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 :
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 (court-
circuit) 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] au-
delà 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 ultra-
rapide via une intégration fonctionnelle, techniques d’optimisation de la consommation d’énergie et