Le premier des composants passifs à former le filtre de sortie est le condensateur. Pour comprendre le fonctionnement des condensateurs utilisés pour les filtres et assurer le rôle de réservoir d’énergie, le modèle circuit le plus utilisé est un circuit RLC série avec R, représentant la résistance équivalente série (ESR) et L, l’inductance parasite (ESL). L'influence des éléments parasites sur les formes d'ondes relatives à un condensateur fonctionnant en filtre de sortie du 2ème ordre pour un buck est décrit ci-dessous (Tableau I.7).
Condensateur de filtrage d’un buck
Tensions aux bornes des éléments parasites Formes d’ondes
( )
t I . ESR VESR= C( )
∫ = . I t.dt C 1 VC C dt I d . ESL VESL= C V V V VS= ESR+ C+ ESLTableau I.7. Formes d’ondes d’un condensateur de filtrage de sortie d’un buck.
Les éléments du modèle équivalent génèrent des contraintes électriques qui participent au vieillissement du composant [45] :
- La capacité est déterminée par le taux d’ondulation de la tension de sortie pris à α=0,5. Cette valeur doit être élevée pour absorber le taux d’ondulation du courant et ainsi garantir une tension de sortie stable. Toutefois, les dv/dt ne doivent pas être trop importants sous peines de générer des valeurs crêtes de courant très importants.
- Les di/dt imposés par la charge génèrent des surtensions, liées à l’inductance parasite, pouvant détruire le composant.
- La valeur efficace du courant maximal provoque des pertes Joules, au niveau de la résistance des armatures qui provoquent l’échauffement du composant et donc le vieillissement prématuré du diélectrique.
A ces contraintes s’ajoutent également les effets de la fréquence qui génèrent entre autre des pertes Joules supplémentaires dans les armatures, entraînant l’échauffement du composant. Nous rappelons en la figure 1.21 la réponse en fréquence typique d’un condensateur.
VS t 0 VESL t 0 R.ICmax VESR t 0 VC t 0 Vout VC VS
Figure 1.21. Réponse fréquentielle d’un condensateur réel (TDK CKD series [46]).
La courbe présente un minimum pour la fréquence f0 définie par (I.6) correspondant à la
fréquence de résonance du composant et révèle l'influence de l'inductance parasite dans la limitation de la plage fréquentielle d'utilisation du composant. L’utilisation du condensateur doit se faire à une fréquence plus faible que sa fréquence de résonance pour qu’il assure bien sa fonction [24, 45].
C . ESL 2 1 f0 π = (I.6)
Parmi les technologies de condensateurs discret utilisées pour différentes applications de l'électronique, [24, 45-48], les condensateurs électrolytiques sont les plus usités. Ils assurent le filtrage de la tension continue dans les alimentations à découpage avec des valeurs de capacités supérieures à 10 µF allant jusqu’à quelques mF et des tenues en tension entre 6V et 600V sous de forts courants. Ces condensateurs sont généralement très volumineux, d'autant plus que pour des applications imposants des transitoires en courants importants, de fortes valeurs de capacités sont nécessaires. Afin de limiter l'influence des éléments parasites, il est habituel de connecter plusieurs condensateurs identiques en parallèle pour atteindre de fortes valeurs de capacité tout en réduisant la résistance et l’inductance parasite. Cette méthode est souvent appliquée au détriment d’un volume plus important mais va à l'encontre de la nécessaire compacité des étages de conversion pour l'alimentation de systèmes embarqués. Aussi, l'augmentation des fréquences de commutation est nécessaire pour que des composants plus petits en valeur, en volume, et donc présentant des éléments parasites réduits, puissent être employés. Cependant, pour l’instant, l’état du domaine ne permet pas d’envisager à court terme des condensateurs intégrés compatibles aux structures des actifs. Cela reste un domaine de recherche prospectif pour l’intégration de ces composants dans les futurs convertisseurs DC/DC.
En intégration de puissance, aujourd’hui, il n’existe pas de solutions pour intégrer des condensateurs au plus près des autres composants. Si on examine les autres domaines, certains emploient des capacités intégrées. Par exemple, en microélectronique, les condensateurs sont utilisés pour le filtrage, le découplage et l’élaboration de fonctions RF. Les capacités surfaciques oscillent entre 160 et 2500 pF/cm2 selon la topologie utilisée et la surface occupée est importante. Les structures rencontrées sont de type interdigitées à air (1 et 5 pF) (Figure 1.22.a) ou de type MIM (Métal Isolant Métal) qui occupent la gamme entre 1 pF et 100 pF (Figure 1.22.b) [45, 47-48]. Cette dernière souffre d’un encombrement important.
a) Condensateurs interdigités utilisant un champ électrique
horizontal.
b) Condensateur MIM : Utilisation du champ électrique vertical. Figure 1.22. Exemples de topologies de condensateurs intégrés [47-48]
Pour tenter d’augmenter la valeur de capacité d'un condensateur pour les rendre compatibles avec une application de puissance, deux voies sont envisageables:
- le choix du matériau diélectrique. Il doit pouvoir se déposer en couche mince et se distinguer par une tenue en tension de claquage et une constante diélectrique εr élevées et stables en température et
en fréquence. Nous rappelons dans le tableau I.8, les oxydes diélectriques les plus couramment utilisés en microélectronique, leurs tensions de claquage étant supérieures à 106 V/cm [45, 47-48].Pour atteindre de hautes densités de capacité, des matériaux dits « high-k » sont également utilisés mais souffrent d’une mise en œuvre lourde et d’instabilité de la constante diélectrique en fréquence et en température [49]. Les diélectriques visés sont ferroélectriques comme le BaSrTiO3 (εr<1000) et le
BaTiO3 (εr<5000).
Matériau diélectrique Al2O3 SiO SiO2 Ta2O5 Si3N4 Permittivité relative 7 à 10 6 à 8 4 à 5 25 6 à 9 Tableau I.8. Oxydes diélectriques utilisés en microélectronique.
- augmenter la surface des électrodes en changeant de topologie du composant. Cette solution est particulièrement étudiée au LAAS au sein du groupe ISGE. Les structures envisagées allient la capacité P+N-N+ à une structure MOS dont la capacité est constante, fixée par l’épaisseur de la couche d’oxyde, tox. Le principe repose sur le contrôle de l’accès à la capacité MOS, C0, grâce à l’extension de
la ZCE d’une jonction P+N-N+ polarisée en inverse (Figure 1.23). La présence d’une couche d’oxyde, constituant la capacité MOS, accroît considérablement la valeur de la capacité pour de faibles tensions de polarisation.
Figure 1.23. Structures P+
N-/MOS en tranchée.
a) Couche d’oxyde uniquement en surface de la tranchée, b) Couche d’oxyde sur toutes les parois de la tranchée
La figure 1.24, montre que l’allure de la courbe C(V) de ce type de condensateur, reste constante jusqu’à une valeur de tension, V0, appelée tension de transition. Les deux paramètres essentiels, pour
définir les caractéristiques de tels composants, sont l’épaisseur d’oxyde, pour définir la valeur de la capacité et le dopage N-, pour repousser le plus possible la tension de transition V0. Cette structure
permet de contrôler la non-linéarité de ces condensateurs [50-52].
Figure 1.24. Courbe C(V) d’une capacité P+N/MOS.
Bien que l’intégration soit indispensable à la réduction du volume et des éléments parasites de ce composant, nous voyons ici que les solutions microélectroniques actuelles ne permettent pas encore d’atteindre des valeurs de capacité suffisantes pour répondre efficacement au besoin d’un convertisseur complètement intégré. Les structures planaires sont loin d’offrir une densité de capacité suffisante. Des solutions, comme les structures en tranchées pour augmenter la taille des électrodes, sont à l’étude pour augmenter la densité de puissance du composant mais sont confrontées à des difficultés de réalisation qui constituent actuellement un verrou technologique important.
Ainsi, l’intégration de condensateurs, présentant une capacité suffisante pour être utilisée dans un filtre de sortie de convertisseur, est un domaine de recherche ouvert pour lequel de gros efforts technologiques sont à fournir, tant au niveau de la structure que des matériaux. Des travaux sont en cours au sein du groupe ISGE et portent sur le développement de structures en tranchées [52]. La conception du convertisseur peut également prendre en compte ces difficultés en proposant des solutions ne nécessitant qu'une valeur faible de capacité. Hormis par l'augmentation de la fréquence de conversion, une capacité de plus faible valeur peut être utilisée si l'ondulation du courant de sortie est maintenue faible. Ceci est possible grâce à un choix approprié du type de structure (par exemple multiphase) ou par l'utilisation d'une inductance de forte valeur. Le dimensionnement du condensateur se trouve alors lié à celui de l'inductance qui doit être de valeur suffisamment élevée pour minimiser le volume du condensateur de filtrage.