiconducteur ? Effet de moyenne sur un nombre important de maille e- Donc un semiconducteur = de nombreuses mailles ! Si la structure est trop petite: fin de la loi de Moore ! Électronique moléculaire Moyenne => équations des semiconducteurs Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 30 Interface d'un semiconducteur e- Force de repulsion ! Affinité électrochimique = Evide - Eréseau Diode schottky, contact ohmique Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 31 Bande interdite E Bande de conduction (électrons libres) Bande interdite Ec =Ec p Eg E G =q U G p =h k Bande de valence (trous) n i =2 2 m e m cv k B T h2 3 2 −U G exp 2 uT sc Si SiC-4H GaN Diamond 2 T U G =U G0 − T U 0 (V) α β (°K) 1,17 4,73 x 10-4 636 3,26 3,3 x 10-4 0 3,613 x 10-4 0 G 5,46 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 32 Impuretés dopantes III IV V B C N Al Si P Ga Ge As In Sn Sb Type P Type N B, Al N P, As Type P = accepteur, Type N = donneur Activation = f(T) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 33 Génération recombinaison Mécanismes de génération-recombinaison de paires électron-trou SRH (Shockley-Read-Hall), un piège intermédiaire. Auger (électron + trou), surtout à forte densité de porteurs Avalanche ... U=USRH U auger U avalanche USRH = pn−n 2i p n n p 0 n i n = concentration en électrons, p = concentration en trous, ni = concentration intrinsèque , τn = durée de vie des électrons, τp = durée de vie des trous, τ0 = constante de temps de génération dans une zone désertée, Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 34 mobilité 1 1 =∑ i n= q nm mn La mobilité résulte de plusieurs phénomènes de frottement (collisions). Les fréquences s'ajoutent ... un = n E (Modèle de Caughey-Thomas) = LF 1 LF E 1 v SAT 0300 LF = T 300 ND 1 T CR mat (cm2/V/s) Si SiC-4H GaN µ300n0 1400 1000 900 µ300p0 471 115 850 un vSAT Diamant 1900 1600 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org E 35 Semiconducteurs pour les composants de puissance EG (eV) Bande interdite Ec (MV/cm) µn (cm²/V/s) Champ critique Mobilité des électrons µp (cm²/V/s) σT (W/cm/K) Mobilité des trous Conductivité thermique Si 1.12 0.3 1400 450 1.3 SiC-4H 3.25 3.2 950 120 7.0 GaN 3.44 3.0 900 10 1.1 Diamond 5.5 5.7 2200 1800 ~1000 Rôle VBI BV, VBR RON(MOS) RON(BJT) Cooling Intérêt pour PIN, Thyristor, GTO, MCT,IGBT tous MOSFET, IGBT BJT, Thyristor, GTO, MCT, IGBT Tous, forte puissance 36 Équations des semiconducteurs électrique div E = conservation du nombre dérive-diffusion E=− grad =q p−n ∂n −q div J n =q U ∂t Medici, ∂p q div J p =−q U Dessis, ∂t Sentaurus J n =q n n Eu T grad n J p =q p p E−u T grad p Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 37 Dérive-Diffusion n u T grad Jn =q n n E dérive diffusion R. U. R. U. Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 38 Solution exacte = résistivité équilibre thermodynamique État statique, sans déplacement de porteurs la neutralité électrique, L'équilibre des concentrations, =q p−n =0 pn=ni2 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 39 Résistivité d'une couche A l'équilibre p 0 n 0=n 2i n 0≃N D n 2i p0 ≃ ND neutre =0=q p 0−n 0 p 0 ≃N A n 2i n 0≃ NA minoritaire majoritaire 1 L R N= q n ND S R P= 1 L q p NA S 1013 cm-3 < NA, ND < 1020 cm-3 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 40 Intégration des composants de puissance La jonction PN et la diode PiN Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 41 Jonction PN - biblio références B. J. BALIGA, Modern Power Devices, Krieger, Florida H. Mathieu, Physique des semiconducteurs et des composants électroniques, Masson, Paris Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 42 + + La diode PiN (P NN ) P+ N N+ Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 43 La jonction PN P Zone de Charge d'Espace P N - + - + N Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 44 Modèle de Shockley Cathode anode i Approximation: désertion complète (Shockley modèle) v -xA E xD Hypothèse de désertion: n,p << |Γ| hauteur de barrière de potentiel d'une ZCE. -EM ξA v ψ ξA uB vA u B = x D − x A vD N A x A =N D x D u B= w=x Ax D q N A x 2A N D x 2D 2 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 45 Modèle jonction P+N si la jonction est asymétrique, NA >> ND. u B= q ND w2 Em = 2 q ND w La jonction pn est faiblement déséquilibrée ! 0 B u =v BI =u T log ( v= v BI − u B Dans la ZCE NA N D n 2 i ) v pn=n exp uT 2 i Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 46 Jonction PN : rôle de T v BI =u T ln Na Nd n 2i (( v BI =U G +u T ln n i =n NA ND (N 300K 2 CV ) 300K i 3 2 uT u T300K −U G exp 2 uT ) ( )) −3 ln uT uT300K v BI ≈u G VON ~ 1V pour le silicium, 3V pour le SiC Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 47 La diode PIN Simulation : le profile de dopage Γ(x) couche diffusée P+ couche épitaxiée N substrat N+ x la jonction PN Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 48 La diode PIN Simulation : la ZCE à l'équilibre (x) p(x) n(x) ZCE désertion ? Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 49 Simulation : la ZCE et le champ Champ électrique triangulaire Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 50 Simulation : la ZCE et uB uB w Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 51 La diode PINSimulation : la ZCE et v = v - u BI B n=n i exp uT v=v BI −u B n=N D M2 vA ND =u T ln ni uB M1 vc NA =−ln ni Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 52 Simulation : la ZCE et v = vBI - uB La diode PIN en polarisation inverse v c v = vBI – uB = -10 V M2 uB vA M1 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 53 Courants de fuite En polarisation inverse ... Courant de diffusion q D p S n 2i is= LDp N D courant de génération: q ni S 2 uT iG= 0 q ND soit iR ∝ v R Qp v i= =iS exp −1 p uT v BI−v uT i v Rôle de la température ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 54 Tenue en tension Avalanche par ionisation U ion = p p∥vp∥ n n∥vn∥ vitesse d'ionisation porteurs chauds ? (!) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 55 Tenue en tension de la diode PIN WB ND Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 56 Tenue en tension de la diode PIN WB ND Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 57 La diode PIN en polarisation directe en direct v = vBI – uB ~0,5 V ZCE Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 58 La diode PIN La diode PIN en forte injection en forte injection ZCE v = vBI – uB ~1 V p=n > ND ND Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 59 la diode PIN en forte injection (zone neutre !) n=p >> ND USRH = = n p équation de diffusion ambipolaire 2 p n−n i n p p n 0 n i D= 2 n p n p uT ∂p p =div D grad p− ∂t Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 60 la diode PIN en forte injection équation de diffusion ambipolaire ∂p p =div D grad p− ∂t chute de tension u FI=r FI iu D très faible: qq 10mV une diode PIN a une chute de tension proche de Ug ! quelque soit le calibre en tension ! mais ... lent = recouvrement de la charge Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 61 Diodes bipolaire de puissance, PIN ON 1 A < I F <3 kA 60 V <V BR <6.5 kV (12 kV ) VBR, breakdown voltage (EC) 20 kV (SiC) i τ Forward scale ON IF i VBI VBR OFF IL V Reverse scale ON V F ≈V BI on ON F v µA off v V BI ≪V BR I Independent on VBR ! OFF L ≪I ON F Ideal Diode 62 commutation 100 ns à qq µs Hatem Garab, thèse INSA 2003 VR IF BYT12P600 + IRF 740 Modélisation multiphysique 0 To = 440 K -200 To = 300 K To = 380 K V diode [V] -100 Experimental waveform simulated waveform simulated waveform simulated waveform -300 -400 60,0n DESSIS 80,0n 100,0n 120,0n 140,0n 160,0n 180,0n 200,0n Time [s] Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 63 Conclusion sur la diode PIN tenue en tension v BR T , N D , W B chute de tension à l'état passant d v ON T , S , W B , , ~EG T dx rapidité t RR T , , S , N D , W B Diode Schottky ... Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 64 Le transistor bipolaire de puissance A) introduction Composant historique . émetteur JBC JEB N collecteur N P Diffusion des minoritaires à travers une ZCE base Comment amener des minoritaires à la limite d'une ZCE? Par injection de majoritaires à travers une ZCE en polarisation directe ... émetteur iC base iB JBC JEB N collecteur N P collecteur iC vCE vBE iB base VCC RC vBE émetteur vCE Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 65 Historique du fonctionnement depuis l’équilibre. JBC JEB émetteur N 1- le courant de trous injecté dans la base réduit la ZCE JEB. collecteur N P iC vBE RC 2 - la jonction EB injecte alors des électrons, vers la base ... JBC P N P VCC vCE N N base iB JEB JBC JEB N N 3 - ces électrons, minoritaires, diffusent dans la zone N vers le collecteur. Des électrons se recombinnent avec des trous ... JBC JEB P N 4 - les électrons qui atteignent la ZCE JBC la traversent (minoritaires). Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 66 Transistor bipolaire, BJT iC quasi-saturation Hard Sat. linear-mode i Breakdown on off BVRCE vCE BVCE0 Gain en courant i C 2 τ n μ n uT h FE =β= = iB W 2B v BV0 BVCE0 collector-emitter sustaining Voltage, Second breakdown ... 67 Transistor bipolaire, BJT (2) emitter vBE JBC JEB collector N P N iB iC base RC VCC BJT-Si (demodé) 200 V – 2000 V 1 A – 100 A SiC BJT (Fairchild 2011) 1200 V – 15 kV 10 A – 100 A vCE Problèmes Mise en parallèle Commutation assez lente, τ Driver en courant (base) Intérêts Pertes à l'état passant très faibles Bonnes dépendances en température NXP68 Transistor bipolaire, BJT (3) N+ Saturation forte iC + N quasi-saturation Hard Sat. quasi-saturation linear-mode Breakdown P BVRCE vCE BVCE0 BV0 recouvrement Nombreux phénomènes complexes commutation Région « linéaire » Claquage en polarisation inverse et directe, Second claquage, Instabilité thermique ... Complexe et lente (forte injection) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 69 Conclusion sur le transistor bipolaire de puissance Caractéristique statiques. Faible chute de tension, dépendant du niveau de saturation c’est l’effet de la zone en forte injection. instabilité thermique (association série/parallèle dangereu Claquage direct/inverse - second claquage. Caractéristiques dynamiques Évacuation des porteurs minoritaires... La vitesse dépend du niveau de stockage Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 70 Le thyristor cathode Principe gâchette N+ Jonction 1 P A l'équilibre, les jonctions s'opposent au passage du courant Jonction 2 N P + Jonction 3 anode iA iG gâchette anode vAK cathode Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 71 Le thyristor -verrouillage N+ 1 P 2) J1 injecte des électrons de N+ vers la zone P iG N 2 3 N+ P N+ P 4) les électrons traversent la zone N: déplacement de majoritaires, la jonction J3 va donc se polariser en directe N N 4 5 P+ 1) injection de trous majoritaires par le contact. Ces trous polarisent la jonction J1 en direct (désertion faible). P+ P+ 3) les électrons (minoritaires) traversent la jonction J2 qui est fortement désertée. 5) la jonction J3 injecte alors des trous depuis P+ vers la couche N. Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 72 Le thyristor -verrouillage (2) 8) les trous atteignent la jonction J2 et contribuent à la polarisation directe de J1. Le composant est amorcé et le courant de gâchette n'est plus nécessaire ! 6) si la couche N est assez courte, les trous diffusent et atteignent la jonction J2 N+ P 8 N+ P iA 7 6 N P+ N P+ iH 7) les trous atteignent et traversent la jonction 2, en désertion forte. vBR vAK Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 73 Thyristor, SCR, GTO iA iA anode vAK gate Breakdown cathode i on vAK iH BVRCE iG vH BV0 off BV v SCR = Silicon Control Rectifier = Thyristor 74 Thyristor, SCR, GTO (2) Silicon Thyristor 600 V – 6.5 kV 10 A – 5 kA SiC Thyristor 10 kV – 20 kV 10 A – 100 kA Powerex/Misubishi 1.5 kA – 12 kV Problèmes Sensibles aux dv/dt, avalanche Commutation lente, τ Driver en courant pulsé (gate) Intérêts Très robuste en surcharge en courant 75 Thyristor, SCR, GTO, MCT, TRIAC commutation Complexe et lente (tq) : forte injection Durée de vie : grande (amorçage) Autres composants GTO Gate Turn-Off Thyristor Moins robuste aux dv/dt TRIAC 2 thyristors tête bêche : courant alternatif Applications bas de gamme Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 76 Conclusion sur les composants amorçables. Caractéristiques statiques Zone de plasma : faibles chutes de tension, Structures robustes Caractéristiques dynamiques Pas très rapide … tq Commande: impulsion de courant Intérêt ? IGBT ! Hautes tensions Très fortes puissances Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 77 jonction MOS (MIS) Métal y Métal Si NA x SiO2 un isolant en série avec une résistance ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 78 jonction MOS (MIS) Charges d’interface Métal zone sous effet de champ y Métal ψ ξox zone neutre Si NA Ψs SiO2 équilibre thermodynamique 2 ξM x 2 i 2 A n ψ ψ ψ ϵE = +e− −1+ (e −1) 2 q NA uT uT uT uT N Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 79 Potentiel de surface Si/SiO2 Source : S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2007 NA ψB=u T ln ( ) ni Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 80 Le transistor MOS source grille drain contact de substrat équipotentielle de source capacité MOS courant d'électrons le long de l’interface oxyde-silicium. Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 81 Le Transistor MOS (2) v DS i D =K P (v GS −V T − ) v DS 2 W ϵox KP= μ n L d ox iD vDS KP 2 i D= (v GS−V T ) 2 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 82 Le transistor MOS de puissance source grille drain W L W ϵox KP= μ n L d ox augmenter le courant: W ↗ ou L ↘ augmenter la tension: W ↗ Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 83 LDMOS source grille drain L' intégration de puissance: ~100W , ~100 V Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 84 VDMOS grille source P+ N+ H ND Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 85 VDMOS multicellulaire simulation Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 86 VDMOS Simulation du VDMOS à l'état passant vGS=15V, vDS=2V Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 87 VDMOS Simulation du VDMOS à l'état passant vGS=15V, vDS=2V Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 88 VDMOS Simulation du VDMOS à l'état bloqué vGS=0V, vDS=400V comme une diode PIN ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 89 commutation du VDMOS rapide: mouvement des majoritaires d'autant plus rapide que le courant grille est grand ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 90 Évolution technologique du VDMOS Source: http://en.wikipedia.org/wiki/Power_MOSFET multicellulaire Strip Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 91 Évolution technologique du VDMOS (2) Source: http://en.wikipedia.org/wiki/Power_MOSFET Source : International Rectifier, AN-1084 Trench MOS Pas de région courbure des Lignes de courant Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 92 Évolution technologique du VDMOS (3) Superjonctions Zone de charge d'espace compensée, → 3D Source : Gerald Deboy at al., Superjunction devices & technologies, EPE 2007 Source : Gerald Deboy at al., Superjunction devices & technologies, EPE 2007 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 93 Conclusion sur le VDMOS tenue en tension, v BR (H , N A ) état passant r DSon (H , N A , S , cellule) haute tension ! Attention la grille est fragile (18V, 25V) Rapide (10ns) si iG ~ iD Diode interne ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 94 Principe de l'IGBT idée Le VDMOS a des chutes de tension élevées pour les calibres haute tension (résistance de la couche épitaxiée). IGBT VDMOS Oxyde Canal Oxyde Source Émetteur Canal grille grille + N , Caissons de source + Caisson P N+, Caissons de source Caisson P+ N- - N Substrat N + Drain Utiliser une zone de plasma ! Substrat P+ Collecteur Pour passer en forte injection, il faut apporter des minoritaires (trous) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 95 Principe l'IGBT (2) iC Gate iG Collector VCE Circuits équivalents Collector Collector Gate VGE Gate Emitter Emitter Emitter classique Non Punch Through, NPT Punch Through, PT Trench, PT http://en.wikipedia.org/wiki/Insulated-gate_bipolar_transistor Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 96 Simulation de l'IGBT Gate Emitter Collector Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 97 Simulation de l'IGBT Gate Emitter Collector Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 98 Simulation de l'IGBT, état bloqué vGE=0V, vCE=400V Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 99 Simulation de l'IGBT, état bloqué vGE=0V, vCE=400V Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 100 Simulation de l'IGBT, état passant vGE=15V, vCE=1V Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 101 Simulation de l'IGBT, état passant Gate Emitter vGE=15V, vCE=1V Collector Zone en forte injection, plasma Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 102 Simulation de l'IGBT, état passant (2) vGE=15V, vCE=1V Gate Emitter La zone de plasma a un profil triangulaire Collector Hypothèse pour le Modèle d'Alan Hefner Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 103 Simulation de l'IGBT, état passant (3) vGE=15V, vCE=1V Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 104 Caractéristique statique de l'IGBT Collector Gate Emitter Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 105 Caractéristique statique de l'IGBT (2) iC saturation Courants plus forts que dans le VDMOS Rôle de la jonction … IGBT basse tension ? Breakdown vCE BVCES VBI BVCES Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 106 Commutation de l'IGBT Mise en conduction sur charge résistive, Rôle de RG. Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 107 Commutation de l'IGBT (2) Ouverture sur charge résistive, Rôle de RG. Queue de courant (τ): assez lent ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 108 Conclusion sur l'IGBT État passant: Pour un IGBT haute tension, chute de tension plus faible à l’état passant que pour un VDMOS, (zone de plasma) Pour des composants basse tension, l ’IGBT à l ’inconvénient de la jonction collecteur-substrat État bloqué: tenue en tension (H) Rôle du dopage et de l'épaisseur H, Attention, la grille est fragile (18 V, 25 V) Pas de diode interne ! Dynamique: Mise en conduction (apparemment) rapide. Blocage ralenti par le dé-stockage des minoritaires, (zone de plasma). Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 109 Ampère Lab CNRS Associated Lab 5005 Electrical Engineering, Electromagnetism, Control, Environmental Microbiology and Applications Le carbure de silicium, SiC et les matériaux à grands gaps WBG1 WBG1 = Wide Band Gap Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 110 Pourquoi un intérêt pour le SiC ? Matériaux « grand gap » (meilleur isolant) Si-diamant (1,12 eV), SiC-4H (3,26 eV), GaN (3,36 eV), C-diamant (5,47 eV) Diamant: le matériau ultime! Photo-switch, diode schottky. GaN SiC Croissance sur Si, SiC, Saphir composants unipolaires 600V à 1200 V ( Intégration de surface !) Phase de commercialisation, 2011 → Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 111 La bataille des technologies Grand gap ou silicium ? silicuim : superjunction ou trench IGBT SiC : faibles pertes, haute température, haute tension 1 GaN : faibles pertes, faibles coût 600V 1200V > 2000V Si-Superunction SiC GaN Si-IGBT SiC GaN SiC L. Lorentz, INFINEON, SiC & GaN Forum, Birmingham, 2011 112 112 Tenue en tension: jonction PiN WB ND Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 113 Tenue en tension: jonction PiN WB ND Compromis Von (Ron) VBR ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 114 Résistance spécifique W BM V BR N= q n N DM V BR FET S O Si M COOLMOS INFINEON JFET CREE MOSFET FAIRCHILD BJT SEMISOUTH JFET 1200 V 600 V IR GaN HEMT Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 115 115 Unipolaire ou bipolaire ? On-current, i Device R-like Slow Diodelike Fast Diodelike Schottky V ON ( T) EB (T) r EPI (T)+... # junc . switching 0 Unipolar PIN UG (T)−... r N , i , T 1 Bipolar IGBT UG (T)−... r N , i , T 1 or 3 mixte BJT 0 r N , i , T 2 Bipolar JFET 0 r EPI (T)+... 0 Unipolar MOSFET 0 r EPI T... 2 Unipolar On-voltage,v v =V ON ( T)+R ON (T , i) i R ON (T , i) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 116 Pertes à l'état passant Diodes, IGBT … Parallélisation peu intéressante Composants sans seuil Densité de pertes QON QON ≃ 2 G U ON V BR Power Density Q (W/cm²) ON Composants à seuil Limite d'intérêt unipolaire / bipolaire GaN SiC Si IGBT INFINEON JFET INFINEON HEMT IR CoolMOS 600 1200 Voltage VBR (V) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 117 Emballement thermique de la jonction PN Tenue en Temperature n i T N D V BR Emballement thermique du semiconducteur Emballement thermique du composant (RTH) Circuits intégrés SOI Haute température (drivers) Circuits intégrés GaN & SiC Haute température (drivers) Robustesse en court-circuit des composants SiC Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 118 Emballement thermique de la jonction PN Les composants en silicium Tenue aux surcharges SOI – 80V 220°C COOLMOS 600V VDMOS 600V IGBT 1.2kV ->200°C 175°C IGBT 6kV 125°C Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 119 Applications hautes températures T =T J −T A =RTH P Ambiance à haute température Avionique Forage ... T A ⇒T J ⇒ Augmentation de la densité de pertes P ⇒TJ ISP Diminution du système de refroidissement RTH ⇒ T J embarqué Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 120 Etat de l'art des composants de puissance en SiC composant IMAX VMAX Schottky 20 A 1,2 kV – 10 kV Diode PiN 100 A 20 kV MOSFET 10 A 1,2 kV – 10 kV JFET 20 A 1,2 kV - 9kV BJT 20 A 1,2 kV – 5 kV Th/GTO 50 A 6,5 kV – 13 kV IGBT 10 A 13 kV Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 121 SiC Devices: SiC-MOSFET 1 RON is limited by channel mobility 2 Commercially available from 2011 • CREE, ROHM ... 3 Carrier injections in the oxide 4 Some degradations at high temperature A. J. Lelis at al. 2011 US Army Research Laboratory 122 122 SiC Devices: SiC JFETs V T0 T =V BI T−V P Blocking GS voltage V BI 0= VP N AA N DD V BI=U G T−U T ln ≃2.8 V NA ND q ND a V P= 2 Pinch-off voltage Building potential 2 L 2 q N D n ND a Z Channel resistance R CH = Saturation current 3 VP I = 1−3 0 2 02 R CH Normally Off : SS D V T00⇒ V P V BI Morel at al. EPE 2011 So, the pinch-off voltage is small So, the saturation current is small ! 123 SiC Devices: JFETs SEMISOUTH JFETs All JFETs No oxide/channel mobility reduction 1 RON improvement are expected 1 vertical channel structure 80 mΩ - 1200 V – Tch < 150 °C K. Matocha, ECPE, SiC & GaN User Forum, 2011 80 mΩ - 1200 V – Tch < 150 °C Normally Off Normally On V T0≃1 V V T0 ≃−5 V SS D I ≃30 A I SS D ≃55 A 124 SiC Devices INFINEON JFETs 2 channel structures Normally-on 70 60 V I D S [A ] 50 V V 40 V V 30 V 20 V V 10 G S G S G S G S G S =0 V =-2 V =-4 V =-6 V 100 mΩ - 1200 V – Tch < 300 °C =-8 V =-1 0 V G S G S =-1 2 V V T0≃−15 V =-1 4 V G S Extensively tested at high temperature ! 0 0 5 10 15 V DS 20 I SS D ≃65 A 25 [V ] 18 125 SiC Devices (Fairchild) BJTs 1 Low injection ? 2 Weak dependence on the temperature 126 126 GaN Devices High electron mobility transistor (HEMT) http://en.wikipedia.org/wiki/High_electron_mobility_transistor Hétérojonction et effet de champ ! Très forte mobilité apparente Composant normalement passant 127 GaN Devices Source : A. Charles, ECPE Sic & Gan Forum, 2011 128 Mesures en mode onduleur Électronique de puissance haute température Four à air pulsé SMI Plaque à eau Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 129 Électronique de puissance haute température Vout Iout Tj ≥ 300°C 365V 1A FMLI = 100kHz, Fs = 10kHz Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 130 Vers l'onduleur HT Fiabilité: assemblage + packaging ! Condensateurs: 200°C (film, céramique) Composants magnétiques: 300°C -> 500°C (composant nano) Drivers: -40V, normalement passant Sécurité: normalement passant ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 131 Électronique de puissance très haute tension Composants 15kV -> 30kV Bipolaire (BJT), diode PIN, Thyristor ... USA: IGBT 15 kV Applications: Traction ferroviaire distribution de l'électricité 100 à 300 G€/an Enjeu: ISP-HV, isolation, drivers, refroidissement PV, distribution CC ... Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 132 Resistive-like Devices Si Graph not convenient for IGBTs ! Die parallelization enables a reduction of the on-losses. CoolMOS INFINEON aN G iC -S VJFET INFINEON 4H ET O SF M Si-MOSFETs are very near the theoretical limit Specific On-Resistance, ρON (Ωcm²) Commercial devices: MOSFET CREE BJT Fairchild VJFET SEMISOUTH HEMT IR 100 200 600 1200 Breakdown Voltage, VBR (V) 133 Les Composants de puissance à haute tension Resistive & Diode-like limits of interest VDMOS CoolMOS VJFET IGBT thyris. BJT Th. 1 100 C Ga N 0.01 100 W/cm² à 300 W/cm² Power Density, Q (W/cm²) ON 4H -S i Si Breakdown Voltage VBR (V) 134 1000 GaN 300 COOLMOS 600 V 200 Meilleures robustesses pour les composants en SiC 4H-SiC SiC-JFET 1.2 kV IGBT 1.2 kV IGBT 6.5 kV SOI IC Thyristor 12 kV MOSFET 600 V Si 100 Les composants commerciaux sont proches des limites Semiconductor Runaway Temperature (° C) Tenue en température 135 Breakdown Voltage, VBR (V) 135 Questions ouvertes VN(IF) BJT VBI Architecture GTO, PIN, IGBT Multiniveaux ou mise en série? Vitesse de commutation 1 Durée de vie ambipolaire 1 µs → 10 µs Switching Frequency up to 30 kHz ICSCRM 2009 9 kV, 1 cm² SiC Gate Turn-Off Thyristors, CREE 136 136 Questions ouvertes (2) Composants SiC bipolaires de puissance (15 kV) va impacter la distribution et le transport de l'électricité Rendement théorique > 99.x % L'électronique de puissance peut être le système de sécurité (court-circuit, foudre ...). Des composants spécifiques pourront être développés: limiteur de courant and limiteurs de tension ... 137 137 Conception d'un convertisseur 100 MW, 300kV 100 MW, 300 kV < 1 cm³ (SiC) Et la thermique ? Et l'isolation ? Il faudra faire plus que de simple module hybride Conclusion : 100 MW, 300 kV < quelques litres (refroidissement + isolation) 138 138 Packaging et intégration de puissance 139 Matériaux pour l'ISP Gel silicone, polyimides ... B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Cu, Ag, Al ... Ni IV Pd Ag Cd In Pt Sn Sb Te I Au Hg Th Pb Bi Conducteur Si, SiC, GaN, Diamant ... Po At Xe Rn Semiconducteur Isolant AlN, Al2O3, Si3N4, SiO2, Diamant Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 140 Boîtiers et module de puissance substrat isolant ≃céramique métallisée Semelle : cuivre ou AlSiC Source : C. Buttay, cours de master, INSA Lyon 2012 141 Boîtiers et module de puissance substrat isolant ≃céramique métallisée Semelle : cuivre ou AlSiC Encapsulant: protéger des agents extérieurs (humidité, corrosion...) → fiabilité. Gel Silicone, Epoxy ... Source : C. Buttay, cours de master, INSA Lyon 2012 142 Boîtiers et module de puissance substrat isolant ≃céramique métallisée Semelle : cuivre ou AlSiC Encapsulant: protéger des agents extérieurs (humidité, corrosion...) → fiabilité. Gel Silicone, Epoxy ... Source : C. Buttay, cours de master, INSA Lyon 2012 143 Boîtiers et module de puissance substrat isolant ≃céramique métallisée Semelle : cuivre ou AlSiC Encapsulant: protéger des agents extérieurs (humidité, corrosion...) → fiabilité. Gel Silicone, Epoxy ... Source : C. Buttay, cours de master, INSA Lyon 2012 144 Attache de puces Source : Amandine MASSON, Doctorat, INSA Lyon 2012 brasures à base de plomb (Pb) brasures à base d’or (Au) brasures à base de zinc (Zn) alliages à base de bismuth (Bi) thermo-compression d’or colles conductrices verres chargés argent rubans adhésifs Frittage Transient Liquid Phase Bonding, TLPB Source : V.R. MANIKAM et al, «Die Attach Materials for High Temperature Applications», 2011. 145 Brasures Source : Amandine MASSON, Doctorat, INSA Lyon 2012 Source: http://www.crct.polymtl.ca/fact/index.php?lang=fr brasures étain-plomb 63Sn37Pb Température de fusion : TF = 183 °C TU = 92 °C TU, température d'utilisation température homologue TU θh = ≃0,8 TF (en Kelvin) Autres brasures au plomb : Brasures à l'or (Au) : 290 ° C <T F <312 ° C 280 ° C <T F <950 ° C 146 Autres technologies frittage (d’argent) : technique qui permet d’obtenir un matériau massif à partir d’une pâte chauffée en-dessous du point de fusion du matériau. Les nano-pates d'argent voire les micropates d'argent sont utilisées. Brasure en phase liquide transitoire Source : A. Masson, thèse de doctorant, INSA 2011 (Transient Liquid Phase Bonding), TLPB : procédé d’assemblage par diffusion. 147 Substrats isolés Les substrats céramiques (DBC, DBA, ...) céramique (0,3 à 1 mm) cuivre (0,1 à 0,3 mm) Bonnes performances thermiques et électriques Cher Les Substrats Métalliques Isolés (SMI) aluminium (1 à 3 mm) isolant (0,1 mm) cuivre (0,035 à 0,2 mm) Performances moyennes Coef. de dilatation plus fort Moins cher 148 Limite en température 1414°C fusion du silicium 1200°C emballement thermique du Si à (1,2 kV) 660°C fusion de l’aluminium 300°C fusion de la brasure de puce 183°C fusion de 63Sn37Pb 200°C emballement thermique du Si à (1,2 kV) 149 Thermique Chaleur, température ? physique Agitation thermique diffusion irréversibilité second principe Conduction thermique convection (fluide) radiation (photon) Flux de chaleur Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 150 Conduction thermique =− grad T Loi de Fourier λ , conductivité thermique du matériau λ W m-1 K-1 Équation de la chaleur air 0,026 Cu 390 Si 156 2 ∂T ∂ T c = P t , x 2 ∂t ∂x Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 151 Impédance thermique Transitoire Espace semi-inifini : solution exacte 2 t T x , t =T A ∫ q t −t 1 0 e −x 4 D t1 t1 dt 1 q t P x , t = x S D= c q P 0 T0 TA τ t TMAX t T0(t)=T(0,t) P0 T MAX =T MAX −T A = 4 c S 1 Z TH = S 4 c Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 152 Impédance thermique Transitoire T0 TA TMAX t 1 Z TH = S 4 c Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 153 thermique des assemblages S R TH = e Résistance thermique (solution stationnaire) C TH = c V Capacité thermique Résistance thermique de contact Cône de diffusion Discrétisation par différences finies ... Environ 100 éléments ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 154 Thermique - refroidisseur Expression du flux de chaleur en convection (Loi de Newton) P=h S T S −T ∞ H, coefficient d'échange thermique ( Wcm-2K-1 ) milieu convection air naturelle h (W/cm2/K) 0,5 à 2 x10-3 RTH (S= 20cm²) 100 à 25 °C/W eau air eau naturelle forcée forcée 0,01 à 1,5 x10-3 à 0,015 à 1,5 0,09 0,05 5 à 0,5 30 à 1 3 à 0,03 R TH V ~100 à 500 cm ° C /W Volume du refroidisseur ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 155 Thermique - rayonnement Loi des corps noirs (Planck) M = T 4 la loi de Stefan-Boltzmann = M(225°C) ~ 0,35 W/cm² 2 5 k 4B 15 h3 c −12 −2 −4 ~5,6704 x 10 Wcm K 2 M(625°C) ~ 1,77 W/cm² Peu important sauf à haute température ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 156 Thermique - bilan T =T J −T A =R TH P Augmentation de P 100W/cm² -> 300W/cm² -> ... 1 - Diminuer RTH 2 - Diminuer TA 3 – Augmenter TJ Rôle de CTH -> transitoire (lissage thermique) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 157 Fiabilité des assemblages Superposition de couches Isolants, diélectriques, magnétiques, conducteur électrique conducteur thermique Cyclage thermo-elasto-plastique Différence de CTE 3D (joint de dilatation) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 158 isolants Décharge partielle ! Courbe de Paschen (gaz) V V = f(p.d / T) pd T Jean Louis AUGE / Olivier LESAINT (G2Elab) – thèse Minh Tuan Do Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 159 Matériaux diélectriques et isolants Ces matériaux sont utilisés pour isoler des conducteurs ou réaliser des condensateurs D=ϵ E=ϵ0 E+ P { E } 3 Q=∫ ρ d x ϵ=ϵ0 ϵr i +Q v Q=C v -Q ϵ 0≃8,8542 x 10−12 F /m ϵ0 ϵr S C= h Énergie fournie Pertes dQ =i dt U E =∫ E dD Source : Thèse de doctorat, Rémi Robutel, INSA Lyon 2011 Q E = ∮ E dD cycle Champ disruptif (champ de rupture, champ critique, champ de claquage) : EC Température de Curie, Tc Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 160 Matériaux diélectriques et isolants (3) Source : Thèse de doctorat, Rémi Robutel, INSA Lyon 2011 EFD-PTFE EFD-PPS EFD-Mica PCIX7R Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 161 Matériaux magnétique = 0 r Perméabilité magnétique ferromagnétisme M Ms M = H B= 0 H Ms Mr Cycle d'hystéris H T Tc Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 162 Matériaux magnétique (2) Matériaux magnétiques pour l’électronique de puissance Finemet Nanoperm (+Co Hitperm) Finemet+Co [5] Kedous-Lebouc et al, 2006 Poudre de fer Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 163 Matériaux magnétique (3) Induction (T) Nanocristallins à haute perméabilité Champ magnétique (A/m) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 164 Stockage d'énergie nature name Chemical Liquid fuels (gasoline) bio-fuels Biological Thermal Electrochemical Sugars, lipids (food) Bricks, salts, phase-change Batteries (Li-ion, Ni-Mh, Pb) Electrical Mechanical Capacity (kWh/kg) 13 13 Cost (€/MWh - cycles) 160 / 1 200 / 1 0,5 - 1 0,025 0,15 1000 /1 400 / 100 k 500 k /1000 Redox flow 0,03 3 M / 10k Fuel Cells 30 400 k / 1k Capacitors 0,0002 100 M / 1 M Super-capacitors 0,015 10 k / 1 M Superconducting Magnetic (SMES) 0,005 1M/1M Compressed Air (CAES) 0,015 10 k / 10 k Flywheel 0,03 100 k / 100 k 0,0003 50 – 100 k /100 k Pumped-storage hydroelectricity Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 165 Électrochimique volant d'inertie pneumatique PAC Nc PMAX (W/cm3) ~ 10 105 à 106 ~ 10 30 à 1000 ~ 10 ~10 ~1 > 106 < 3000 > 106 > 106 ~3 ~1 ~10 ~3 ~3 super condensateur solution ωMAX (J/cm3) Self supra, SMES Stockage d'énergie Pas de solution miracle ! Cyclabilité, écobilan Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 166 Simulation des SPI Multiphysique ( VHDL-AMS, MAST, Bond Graphs) Géometrie, Optimisation, ... Source : Biela, J. et al “Towards Virtual Prototyping and Comprehensive MultiObjective Optimisation” in PCIM 2010 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 167 Intégration des passifs Source Charge Filtre CEM Lissage Commutation Filtre CEM Filtre de sortie 1) isolation (Ec) 2) diélectrique (fort ε ) ou grande énergie 3) magnétique (fort µ) ou grande énergie Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 168 Exemples : intégration de C Source : Thèse de doctorat, Rémi Robutel, INSA Lyon 2011 Bras d'onduleur, 250 °C Exploitation des travaux packaging CPES [10] Ning et al, 2010 Pt milieu M Thermocouple JFET SiC + JFET SiC Condensateurs intégrés - Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 169 Exemples : intégration de C (2) Vcm – FFT Mode Commun Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 170 Self plannar source: F. Wilmot PhD Thesis, Satie, Cachan Source: Wang, N. et al. “Thin-Film-Integrated Power Inductor on Si and Its Performance in an 8-MHz Buck Converter” IEEE trans. on Mag. 2008, 44, 4096-4099 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 171 Micro-poteaux Assemblage direct cuivrecuivre, Haute température de fonctionnement Degrés de liberté supplémentaire (joint de dilatation) Source : C. Buttay, ECPE Tutorial on Power Electronics Packaging, 2011 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 172 Intégration 3D Source: B. Allard, ECPE tutorial 31/05/11 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 173 Interconnection 3D Source: E. Vagnon PhD Thesis, G2Elab, Grenoble Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 174 ISP : conclusion SiC ISP HT Moteur actuel (pas faisable en silicium) ISP HV Fort enjeu de société ISP EE Efficacité Energétique Multidiciplinaire ... Si, SiC ... Intégration actionneur fiabilité Expertise ISP (conception, modélisation, analyse) Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 175