CHAPITRE I : CONCEPT DU MODULE COMPLEMENTAIRE DE
I.5. Conclusion
Figure I.26. Tension VSD du p‐MOSFET au blocage dans un hacheur série Ventrée=200V, I=4A, f= 50kHz
Au final, lʹapproche PB‐CMOS introduite et développée dans ce premier chapitre conduit à un nouveau compromis revenant au concepteur entre le coût du silicium et celui de plus grands composants passifs pour le filtre de la CEM, de plus de composants actifs et passifs pour le contrôle commande et encore celui dʹun système de refroidissement plus ou moins compliqué. Cʹest tout l’enjeu de ce travail de thèse que dʹaborder quelques uns de ces points. L’analyse du rendement de plusieurs solutions PB‐CMOS sera abordée dans le prochain chapitre.
I.5. Conclusion
Dans ce premier chapitre, nous avons rappelé la problématique du module de puissance. Ensuite, l’état de l’art des évolutions techniques et technologiques des constituants du module est présenté, sous plusieurs angles de vue, du semi‐conducteur au packaging. Pour s’inscrire dans ce contexte en pleine évolution, nous avons proposé d’utiliser la technologie complémentaire qui est de longue date mise de côté dans le monde des convertisseurs de puissance pour des raisons de performances intrinsèques des composants de puissance de type P. En se basant sur la conception globale du convertisseur, nous avons introduit les principaux gains potentiels offerts par les convertisseurs Power
Buffer‐CMOS. L’inconvénient majeur, qui concerne les pertes supplémentaires dues aux composants complémentaires, est également discuté et la solution proposée reste un compromis, un nouveau choix pour le concepteur des convertisseurs de puissance. Enfin, le concept d’un nouveau module de puissance Power Buffer‐CMOS polyphasé a été présenté en intégrant tous les avantages exposés ci‐dessus. Dans les prochains chapitres, chaque aspect de la technologie complémentaire sera analysé et validé par la simulation et l’expérimentation. La conception de composants complémentaires multipuces sera également présentée.
Bibliographie
[1] Ludovic Ménager, Bruno Allard, and Vincent Bley, “Conditionnement des modules de puissance,” Techniques de l’ingénieur. [2] Cyril Buttay, “Modules et boîtiers de puissance (packaging),” Techniques de l’ingénieur. [3] A. Videt, P. Le Moigne, N. Idir, P. Baudesson, and X. Cimetiere, “A New Carrier‐Based PWM Providing Common‐Mode‐Current Reduction and DC‐Bus Balancing for Three‐ Level Inverters,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54, no. 6, pp. 3001‐3011, Dec. 2007.[4] M. Cacciato, A. Consoli, G. Scarcella, and A. Testa, “Reduction of common‐mode
currents in PWM inverter motor drives,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 35, no. 2, pp. 469‐476, Apr. 1999.
[5] M. Shoyama, Ge Li, and T. Ninomiya, “Balanced switching converter to reduce
common‐mode conducted noise,” Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 50, no. 6, pp. 1095‐1099, 2003. [6] Shuo Wang, Pengju Kong, and F. C. Lee, “Common Mode Noise Reduction for Boost Converters Using General Balance Technique,” Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 22, no. 4, pp. 1410‐1416, 2007. [7] Christian Martin, “Vers une methodologie de conception des interconnexions pour les
dispositifs de l’electronique de puissance,” Mémoire de thèse, Université Joseph‐ Fourier, Grenoble I, 2005.
[8] K. Gulez, N. Mutoh, M. Ogata, F. Harashima, and K. Ohnishi, “An approximation to
improve EMI passive filter condition with triple‐LISN for EMI noise problem,” in.
Proceedings of the 41st SICE Annual Conference, 2002, vol. 2, pp. 929‐934.
[9] Shuo Wang, F. C. Lee, W. G. Odendaal, and J. D. van Wyk, “Improvement of EMI filter
performance with parasitic coupling cancellation,” Power Electronics, IEEE Transactions
on, vol. 20, no. 5, pp. 1221‐1228, 2005.
[10] N. Mortensen and G. Venkataramanan, “An Active Common Mode EMI Filter for Switching Converters,” in IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. IAS’08, 2008, pp. 1‐7.
[11] Sylvain Mandray, “Optimisation des convertisseurs d’électronique de puissance selon des critères thermiques et CEM. Application aux dispositifs dédiés à l’aéronautique,” Mémoire de thèse, Grenoble INP, G2ELab, 2009.
[12] Stéphane Lefebvre and Francis Miserey, Composants à semi‐conducteur pour l’électronique
de puissance. Tec & Doc Lavoisier, 2004.
[13] Fisal Alkayal, “Contribution à l’intégration monolithique de protections contre les surtensions: application aux convertisseurs de puissance haute tension,” Mémoire de thèse, Grenoble INP, 2005.
[14] Stéphane LEFEBVRE and Bernard MULTON, “Commande des semi‐conducteursde puissance: contextes,” Techniques de l’ingénieur.
[15] Stéphane LEFEBVRE and Bernard MULTON, “Commande des semi‐conducteursde puissance: principes,” Techniques de l’ingénieur.
[16] Eric Vagnon, “Solutions innovantes pour le packaging de convertisseurs statiques polyphasés,” Mémoire de thèse, Grenoble INP, 2010.
[17] S. Pietranico, S. Pommier, S. Lefebvre, and S. Pattofatto, “Thermal fatigue and failure of electronic power device substrates,” International journal of fatigue, vol. 31, no. 11‐12, pp. 1911‐1920, 2009.
[18] Smet V. et al., “Modes de vieillissement et de défaillance de modules IGBT sous cyclage actif à haute température,” in Electronique de puissance du Futur, EPF 2010, St Nazaire.
[19] “Physique des défaillances et robustesse des systèmes intégrés de puissance,” INRETS,
Pôle de recherche Laboratoire de Technologies Nouvelles. [Online]. Available:
http://www.inrets.fr/ur/ltn/poles/energie/pdderdsidp.htm.
[20] Fuji Electric, “Datasheet technique Module IGBT 2MBI 400N‐060.” Mai‐1997.
[21] Jean‐Louis SANCHEZ and Frédéric MORANCHO, “Composants semi‐conducteurs. Intégration de puissance monolithique,” Techniques de l’ingénieur.
[22] XFAB, “1.0 um BCD Process. XDH10.” Jul‐2009.
[23] Yasuhiro Uemoto, Katsushige Yamashita, and Takashi Miura, “High voltage SOI semiconductor device,” U.S. Patent US RE41,368.
[24] F. Capy, “Etude et conception d’un interrupteur de puissance monolithique à auto‐ commutation:le thyristor dual disjoncteur.,” Mémoire de thèse, Université Paul Sabatier ‐ Toulouse III, 2009.
[25] Intersil, “Advanced Synchronous Rectified Buck MOSFET Drivers with Protection Features ISL6612.” Datasheet, 2005.
[26] Linear Technology Corporation, “Current Mode Boost, Flyback and SEPIC Controller LTC1871EMS.” Datasheet, 2001.
[27] International Rectifier, “High voltage 3 phase gate driver IC IRS2336.” Datasheet, 2008. [28] Olivier Deleage, “Conception, réalisation et mise en oeuvre d’un micro‐convertisseur
intégré pour la conversion DC/DC,” Mémoire de thèse, Grenoble INP, G2ELab, 2009. [29] O. Deleage, J.‐C. Crebier, and Y. Lembeye, “Design and realization of autonomous
power CMOS single phase inverter and rectifier for low power conditioning applications,” in, 13th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE ’09, 2009, pp. 1‐10.
[30] O. Deleage, J.‐C. Crebier, M. Brunet, Y. Lembeye, and H. Tran Manh, “Design and realization of highly integrated isolated DC/DC micro‐converter,” in Energy Conversion
Congress and Exposition, 2009. ECCE. IEEE, 2009, pp. 3690‐3697.
[31] Rick West, “Bipolar boostrap top switch gate driver for half‐bridge semiconductor power topologies,” U.S. Patent US7248093.
[32] C. Klumpner and N. Shattock, “A Cost‐Effective Solution to Power the Gate Drivers of Multilevel Inverters using the Bootstrap Power Supply Technique,” in Applied Power
Electronics Conference and Exposition, 2009. APEC 2009. Twenty‐Fourth Annual IEEE, 2009, pp. 1773‐1779. [33] J.‐C. Crebier and N. Rouger, “Loss Free Gate Driver Unipolar Power Supply for High Side Power Transistors,” Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 23, no. 3, pp. 1565‐ 1573, 2008. [34] B. Murari, C. Contiero, R. Gariboldi, S. Sueri, and A. Russo, “Smart power technologies evolution,” in Thirty‐Fifth IAS Annual Meeting and World Conference on Industrial
Applications of Electrical Energy, Rome, Italy, 2000, p. P10‐P19.
[35] C. Caramel, P. Austin, J. L. Sanchez, E. Imbernon, and M. Breil, “Integrated IGBT short‐circuit protection structure: Design and optimization,” Microelectronics Journal, vol. 37, no. 3, pp. 249‐256, Mar. 2006.
[36] F. Vogt, H. Vogt, M. Radecker, and H. Fiedler, “Smart power with 1200 V DMOS,” in
Proceedings of 9th International Symposium on Power Semiconductor Devices and IC’s,
Weimar, Germany, 1997, pp. 317‐320.
[37] Christian Caramel, “Nouvelles fonctions interrupteurs intégrées pour la conversion d’énergie,” Mémoire de thèse, Université Paul Sabatier ‐ Toulouse III, 2007.
[38] N. Rouger and J.C. Crebier, “Integrated Photoreceiver For An Isolated Control Signal Transfert In Favour Of Power Transistors,” in 20th International Symposium on Power
[39] Nicolas Rouger, “Intégration monolithique des fonctions d’interface au sein de composants de puissance à structure verticale,” Mémoire de thèse, Grenoble INP, 2008. [40] T. Simonot, N. Rouger, and J.‐C. Crebier, “Design and characterization of an integrated
CMOS gate driver for vertical power MOSFETs,” in 2010 IEEE Energy Conversion
Congress and Exposition, Atlanta, GA, USA, 2010, pp. 2206‐2213.
[41] T. Simonot, N. Rouger, and J.C. Crebier, “Conception, intégration 3D et caractérisation d’un circuit de commande CMOS pour transistors de puissance,” in Electronique de
puissance du Futur. EPF, Saint‐Nazaire, 2010.
[42] D. B. Nguyen, “Intégration fonctionnelle autour des composants quatre quadrants avec l’application à la conversion AC/AC,” Mémoire de thèse, Grenoble INP, G2ELab, 2008.
[43] R. Mitova, “Intégration de l’alimentation de la commande rapprochée d’un interrupteur de puissance à potentiel flottant,” Mémoire de thèse, Grenoble INP, 2005. [44] Guillaume Verneau, “Optimisation géométrique de MOSFETs de puissance en vue
d’intégrer l’alimentation de l’étage de commande,” Mémoire de thèse, INPG, G2ELab, 2003.
[45] N. Rouger, J.‐C. Crebier, and S. Catellani, “High‐Efficiency and Fully Integrated Self‐ Powering Technique for Intelligent Switch‐Based Flyback Converters,” Industry
Applications, IEEE Transactions on, vol. 44, no. 3, pp. 826‐835, 2008.
[46] R. Mitova, J.‐C. Crebier, L. Aubard, and C. Schaeffer, “Fully integrated gate drive supply Around Power switches,” Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 20, no. 3, pp. 650‐659, 2005.
[47] J. N. Calata, J. G. Bai, Xingsheng Liu, S. Wen, and Guo‐Quan Lu, “Three‐dimensional packaging for power semiconductor devices and modules,” IEEE Transactions on
Advanced Packaging, vol. 28, no. 3, pp. 404‐412, Aug. 2005.
[48] G. A. Rinne, “Solder bumping methods for flip chip packaging,” in Proceedings 47th
Electronic Components and Technology Conference, San Jose, CA, USA, 1997, pp. 240‐247.
[49] E. Vagnon, J. C. Crebier, Y. Avenas, and P. O. Jeannin, “Study and realization of a low force 3D press‐pack power module,” in IEEE Power Electronics Specialists Conference, Rhodes, Greece, 2008, pp. 1048‐1054.
[50] Z. Liang et al., “Integrated Packaging of a 1 kW Switching Module Using a Novel Planar Integration Technology,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, no. 1, pp. 242‐250, Jan. 2004.
[51] Texas Instrument, “Datasheet CSD86350Q5D.” 2010.
[52] ATKINSON P. and SAVAGE P. R., “The design of complementary VMOSFET power inverters for supplying inductive loads,” Radio and Electronic Engineer, vol. 54, no. 9, pp. 371‐376, 1984.
[53] L. R. Nerone, “A complementary Class D converter,” in The 1998 IEEE Industry
Applications Conference, St. Louis, MO, USA, pp. 2052‐2059.
[54] S. Busquets‐Monge et al., “Power converter design optimization,” IEEE Industry
Applications Magazine, vol. 10, no. 1, pp. 32‐39, Jan. 2004.
[55] T. De Oliveira, M. Sylvain, G. Jean‐Michel, J.‐L. Schanen, and A. Perregaux, “Reduction of conducted EMC using busbar stray elements,” in Applied Power Electronics Conference
and Exposition, 2009. APEC 2009. Twenty‐Fourth Annual IEEE, 2009, pp. 2028‐2033.
[56] Shuo Wang, F. C. Lee, and J. D. van Wyk, “A Study of Integration of Parasitic Cancellation Techniques for EMI Filter Design With Discrete Components,” Power
Electronics, IEEE Transactions on, vol. 23, no. 6, pp. 3094‐3102, 2008.
[57] J. Biela, A. Wirthmueller, R. Waespe, M. L. Heldwein, K. Raggl, and J. W. Kolar, “Passive and Active Hybrid Integrated EMI Filters,” Power Electronics, IEEE
Transactions on, vol. 24, no. 5, pp. 1340‐1349, 2009.
[58] C.I.F, “PHOTOPOSITIF ALUMINIUM PCB.” Datasheet, Aug‐2003. [59] IXYS, “Datasheet IXFH 120N20P.” 2004.