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Intégration de l’alimentation de la commande rapprochée d’un interrupteur de puissance à potentiel flottant Radoslava Mitova Directeur de thèse: Christian Schaeffer Co-encadrants: Jean-Christophe Crébier Laurent Aubard 27 Octobre 2005 1 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 Efforts chez les industriels de réduction de coût et d’augmentation de la densité de puissance Intégration des structures de l’électronique puissance Fonctionnalités ajoutées - commande, protection… Différents types d’intégration monolithique Mini-Profet [INFINEON] hybride « Integrated Drive Module » (IDM) [SEMIPOWER] 2 INTRODUCTION CALC Source d’énergie Refroidisseur Filtre Filtre Charge Interrupteur Alimentation Commande rapprochée Isolation galvanique Commande éloignée Organes de gestion, des protections, dV/dt, I, V, T°,CEM 3 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 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 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 6 L’ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT Le transformateur d’impulsion : Avantages : - Transmission simultanée de l’énergie et des signaux de commande - Haute tension d’isolement (10kV) Inconvénients : - Difficilement intégrable - Coût [COILCRAFT] - Nécessité d’une alimentation externe 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 La pompe à charge : Avantages : - Intégrable pour des faibles et moyennes tensions et pour des faibles valeurs des capacités de stockage Inconvénients : - Faible tension de fonctionnement - Faible isolation - Grand nombre des capacités requises - Nécessité d’une alimentation externe II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT 8 L’ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT Bootstrap : Avantages : - Haute tension de fonctionnement (1200V) - Une seule alimentation non isolée pour un bras d’onduleur CIRCUIT BOOTSTRAP D C Commande rapprochée HIGH-SIDE SWITCH POINT FLOTTANT E Inconvénients : - Fonctionnement impossible en régime statique - Nécessité d’une alimentation externe pour la commande SOURCE DE TENSION DC Commande rapprochée LOW-SIDE SWITCH - Tension d’alimentation unipolaire II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT 9 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 Vers l’alimentation de la commande D C REGULATION R Commande rapprochée Énergie Interrupteur de puissance II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT 10 LA TOPOLOGIE MOSFET/MOSFET charge décharge maintien Rp IP MOSFET auxiliaire VCs VDSa Signal de la commande t MOSFET principal VGSa VDZ DZ VDB Db V CS CS Commande rapprochée 0V VDS RG ON OFF 0V OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON VDS 0V 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 II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT 11 MODELISATION DYNAMIQUE DE L’AUTO-ALIMENTATION VDS Diode de roue libre Charge 0V IP CDGa Rp CDSa Grille DC source 200V MOSFET Iauxiliaire DSa=f(VGSa) CGSa V Z D Z MOSFET principal VGS VDB OFF VZ Db 0V VGSa Vth RG Commande VZ avanlanche 0V V rapprochée Cs CS VCS OFF 0V Résultats de simulations sous PSPICE d’un hacheur série avec interrupteur auto-alimenté Ouverture Formes d’ondes générales 200V 200V 200V 200V VDS 10*VC Ouverture 200 200V VDS IDS Mosfet principal s 100V 100V 100V 100V VDS 10*VC IDS Mosfet auxiliaire 100 100V 1A s 0V 0V 3.0us 10.0us 3µs 10µs (V(vregulee)+6)*10 20.0us 20µs V(R8:1) Time Temps 30.0us 30µs 38.4us 38.4µs 15.26us 16.00us 16µs 15.26µs (V(vregulee)+6)*10 0A 0V0 0V 0V 17.00us V(R8:1) Time Temps 17µs 17.75us 17.75µs 26.00us 26µsI(R8)*50 26.25us 26.50us 26.25µs 26.50µs V(R8:1) -I(R9)*50 Time 26.75us 26.75µs Temps II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT 12 VALIDATION EXPERIMENTALE DE L’AUTO-ALIMENTATION MOSFET auxiliaire Capacité de stockage VDS=250V CS=22nF Charge Vsource F=30KHz =0.5 MOSFET principal Formes d’ondes générales VCS Fermeture Ouverture VCS VCS IDS Iaux VDS VDS IDS VDS Iaux II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT 13 RENDEMENT DE L’AUTO-ALIMENTATION Ouverture 250V 167.928 150V VDS=150V 100 100V vds_auto_off CS=22nF alimentation externe IDS avec autoalimentation ids_auto_off100 ids_sansauto_off 100 vds_sansauto_off 50 F=30KHz 50V 1.5A IDS avec 150 IDS avec autoalimentation VDS avec auto- 1A ids_auto_on 100 alimentation vds_auto_on VDS avec alimentation externe 2A 1.5A 150 150V ids_sansauto_on 100 100 100V 0.5A 2.5A alimentation externe 200 200V vds_sansauto_on =0.5 Rg=67 Fermeture IDS avec 261.163 250 50 50V 1A VDS avec autoVDS avec alimentation externe alimentation 0.5A 0A 0V 0 25.329 10 660 7 7 5.18710 10 770 7 10 880 7 10 990 temps 7 6 6 10 6 100 1 10 1.110 1.2 1110 120 Temps, ns 0A 0V0 15.046 10 990 6 1.21410 8.18810 6 100 1 10 7 7 10 1.1110 6 temps Temps, nm Commutation à l’ouverture Commutation à la fermeture Somme des pertes dans l’interrupteur principal + l’Interrupteur auxiliaire) 0.33W 0.42W Interrupteur Commutation à l’ouverture Commutation à la fermeture Principal (alim. ext.) 0.46W 0.26W 10 1.2120 6 6 1.24210 Le surcoût énergétique de l’auto-alimentation est négligeable II. L’AUTO-ALIMENTATION DE LA COMMANDE RAPPROCHEE D’UN INTERRUPTEUR A POTENTIEL FLOTTANT 14 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 par des 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 15 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 16 INTEGRATION DE L’AUTO-ALIMENTATION Chemins de découpe Périphérie 250µm Dp MOSFET auxiliaire t MOSFET principal MOS principal D Z Db Commande rapprochée RG CS Source Source Cs + Grille Grille MOS auxiliaire 3mm Signal de la commande Chemins de Chemins de Al découpe Si02 N+ P+ découpe P N+ P N+ P+ P+ MOSFET principal N+ N+ P P+ N+ P+ P+ N N+ périphérie P Drain MOSFET auxiliaire Diode Db Diode Zener DZ Diode DP périphérie 17 3mm LA CONCEPTION DU MOSFET Caractéristiques électriques statiques VBR - Tenue en tension RDSON - Résistance à l’état passant dynamiques Électrode de la grille Grille Capacités parasites – Ciss, Crss, Coss JMAX - Densité de courant Canal eSiO2 Paramètres géométriques Paramètres physiques - Résistivité () du substrat - Épaisseur du substrat (e) - Dopage de la source (N+) - Profondeur de la source (Xjn) - Dopages du porte-canal ( P) - Profondeur du porte-canal (Xjp) - Type et dopage du polysilicium de la grille - Épaisseur de l’oxyde de grille - ……………….. - Distance Intercellulaire (Lintercell) Grille Al Source Vth - Tension de seuil Source N+ P+ P Si02 Xjn XjP N+ P N+ P P+ Distance Porte- Îlot P+ intercellulaire canal N e N+ Drain Nombre des cellules (S active) (eSiO2) -Périmètre du canal (Z) -Dimensions du composant (Surface active) -…………. III. LA CONCEPTION DU MOSFET 18 LA TENUE EN TENSION Calibre en tension du MOSFET = 600V e = 50 µm MOS auxiliaire N=2.1014 at/cm3 Périphérie MOS principal f(VBR) Terminaison de tenue en tension – anneaux de garde Source Tenue en tension Grille I[A] Al Al Si02 N+ P+ P Si02 Si02 Si02 Al Al Al Al P+ P+ P+ Si02 Al N+ P P+ P+ P+ N+ VDS,[V] III. LA CONCEPTION DU MOSFET MOSFET principal Drain périphérie 19 LA TENSION DE SEUIL VTH DU MOSFET VTH entre 1.5 et 3V V V 2. th FB k .T N . ln q ni 2.q.N . . . 2. a 0 Sir a . 0 k .T N . ln q ni Dépend essentiellement de deux paramètres: a - le dopage du porte-canal P Sir - l’épaisseur de l’oxyde de la grille eSi02 e Si 0 2 Contrainte pour l’oxyde de la grille – tenue en tension e SiO2 V E GS SiO 2 MAX 30 30 23.172 20 V 2MV .cm eSiO2> 100nm 1 25 Na=1.1017 at/cm3 27 eox =300nm Vseuil1i Tension de seuil, Vth,V Vseuil2i Vseuil3i Vseuil4i 21 Na=5.1016 at/cm3 eox= 200nm 15 Vseuile t 18 Vseuile2 t eox= 100nm 15 12 6 3 0 0 16 1 10 1 10 Na1i 1 10 17 16 110 10 Na=1.1016 at/cm3 Vseuile3 t eox= 50nm 9 Tension de seuil Vth,V 24 20 18 3 Dopage porte-canal Na, at/cm 18 1 10 1.094 5 0 5 0 6 110 1 10 5 2 10 5 3 10 5 4 10 eox2 t Epaisseur de la grille eox, cm 5 5 10 5 5 510 Dopage du porte-canal entre 2.1016 et 1.1017 at/cm3 III. LA CONCEPTION DU MOSFET 20 LA TENUE EN TENSION DU PORTE CANAL Source Grille A Grille Al A Profondeur du porte-canal Si02 N+ P+ N+ P P Zone de charge d’espace,µm E,V.cm-1 N+ WA P P+ Jonction porte-canal substrat EMAX WD N+ A’ VDSVBR A’ Drain XJP =f(EMAX,P, N) Na, cm-3-3] NA [at/cm 1.00E+18 1.00E+17 1.00E+16 1.00E-04 1.50E-04 2.00E-04 2.50E-04 3.00E-04 XJP [cm] Xj,cm Profondeur du porte-canal entre 2.5 et 3µm pour une tenue en tension de 600V III. LA CONCEPTION DU MOSFET 21 DISTANCE INTERCELLULAIRE Z Grille Grille N+ R45° P P + Rcanal A surface active du MOSFET constante: R f L L , L Source N+ Rcanal DS P P + W Rv intercell R R Nv DS canal cell canal R R 45 N+ Drain Lintercell Résultats analytiques Lcell/2 Simulations SILVACO 20 20 17.243 R45°+R+Rcanal 3.E-07 R_relatif ( Linter) 1010 R, Rcanal( Linter)20 2.E-07 R,[] Ids,A/µm2 2.E-07 R_relatif ( Linter) Rcan al( Linter) 1.E-07 Rcanal.20 R45°+R 5.E-08 0.E+00 00 20 10 0.441 20 40 30 40 60 80 Distance intercellulaire,[µm] demi-distance intercellulaire,µm 50 100 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0 40 160 120 80 Linter intercellulaire 4 Variation de la demi-distance Linter,[cm] 0.01 110 Variation de la distance intercellulaire Lintercell [µm] Distance intercellulaire de 30, 40 et 50µm III. LA CONCEPTION DU MOSFET 22 CONCEPTION DU LAYOUT MOSFET Amenée principale de courant de grille 3mm MOS principal MOS auxiliaire Périphérie Plots de prise de contact de grille Zone active Amenée principale de courant de source Al MOS principal MOS auxiliaire SiPoly SiO2 Nv P+ Drain Plots de prise de contact de source III. LA CONCEPTION DU MOSFET P N+ 23N+ CONCEPTION DU LAYOUT MOSFET Chute de tension le long de l’amené de courant de la source,Volts Largeurs des amenées de courant de grille et de la source: 0.071 JMAX de l’aluminium 0.1 V2amenée_source Nombre des doigts Surface Active V( x) V1( x) 0.05 0 0 LGrille= 100µm Lintecell + Lcell, IMAXMOS Vamenée_source 0 0 500 1000 1500 2000 Longeur de l’amenée de courant de la source, µm x Ldoigt_grille CactiveMOS Ldoigt_Source=2100µm LSource=230µm Al MOS principal N+ SiO2 Nv Nv P+ Drain III. LA CONCEPTION DU MOSFET MOS auxiliaire SiPoly P N+ 24N+ DIMENSIONNEMENT DE LA JONCTION ENTRE LES MOSFETs Da Périphérie 250µm IP Dp Grille MOSFET auxiliaire Ga Grille MOS auxiliaire Signal de la commande MOS principal D VGSa VDZ VDB DZ Source Commande rapprochée RG MOSFET principal G CS S 0V 15V Source auxiliaire Source Al Db VCS Source 0V 15V Grille t Sa VDS Grille auxiliaire Al SiO2 SiO2 N+ Al N+ 0V P+ P+ N N+ MOSFET principal III. LA CONCEPTION DU MOSFET Drain MOSFET auxiliaire VDS>0V 25 DIMENSIONNEMENT DE LA JONCTION ENTRE LES DEUX MOSFETS 15V Source principale Al 15V Source auxiliaire Al SiO2 SiO2 N+ 0V 15V 0V Grille principale Grille auxiliaire Al N+ 0V P+ P+ 10V N N+ Drain VDS= 400V MOSFET principal Distribution du champ électrique Distribution du potentiel Source Grille auxiliaire auxiliaire Grille principale Source principale MOSFET auxiliaire Grille principale Grille 15Vauxiliaire 0V Source auxiliaire Source principale 0V 0V 7.7e+04V/cm 3.9e+04V/cm 1.e+04 V/cm 15V 1.9e+04V/cm a) III. LA CONCEPTION DU MOSFET drain 400V V b) 26 REALISATION TEHCNOLOGIQUE DES COMPOSANTS AU CIME Anneaux de garde MOS principal III. LA CONCEPTION DU MOSFET MOS auxiliare 27 RESULTATS EXPERIMENTAUX DES COMPOSANTS REALISES Caractéristiques de sortie 3.5 VGS=4V VGS=3.5V 3 VGS=3V IDSIds[A] 2.5 2 VGS=2.5V 1.5 VGS=2 1 VGS=1V 0.5 VGS=1.5V 0 0 5 10 15 20 Vds VDS [V] 25 30 35 Tenue en tension Vth=1.5V 4.5 0.004 A3 0.0035 4 3.5 IDSIds[A] VGS=500mV VGS=0V A2 3 0.003 0.0025 Ids IDS[A] 2.5 A1 2 0.002 0.0015 1.5 A2 0.001 1 0.5 A3 A1 0.0005 0 0 1 2 3 4 VGS[V] Vgs III. LA CONCEPTION DU MOSFET 5 6 7 VDS= 15V 8 0 0 50 100 150 200 250 VDS[V] 300 350 400 Vds 28 TEST DES COMPOSANTS REALISES Diode de roue libre Composant sous test Charge Charge IP Composant testé Dp VDSa VDS=100V CS=22nF V MOSFET auxiliaire DS MOSFET principal VGSa VDZ F=20KHz VDB DZ Db VCS Commande du composant pilote V 150 150 128.984 97.568V Vcom VC , IAUX et VDS du composant testé 193.016 A IDS 50 50 IAUX A 40 Vcom 150150 10.VCS 0.4 100100 10 IAUX Vc 10 mA 15 VDS v 0.6 1 Iauxzoom 100 40 200 V 0.8 2 VDS 6060 Vczoom 5 Commande rapprochée t VDS 8080 Vcom3 Vsource Commutation composant Ouverturedu (VDS ,Iaux,VC) testé 100 100 Vds Commande rapprochée t Commande du composant testé Ids 50 Vzzoom VDS CS =0.5 Vdszoom RG Commande rapprochée Commande éloignée Composant pilote Vds 50 5 Iaux 1000 50 5.VCS 020 020 0.20 0 3.102 5000 -5 5 -55 10.676 0 -55 -55 10 1.10-6 6 1,2.10 4.10 2.10 3.10 -77 -77 -72 04.10 11.10 3 10-66 1,4.10 4-6610 7 10 6.10 8.10 4 10 6 10 8 10 1 10 1.2 10 1.4 10 6 5 03.41310 7 temps temps temps [s][s] 1.491 temps 41010 III. LA CONCEPTION DU MOSFET 0 0 0 18.214 50 00 0 5 -5 2 10 2.10 5-5 4 10 4.10 5 6 10 -5 temps 6.10 8 10 -5 8.10 5 9.99910 5 temps [s] 29 TEST DES COMPOSANTS REALISES DANS UN CONVERTISSEUR AC/AC (thèse B. Nguyen) Convertisseur AC/AC AC switch 1 3 Ventrée 1 2 ICh 4 2µF 2 AC AC switch 2 Formes d’ondes aux bornes de deux MOSFETs et deux capacités de stockage VDS2 Commande rapprochée Vcharge Circuit de puissance Icharge*100 VC2 VDS3 VC3 III. LA CONCEPTION DU MOSFET 30 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 31 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 VERTICAL DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET - fonctionnement du JFET vertical, modélisation, résultats expérimentaux 5. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 32 LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET Source Grille Dp Interrupteur auxiliaire JFET D Signal de la commande D G D Z N+ VGS0 < 0 Interrupteur principal (MOSFET) MOSFET auxiliaire P VGS VDb VC Commande raprochée S Db CS Db C 0V Commande rapprochée t MOSFET G principal RG S VDS P VGS1 < -VP OFF N ON N+ Drain Seuils de pincement à VDS= 400V VGS= 15V Avantages : VDS > 0 IDS VGS=0V VGS0<0V - Compatibilité de filière technologique entre le JFET & le MOSFET principal - Un seul composant pour assurer la régulation VGS= -VP VDS Caractéristiques électriques de sortie du type penthode d’un JFET IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET 33 INTEGRATION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET Périphérie Interrupteur auxiliaire JFET 3mm Interrupteur principal (MOSFET) D D Commande raprochée S MOS principal G JFET G S Db C Source Source + Cs Grille Grille Al Si02 N+ P+ Source P N+ P P+ P+ Porte-canal Court-circuit de la source N+ MOSFET principal N Drain N+ P N+ P P+ Canal Source du JFET Grille du JFET JFET IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET Diode Db 34 LE JFET VERTICAL Lsource > Grille VGSV=0V GS<0V Source Caractéristiques électriques de Résultats de simulation du JFET vertical sortie du type triode d’un JFET N+ P P Courant, A L VGS=-16V VGS=-12V VGS=-8V VGS=-20V VGS=-4V ID S N 2a 1µm VGS=-25V 2 µm VGS=0 VGS1<VGSVGS2<VGS 1 L’équipotentielle 0V L’équipotentielle 0V VDS VP1 N+ Caractéristiques électriques de sortie du type triode d’un JFET VP2 Seuils de pincement Drain VDS1 > 0 VDS2> VDS1 VDS= 400V VGS= -15V LES MODELES EXISTANTS DE JFET VERTICAL NE SONT PAS ADAPTES A CETTE STRUCTURE DE JFET AVEC DES REGIONS DE GRILLES DIFFUSEES La largeur de la source modifie le seuil de pincement du JFET et la tenue en tension de la jonction grille - source Modèle qui donne les seuils de pincement en fonction de la géométrie du JFET ! IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET 35 MODELE PSEUDO-ANALYTIQUE DU JFET VERTICAL Cartographie du potentiel pour un seuil de pincement à VGS=-9V et VDS=108V L’équipotentielle 0V Grille Source N+ Grille -2V SOURCE 0V Grille -2V P LP P Jonction grille-substrat 0.8V N N+ Drain Drain La cartographie du potentiel est la même pour les différents seuils de pincement La position de l’équipotentielle 0V au pincement est la même pour les différents couples VGS - VDS IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET 36 MODELE PSEUDO-ANALYTIQUE DU JFET VERTICAL Simulation SILVACO VG<0 Canal du JFET Source VG=0 L’équipotentielle Grille 0V L’emplacement de l’équipotentielle 0V au pincement E(V.cm-1) P- WA V G x VGD EMAX N e xj A xj w A VGD WD x2 4 Dn 2t 2 dx N w q V Ne xj VD PN 0 N si x D D x2 4 Dn 2t 2 Nw dxdx 2 A xj wA xj wA 2 D D WD et WA N+ Drain VD=0 VD>0 x q q V N w x dx N e dxdx 2 q 1 V N e dx . w w 2 2 x2 Dn 2t 2 xj x GS w0 A 0 si A 0 Si D 0 0 si x2 Dn 2t 2 xj DS D wa wa D 0 wA Les couples VGS-VDS pour des différents seuils de pincement 37 IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET MODELE PSEUDO-ANALYTIQUE DU JFET VERTICAL Comparaison entre le modèle analytique et la simulation pour un canal de largeur 2µm |VGS| analytique ( Vgs1) |VGS| analytique ( Vgs1) n 10 n | simulé |VGSVgs2_sim VGS|Vgs_sim simulé 0 20 [V] 20 [V] Comparaison entre le modèle analytique et la simulation pour un canal de largeur 1.5µm 10 0 0 50 100 VDSVds1 n Vds_sim 150 0 50 100 [V] 200 150 VDS Vds1n Vds3_sim [V] Lsource = 4µm Avantage : - Prise en compte des effets bidimensionnels Grille Inconvénient : - Nécessité d’une simulation à éléments finis IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET Source Grille canal = 1µm 38 SIMULATION DE L’AUTO-ALIMENTATION Formes d’ondes générales de VDS et VCS JFET VCS D VDb IC VC VDS/20 VDS/20 G VGS Recharge de la capacité CS Pincement du JFET VCS S D b VDS ICS Rg CS Topologie simulée avec le logiciel SILVACO IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET 39 CONCEPTION DU LAYOUT DU JFET Grille Source Source Grille Al SiPoly MOS principal JFET SiO2 Nv P+ Drain P N+ IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET 40 N+ CONCEPTION DU LAYOUT DU JFET Source Grille LN+ Source MOS principal N+ Grille Al SiPoly MOS auxiliaire SiO2 Nv P+ P N+ IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET 41 N+ CONCEPTION DU LAYOUT DU JFET Surface de contact pour la source RN+ eN+ Source R R R 50 N DS R R 45 LN+ LN+= 72µm DN+ Lcanal Rcanal eN+ R45° Canal N canal Rsubstrat Rcanal R45° Al SiPoly Rsubstrat SiO2 Nv P+ Drain Pas=36µm IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET P N+ 42 REALISATION DU JFET VERTICAL JFET réalisé Ouverture contact de la source Canal Zone active du MOSFET pricipal Zone active du JFET Grille Source du MOSFET principal Grille du JFET Périphérie IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET 43 RESULTATS DE MESURE DES JFET REALISES Résultats de mesure pour les seuils de pincements des JFETs réalisés IDS,[A] Résultats de mesure d’un JFET 12 10 JFET1 |VGS|,[V] VGS [A] 8 JFET2 JFET3 6 JFET4 JFET5 4 JFET simulation 2 0 0 50 VDS[V] 100 VDS[V] VDS,[V] IV. LA SOLUTION DE L’AUTO-ALIMENTATION AVEC UN JFET 44 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 45 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 46 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…). 47 FIN Merci pour votre attention FIN 48
