Presentation These

Nouvelles fonctions interrupteur intégrées pour la conversion d’énergie

Christian CaramelSous la Direction de MM P.Austin et J-L. Sanchez

L.A.A.S (Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes)

Equipe I.S.G.E (Intégration de Systèmes de Gestion de l’Energie)

27 avril 2007

Thèse de doctorat:

2 / 44Christian CaramelThèse27/04/2007

L’énergie électrique au quotidien

Contexte des travauxPlan

Intégration et fiabilitéIntégration et performances

Conclusion

Energie électrique au quotidienGestion de l’énergie électrique et électronique de puissance

MW

W

Augmentation de la populationmondiale ayant accès à l’E.E

Mode de vie « à l’occidentale »

Pollution et épuisementdes réserves fossiles

Développement durablePart fossilePart renouvelable

! Consommer au plus juste

Meilleure Gestion Energie

électrique

Meilleure gestion de l’Energieélectrique


Améliorer la gestion de l’énergie électrique -les voies en électronique de puissance

• Amélioration des circuits et algorithmes de commande• Amélioration des caractéristiques intrinsèques des composants• Réalisation de nouveaux composants• Nouvelles architectures de convertisseurs• Intégration de systèmes de puissance

Diminution du volume et du poids Diminution de coût de fabrication Maîtrise de la dispersion des caractéristiques Multiplication des fonctions et nouvelles fonctionnalités Amélioration de la fiabilité des systèmes

Protection contre les courts-circuits Amélioration des performances des systèmes

Architecture « faibles pertes »



Conclusion

Energie électrique au quotidien

Gestion de l’énergie électrique et électronique de puissance


Contexte des travaux

PlanIntégration et fiabilité

intégration et performancesConclusion

• L’intégration au service de la fiabilité– Courts-circuits en électronique de puissance

• Modes et types• Principes de détection

– Capteur de Tension d’Anode– Structure de protection contre les C.C

• Topologie et fonctionnement• Validation par simulation 2D• Résultats expérimentaux• Problématique d’intégration monolithique

• L’intégration au service des performances– Compromis pertes en conduction, pertes en commutation– Architecture faibles pertes / Bi-IGBT

• Topologie et fonctionnement• Structure discrète, validation intérêt• Simulation 2D, validation du concept• Réalisation technologique

• Conclusions et perspectives

Plan


Contexte des travaux

PlanIntégration et fiabilité

intégration et performancesConclusion

• L’intégration au service de la fiabilité– Courts-circuits en électronique de puissance




• L’intégration au service des performances– Compromis pertes en conduction, pertes en commutation– Architecture faibles pertes / Bi-IGBT



Plan


Première partie:

Intégrer pour améliorer la fiabilité:

Structure de protection des IGBTs contre les courts-circuits


Intégration et fiabilitéintégration et performances

Conclusion

Eléments de contexteCourts-circuits en E.PCapteur de Tension d’AnodeStructure de protection contre les courts-circuits


• Court-circuit de bras

• Court-circuit série

• Court-circuit lié à la charge

Modes

Types

• Type 1: Lors de la mise en conduction de l’interrupteur de puissance

• Type 2: Lorsque l’interrupteur de puissance est en conduction



Conclusion

Courts-circuits en E.P• Définition• Modes et types• Défaillance de l’interrupteur• Grandeurs d’état de détection

Capteur de tension d’anode

Modes et types de courts-circuits




Conclusion



Défaillances d’un interrupteur élémentaire soumis à un court-circuitIA

temps

temps

VAK

Simultanément:

Pleine tension d’alimentation Courant maximal

Forte dissipation d’énergieNombreuses défaillances

Imax Au turn-ON Court-circuit prolongé A l’ouverture Retardée


Capteur de Tension d’Anode

Grandeurs d’état de détection

Solutions intégrées basées sur deux grandeurs

1. Courant

2. Tension• Commande de grille établie (L.V)• Pleine tension d’alimentation sur l’anode (H.V)



Conclusion



Détection de la tension d’anode


Le Capteur de Tension d’Anode:principe de fonctionnement



Conclusion

Courts-circuits en E.P

Capteur de tension d’anode• Principe de fonctionnement• Comportement statique• Comportement dynamique• Réalisation technologique

Image en face avant de la tension d’anode (face arrière)

Intégration aisée dans un processus d’IGBT

Tenue en tension identique à celle du composant de puissance

VA

Vcapteur = f (VA)

~VA

xV


Le capteur de tension d’anode:comportement statique (simulation 2D)



Conclusion



Différentes gammes de tension selon l

Gamme Vcapteur lorsque l Choix de la gamme dès la

conception technologique


Le capteur de tension d’anode:comportement dynamique en charge (simulation 2D)



Conclusion



Charge résistive 10kΩ• Réponse quasi-instantanée• Régime permanent en 50µs

Charge capacitive de 0.5pF• 90% de la charge en 0.2µs• Charge totale en 1µs

Compatible avec la commande de grille de MOS


Le capteur de tension d’anode:réalisation technologique



Conclusion



600µm

600µm


La structure de protection contre les courts-circuits: topologie - fonctionnement



Conclusion


Structure de protection contre les courts-circuits• Topologie, fonctionnement• Validation par simulations 2D• Réalisation technologique• Intégration monolithique

Délai Protection efficace pour les deux types de court-circuit


Validation de la structure par simulation 2D(I.S.E T.C.A.D)



Conclusion




Structure de protection - cahier des charges



Conclusion



• Tenue en tension des MOS >15V

• Polarisation du contact source-substrat du MOS de délai


Tenue en tension des transistors MOSdouble diffusés



Conclusion



Caractérisation EMMI

Écart simulation - mesure 100%

BV insuffisant pour la structure de protection


Amélioration de la tenue en tension des transistors MOS



Conclusion



BV max atteint ≈ 25V Solution non adaptée


Choix du LDMOS à deux niveaux d’oxyde



Conclusion



BV adapté Compromis VON/RON amélioré Compatible auto alignement Pas d’étape technologique en plus

Solution retenue


Polarisation du contact source-substrat du MOS de délai - influence de la diode Zener



Conclusion



Polarisation du MOS de coupure Tension de grille du l’IGBT

Diode Zener Z=0.4mm nécessaire


Validation par simulations 2DMixed mode ISE-TCAD



Conclusion




Validation par simulations 2D



Conclusion



Protection CC type 1 Protection CC type 2


Réalisation technologique - LDMOS(Fabrication réalisée au CNM de Barcelone)



Conclusion



Vth = 3.5V VBR ≈ 35V RON ≈ 30 Ω

200µm25V-0.1A


Réalisation technologique - IGBT(Fabrication réalisée au CNM de Barcelone)



Conclusion



Vth = 3V VBR ≈ 320V VON ≈ 2-4V

1mm

600V-1A


Intégration monolithique de la structure de protection: problématique



Conclusion



(1) VCommande courant entre les drains des deux LDMOS

(2) VAnode courant vers drain MOS de coupure

Nécessité d’isolation HV-LV et LV-LV


Techniques d’isolation proposées



Conclusion



Murs traversants dopés P+• Tranchées traversantes• Saturation en P+• Redistribution• Passivation face arrière

S.O.N (Silicon On Nothing)• Tranchées 20µm• Saturation en P+• Redistribution• Gravure face arrière en fin

de process

S.O.I partiel• Motifs S.O.I en utilisant le

procédé LEGO• Isolations par jonctions ou

par tranchées

3 techniques déjà éprouvées pour la réalisation de dispositifs de puissance

Compatibilité avec la filière spécifique développée au LAAS

Complexification du processus technologique


Comparaison - charge R = 100 Ω(Simulation 2D - ISE TCAD)



Conclusion



Trois courbes superposées

Pas d’influence sur le comportement nominal


Comparaison en condition de court-circuit



Conclusion



VG

Déclencher CC• t=200.10-6s

Observer• tension de grille VG

• courant d’anode IA

IA


Comparaison - cas d’un court-circuit de type 1(Simulation 2D - ISE TCAD)



Conclusion



S.O.N et Murs : même efficacité• Pic de VG ~ 12V• Pic IA ~ 10A• Effective en 0,8μs

S.O.I• Pic de VG ~13,5V• Pic IA ~ 14A• Effective en 1µs


Comparaison - cas d’un court-circuit de type 2(Simulation 2D - ISE TCAD)



Conclusion



3 techniques sont très efficaces• Pic de IA < 4,9A• Tension de grille chute en 0,1μs

3 techniques efficaces pour les deux types de CC


Choix d’une technique d’isolation - classement sur critère technologique



Conclusion



Technique S.O.I• La mieux maîtrisée

Technique « Murs »• Technologie relativement

maîtrisée• Mais moins reproductible

Technique S.O.N• Contraintes importantes• Etape lourde en fin de process• Exploiter?



Intégration et fiabilité

Intégration et performancesConclusion

• Intégration au service de la fiabilité– Courts-circuits en électronique de puissance




• Intégration au service des performances– Compromis pertes en conduction, pertes en commutation– Architecture faibles pertes / Bi-IGBT



Plan:


Deuxième partie:

Intégrer pour améliorer les performances





Compromis pertes en conduction / pertes en commutation (composants bipolaires)




Compromis pertes en conduction, pertes en commutationArchitecture faibles pertes

• Topologie et fonctionnement• Validation intérêt• Simulation 2D, validation concept• Réalisation technologique

Pertes 1 cycle

conduction commutation

VON EOFF

Q Base Q Base

Association //deux IGBTs


Architecture faibles pertes : topologie




Compromis pertes en conduction, pertes en commutation

Architecture faibles pertes• Topologie et fonctionnement• Validation intérêt• Simulation 2D, validation concept• Réalisation technologique

E

I

IGBT rap IGBT lent

IGBT lent• VON faible• EOFF élevé

IGBT rapide• VON élevé• EOFF faible

IGBT lent conductionIGBT rapide commutation


Architecture faibles pertes : fonctionnement à l’ouverture

VON lentVON rap

EVAK

IA

VGK

IA lent IA rap

VGK lent VGK rap






IGBT lent conduit & IGBT rapide bloqué

IGBT lent bloqué & IGBT rapide conduit

IGBT lent et rapide bloqués


Validation de l’intérêt de l’architecturepar simulation analytiques(Thèse Rodolphe De Maglie - 20 avril 2007)






Comparaison plusieurs associations //• 1 lent• 2 lents avec double commande• 2 rapides avec double commande• 1 lent - 1 rapide = architecture proposée

Gain de 20 à 25% pour tous les rapports cycliques ( par rapport à l’IGBT lent seul)

l’architecture faibles pertes offrele meilleur rendement énergétique


Simulation 2D d’une structure multi-cellules






Structure simulée 16 cellules• trois régimes distincts

Lent ON - rapide ON Lent OFF - rapide ON Lent et rapide OFF

• Caractéristiques électriques équivalentes à l’étude en discret


Réalisation technologique / Bi-IGBT(effectuée au CNM de Barcelone)






Caractéristiques• Base commune• Substrat 300m• Anode lent « classique »• Anode rapide « semi-transparente »• Un seul masque additionnel

Grille lent

Grille rapideCathode


Bi-IGBT - Caractérisation des dispositifs IGBTs pris séparément






Conditions de mesure:• Grille et cathode du

composant non mesuré mises à la masse

• Caractéristiques statiques au traceur de puissance

• Caractéristiques dynamiques à l’ouverture sur charge résistive de 100Ω


Bi-IGBT - Caractérisation des dispositifs Architecture « faibles pertes »






Sur charge R=100Ω à 25A/cm2

• Profil des commandes• Evolution du VON

• Différences des courants de queue

Charge stockée -30% validation de la fonctionnalité

grille lent

grille rapide

cathode

LentON

Rap.OFF

Lent OFFRap. ON

Lent OFFRap. OFF





• Intégration au service de la fiabilité– Courts-circuits en électronique de puissance



• Topologie et fonctionnement• Validation par simulation 2D• Problématique d’intégration monolithique• Validation expérimentale

• Intégration au service des performances– Compromis pertes en conduction, pertes en commutation– Architecture faibles pertes / Bi-IGBT



Plan:


Conclusion

• Structure de protection contre les courts-circuits– Conception détaillée– Fonctionnalité et efficacité démontrée par simulation 2D– Nécessité d’isolation LV-LV exposée– Solutions d’isolations proposées et comparées par

simulation 2D– Validation technologique de ses composants présentée

• Architecture faibles pertes– Gain en performance démontré par simulation analytique– Réalisation technologique présentée– Fonctionnalité validée par caractérisation électriques– Analyse du fonctionnement par simulation 2D



Conclusion

ConclusionsPerspectives


Perspectives

• Protection contre les courts-circuits• Notre structure

– Pallier à la lourdeur technologique ajoutée– Réalisation technologique intégrée avec isolations

» Thèse Julie Le GAL• Plus généralement

– Associer auto-alimentation et protection– Combiner différentes protections, associer des

composants logiques

• Architecture faibles pertes– Poursuivre simulations 2D à grande échelle pour mieux

quantifier les interactions Lent - Rapide– Réaliser une structure permettant une validation fort

courant– Réaliser une commande simplifiée



Conclusion

Conclusion

Perspectives


Merci de votre attention


Tension VGK

Fuite mise en évidence par EMMI


Analyse des fuites en fonction de la localisation sur la plaquette

Technology

Presentation These