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Les interrupteurs de puissance sur silicium
Les systèmes de conversion d’énergie électrique, utilisés en électronique de puissances, sont constitués principalement de convertisseurs statiques d’énergie, dont la fonction première est de traiter l’énergie électrique circulant entre une source et sa charge. Ces convertisseurs, à leur tour, sont composés essentiellement d’interrupteurs à base de composants à semi-conducteur de puissance (IGBTs, MOSFETs, GTOs, transistors bipolaires, triacs, thyristors, diodes).
Le rôle d’un interrupteur de puissance est d’autoriser ou de stopper le passage du courant. Il présente deux états statiques (état bloqué et état passant) et il doit remplir les fonctions suivantes :
Ø À l’état bloqué : supporter des tensions élevées (de quelques centaines de volts à plusieurs kV) avec un faible courant de fuite.
Ø À l’état passant : conduire un courant élevé (de quelques A à plusieurs kA) avec une faible tension à leurs bornes.
Ø En commutation : commuter le plus rapidement possible afin de réduire autant que possible les pertes en commutation.
À ce jour, aucun interrupteur de puissance développé ne satisfait les trois exigences simultanément, ce qui nécessite de choisir l’interrupteur pour un domaine d’application spécifique.
En électronique de puissance, la classification des interrupteurs à semi-conducteur se fait en fonction de besoins imposés par la nature des sources d’énergie (continue ou alternative, de courant ou de tension) et de l’application ciblée, ainsi que par les propriétés des composants [3]. Selon les applications, les composants de puissance peuvent être :
Ø Des interrupteurs qui peuvent conduire le courant dans un sens et supporter des tensions négatives (ou positives), on parlera d’interrupteurs unidirectionnels en courant et en tension, comme le cas de la diode (figure I.3.a).
Ø Des interrupteurs qui peuvent conduire le courant dans les deux sens et supporter des tensions positives (ou négatives), on parlera d’interrupteurs bidirectionnels en courant et unidirectionnels en tension, comme le cas du thyristor dual (figure 1.3.b).
Ø Des interrupteurs qui peuvent conduire le courant dans un sens et supporter des tensions positives et négatives, on parlera d’interrupteurs unidirectionnels en courant et bidirectionnels en tension, comme le cas des RB-IGBT (figure 1.3.c).
Ø Des interrupteurs qui peuvent conduire le courant dans les deux sens et supporter des tensions négatives et positives, on parlera d’interrupteurs bidirectionnels en courant et en tension, comme le cas du triac (figure 1.3.d).
Le choix de l’interrupteur de puissance adapté à une application donnée se fait selon les critères suivants : mode de commande souhaitée, tension de blocage et courant à faire transiter, fréquence de commutation désirée, bidirectionnalité en courant, bidirectionnalité en tension et parfois bidirectionnalité en courant et en tension.
Interrupteurs bidirectionnels en courant et en tension sur silicium Les applications sur réseau alternatif nécessitent l’utilisation d’interrupteurs bidirectionnels en courant et en tension. Cette bidirectionnalité peut être assurée en synthétisant la fonction par l’association de plusieurs composants ou en utilisant un seul dispositif intégré monolithiquement.
Synthèse de la fonction par association d’éléments discrets
Dans certaines applications, les dispositifs de puissance unilatéraux et commandés par MOS, comme l’IGBT, le MCT, le MOSFET, sont souvent associés à des diodes pour réaliser ces interrupteurs bidirectionnels en courant et en tension. Des exemples d’associations de ce type d’éléments pour réaliser des interrupteurs bidirectionnels sont donnés sur la figure I.4.
a. b. c. d. e.
Figure I. 4 : Exemples d’associations d’éléments discrets pour synthétiser des interrupteurs bidirectionnels en courant et en tension : (a) IGBT + 4 diodes, (b) 2 VDMOS + 2 diodes, (c) 2 BJT à superjonction + 2 diodes [4], (d) 2 IGBT + 2 diodes, (e) 2 thyristors en tête-bêche
L’interrupteur dans l’assemblage donné par la figure I.4.a est facile à commander. En effet, un seul interrupteur est utilisé dans ce pont de diodes. Mais son inconvénient est qu’il présente une chute de tension importante à l’état passant. Ceci est dû au fait que le courant, à l’état passant, traverse trois composants : deux diodes et un transistor. L’interrupteur donné par la figure I.4.b, par rapport au précédent, permet de diminuer la chute de tension à l’état passant : une diode et un transistor conduisent durant chaque alternance. Toutefois, il nécessite deux éléments unidirectionnels et exige l’utilisation d’un circuit auxiliaire pour pouvoir décider, selon l’alternance, qui des deux dispositifs unidirectionnels doit conduire, ce qui rend son coût de réalisation plus élevé comparé à celui de la figure I.4.a. Outre ce problème, l’interrupteur de la figure I.4.b utilise deux éléments unidirectionnels commandés par des grilles MOS référencées par rapport à deux potentiels différents. Pour une commande par rapport à une seule électrode de référence, une alternative peut être l’utilisation de deux BJT et deux diodes, ou l’association de transistors MOS verticaux (VDMOS), ou encore l’association de deux IGBT-diodes, comme présenté figure I.4.d.
L’association de deux thyristors montés en anti-parallèle (figure I.4.e) permet une chute de tension équivalente à celle d’un thyristor, mais présente le même inconvénient de commande que l’interrupteur de la figure I.4.b. En outre, le thyristor est commandable uniquement à la fermeture.
Interrupteurs monolithiques bidirectionnels en courant et en tension
a- Interrupteurs commandés e_n courant
Les potentialités offertes par les dispositifs p-n-p-n, basés sur l’empilement de quatre couches semi-conductrices alternées p-n-p-n, comme commutateurs de puissance ont été constatées, pour la première fois, par Moll [5]. Quelques années plus tard, des dispositifs de puissance à trois électrodes, adaptés aux applications de réglage de phase et pour fonctionner comme commutateurs statiques, ont été développés et commercialisés [6]. Ces dispositifs sont groupés sous l’appellation anglo-saxonne SCR pour Silicon Controlled Rectifier. Cependant, ces SCR sont des dispositifs unidirectionnels en courant, c’est à dire, lorsqu’ils sont à l’état ON, ils ne conduisent le courant que dans une seule direction.
Le développement de ces dispositifs bidirectionnels n’a connu son véritable essor qu’avec l’innovation du concept appelé « les courts-circuits d’émetteur ». Ce concept a permis non seulement le développement de dispositifs bidirectionnels, mais il a également permis l’amélioration des caractéristiques des SCR.
Dans les structures bidirectionnelles en courant et en tension, la section élémentaire qui assure la conduction durant chaque alternance correspond à une structure thyristor. Dans le paragraphe suivant, nous allons décrire les caractéristiques de ce dispositif qui nous seront utiles pendant la description des dispositifs bidirectionnels.
i- Thyristor
Le thyristor est l’une des premières réalisations en intégration fonctionnelle dans le domaine de la puissance. Ce dispositif (figure I.5.a) est constitué, fondamentalement, de quatre couches semi-conductrices p-n-p-n alternées. Lorsqu’un potentiel négatif est appliqué à l’anode par rapport à la cathode, les jonctions J1 et J3 sont polarisées en inverse et supportent la tension. Le courant traversant la structure a une intensité très faible. C’est le régime bloqué inverse pour lequel la limite en tension est associée soit au mécanisme de multiplication par avalanche, soit au perçage. Lorsque le potentiel de l’anode est positif par rapport à la cathode, le thyristor peut se trouver dans deux états électriques différents :
Ø Le régime direct bloqué qui correspond aux jonctions J1 et J3 en direct tandis que J2 est polarisée en inverse et supporte la tension appliquée. L’intensité de courant qui traverse la structure dans ce cas-là est faible.
Ø Le régime direct passant qui correspond à un état dans lequel le thyristor présente une impédance faible. Les trois jonctions J1, J2 et J3 sont passantes (fonctionnement en régime saturé pour les transistors). Le passage du courant est lié à l’existence d’une charge stockée de porteurs minoritaires dans les bases P et N. Si cette charge décroît au-dessous d’un certain seuil, qui correspond au courant de maintien IH, la jonction J2 se bloque et le thyristor retrouve son état bloqué.
Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
Chapitre I
Etat de l’art des structures bidirectionnelles et concept du transistor BipAC
Introduction
1- Les interrupteurs de puissance sur silicium
2- Interrupteurs bidirectionnels en courant et en tension sur silicium
2.1- Synthèse de la fonction par association d’éléments discrets
2.2- Interrupteurs monolithiques bidirectionnels en courant et en tension
a- Interrupteurs commandés en courant
b- Interrupteurs monolithiques commandées en tension
3- Analyse qualitative par simulation 2D de structures proposées au LAAS
3.1- Structure 1 : MOS-thyristor bidirectionnel commandé par MOS
a- Principe de fonctionnement
b- Résultats de simulations qualitatives du MOS-thyristor bidirectionnel
c- Bilan de l’étude de la structure MOS-thyristor bidirectionnelle
3.2- Structure 2 : IGBT bidirectionnel double-face
a- Principe de fonctionnement
b- Simulations qualitatives de l’IGBT bidirectionnel double face
c- Bilan de l’étude de la structure IGBT bidirectionnel
3.3- Structure 3 : IGBT-thyristor bidirectionnel à électrodes coplanaires
a- Principe de fonctionnement
b- Simulations qualitatives de l’IGBT-thyristor bidirectionnel à électrodes coplanaires
c- Bilan de l’étude de la structure IGBT bidirectionnel à électrodes coplanaires
3.4- Structure 4 : IGBT bidirectionnel à électrodes coplanaires et à cathode commune
a- Principe de fonctionnement
b- Simulations qualitatives de l’IGBT-thyristor bidirectionnel à électrodes coplanaires et à cathode
commune
c- Bilan de l’étude de la structure IGBT bidirectionnel à électrodes coplanaires et à cathode
commune
3.5- Structure 5 : La structure BipAC que nous proposons
a- Principe de fonctionnement
b- Simulations qualitatives de la structure BipAC
c- Bilan de l’étude de la structure BipAC :
3.6- Bilan de l’étude qualitative des cinq structures
4- Comparaison pertes entre triac conventionnel et BipAC que nous proposons
Conclusion
Chapitre II
Etude par simulation physique 2D de la structure BipAC
Introduction
A- Structure BipAC
1- Description de la structure
1.1- BipAC PNP
1.2- BipAC NPN
2- Principe de fonctionnement
2.1- Etat passant
a- BipAC PNP
b- BipAC NPN
c- Simulations qualitatives à l’état passant
i- 1er quadrant
ii- 3ème quadrant
2.2- Etat bloqué
a- Tenue en tension d’un composant unidirectionnel
i- Tenue en tension au niveau de la région centrale
ii- Tenue en tension au niveau de la périphérie JTE
iii- Simulations 2D qualitatives
b- Tenue en tension d’un composant bidirectionnel
i- Tenue en tension au niveau du mur et de la périphérie associée
ii- Simulations 2D qualitatives
3- Etude qualitative de l’influence des paramètres physiques et géométriques
3.1- Gain du BipAC
a- Estimation du gain du transistor de gâchette
b- Estimation du gain du transistor de puissance
c- Gain du BipAC PNP en fonction de différents paramètres
i- Impact de l’épaisseur de la zone de drift WN
ii- Impact de la concentration surfacique de la zone sous la gâchette
iii- Impact de la largeur de diffusion P+ de l’émetteur (Lp+)
d- Gain du BipAC NPN
e- Comparaison des gains entre BipAC PNP et BipAC NPN
3.2- Etude en commutation
a- Effet thyristor parasite du BipAC : détermination du courant de maintien
i- Démarche adoptée pour déterminer le courant de maintien
ii- Détermination du courant de maintien de la structure BipAC
iii- Vérification de la commutation à l’ouverture du BipAC
iv- Bilan
b- Comportement du BipAC à la commutation
c- Temps de commutation
4- Choix des paramètres pour l’application 750V
4.1- Epaisseur du substrat pour une tenue en tension de 750V
a- Cellule BipAC sur substrat N
b- Cellule BipAC sur substrat P
4.2- Evaluation des BipACs dans les conditions imposées
a- Caractéristiques I(V) du BipAC PNP en fonction de Z et de Ig
b- Caractéristiques I(V) du BipAC NPN en fonction de Z et de Ig
c- Comparaison des gains des BipAC PNP et NPN
4.3- Simulation en dynamique : vérification de la chute de tension à l’état passant
4.4- Simulations paramétrées en vue de dimensionner la cellule élémentaire BipAC
5- Bilan
B- Vers l’amélioration du gain du BipAC
1- Structures proposées
1.1- Insertion d’une ou de plusieurs couches de même type que le substrat
1.2- Insertion d’une ou de plusieurs couches de type différent que le substrat
1.3- Bilan
2- Simulations qualitatives de la structure à une couche enterrée
2.1- Conditions de simulations
2.2- Etat bloqué
2.3- Etat passant
2.4- Bilan
3- Comparaison des potentialités des structures NPN et PNP à une couche enterrée
3.1- Cas d’une couche P enterrée dans le substrat P- du BipAC NPN
a- Conditions de simulations
b- Simulations effectuées avec un courant de gâchette Ig=200mA
c- Simulations effectuées avec un courant de gâchette Ig=100mA
3.2- Cas d’une couche N enterrée dans le substrat N- du BipAC PNP
3.3- Bilan
4- Optimisation de la structure BipAC NPN avec une couche P enterrée
4.1- Dimensionnement de la cellule active
a- Conditions de simulations
b- Résultats de simulations et discussion
4.2- Impact de la durée de vie sur les performances à l’état passant de la structure
4.3- Paramètres physiques et géométriques de la périphérie
a- Paramètres de la JTE : largeur, profondeur et dopage
b- Distance mur – couche P et distance inter-JTE
c- Bilan
4.4- Choix de la structure 2D représentative de la coupe d’une puce complète
a- Impact de la périphérie sur les performances d’une cellule active
b- Simulation de quatre cellules actives associées à la périphérie
c- Trente cellules actives associées à la périphérie : demi-puce
d- Soixante cellules active associées à la périphérie : puce complète
e- Bilan
4.5- Bilan des caractéristiques de la structure proposée pour améliorer le gain
5- Bilan
Conclusion
Chapitre III
Réalisations technologiques et caractérisations
Introduction
1- Conception des masques
1.1- Niveau murs traversants P+
1.2- Niveau terminaisons de jonction JTE P-
1.3- Niveau zone active
1.4- Niveau zone P sous la gâchette
1.5- Niveau P+ d’émetteur
1.6- Niveau N+ de gâchette et stop-channel
1.7- Niveau ouverture des contacts
1.8- Niveau métallisation
2- Optimisation du procédé technologique de fabrication
2.1- Enchainement des étapes technologiques sur substrat N
2.2- Tests SRP et SIMS
a- Tests sur substrat N
b- Tests sur substrat P
i- TEST 1
ii- TEST 2
iii- Conclusion
3- Réalisation technologique
3.1- Réalisation des murs P+ traversants
3.2- Réalisation du BipAC PNP sur substrat N
3.3- Réalisation du BipAC NPN sur substrat P
4- Caractérisation électrique
4.1- Caractérisation sous pointes
a- BipAC PNP
i- Substrat d’épaisseur 300μm
ii- Substrat d’épaisseur 200μm
b- BipAC NPN
i- Substrat d’épaisseur 300μm
ii- Substrat d’épaisseur 230μm
c- Bilan
4.2- Caractérisation dans des boîtiers
a- BipAC PNP
b- BipAC NPN
c- Comparaison
5- Comparaison des deux versions de la structure BipAC
Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
