La validation d’un système électronique, qu’il soit intégré sur une puce ou réalisé sous forme de cartes, est encore essentiellement basée sur des logiciels de simulation. Ceux-ci font appel à des modèles des différents éléments utilisés, qui en décrivent le comportement, c’est à dire les relations entre les signaux présents sur les points d’entrée/sortie (E/S). Ainsi, lors de la conception de circuits intégrés tels qu’un amplificateur opérationnel ou une porte logique, des modèles de composants (transistors, diodes, résistances, capacités,...) sont utilisés par un simulateur électrique, dit analogique (le programme SPICE est sans doute le plus connu) [93]. Ces modèles décrivent les
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différentielles. Il s’agit donc d’une représentation mathématique de phénomènes physiques auxquels obéissent les composants. La modélisation comportementale désigne plutôt une représentation fonctionnelle de haut-niveau, par opposition à une représentation structurelle, et qui est indispensable à la validation de circuits complexes [94], comportant un grand nombre d’amplificateurs ou de portes. En effet, les capacités de convergence des simulateurs analogiques sont fortement conditionnées par le nombre de transistors. Même si de nouvelles techniques de simulation plus rapides sont développées, cette limitation ne peut être résolue qu’en adoptant une approche hiérarchique multi-niveaux, consistant à décomposer le système en un ensemble de blocs fonctionnels. Le schéma de chaque bloc, ou de seulement certains d’entre eux, peut alors être remplacé par une description approchée uniquement fonctionnelle et plus abstraite. La définition de cette représentation est l’objet de la modélisation comportementale [95].
II.5.1. Méthodologie de la macro-modélisation
Pour décrire de façon structurelle, SPICE a défini un langage pour la modélisation des fonctions analogiques appelé macro-modélisation. Ce type de modélisation est utilisé comme une modélisation comportementale. Les macro-modèles sont implantables sur n’importe quel outil de simulation à base de Spice.
Nous savons tous que le réseau ou circuit électrique décrit en Netlist de type SPICE est analysé par le simulateur lui-même pour construire un système d’équations basées sur les lois de Kirchhoff, donc, basées sur une loi de conservation d’énergie et sur les équations des composants. La macro-modélisation consiste à remplacer une partie d’un circuit ou d’un système par un autre modèle structurel plus simple (nombre de nœuds réduit) et plus près du circuit initial. Dans un autre sens, la macro-modélisation consiste à satisfaire des spécifications externes sans regarder la topologie initiale du circuit. Le choix de l’un ou de l’autre, dépend du niveau d’abstraction. Le but essentiel de la macro-modélisation est de réduire la taille du circuit et de réduire ainsi le temps de simulation. Les macro-modèles sont construits à partir d’un nombre réduit de composants idéaux. Les composants utilisés sont des composants primitifs de SPICE [96]. Nous pouvons inclure des éléments passifs (résistance, capacité, etc.), des sources dépendantes et indépendantes, et des modèles non linaire de bas niveau comme les diodes et les transistors bipolaires ou MOS de niveau 1 de SPICE [97] [98]. Les sources contrôlées (sources dépendantes) sont des éléments idéaux qui permettent d’exprimer des relations mathématiques entre les courants et les tensions.
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II.5.2. La Macro-Modélisation utilisant Pspice-Orcad
La macro modélisation consiste à décrire le comportement d’un circuit par l’utilisation des primitives d’un simulateur. Ces primitives sont par exemples des diodes, des éléments passifs, mais aussi des sources de tension (ou courant) contrôlées auxquelles on peut associer des équations liant les grandeurs du circuit. Les modèles obtenus par cette approche permettent de réduire considérablement les temps de simulations [99]. Les langages de la modélisation comportementale permettent de développer des modèles de systèmes électriques mixtes (analogique et numérique) mais aussi des systèmes électriques et non-électriques (mécanique, hydraulique, thermique...) par l’utilisation d’une description textuelle. Ces langages sont de plus en plus utilisés. Parmis eux, on notera le langage MAST du simulateur SABER, le langage Verilog-AMS, ainsi que le VHDL– AMS, ORCAD-PSPICE [100].
Le Modèle ABM (Analog Behavioral Modeling) de PSPICE permet de modéliser le comportement d’un composant ou d’un circuit à partir de sources commandées de type tension ou courant linéaires ou non, statiques, temporelles ou fréquentielles.
Le logiciel PSPICE ouvre une autre possibilité : l’écriture d’équations sous forme de schémas blocs (ABM) [101]. Il est notamment possible d’écrire des relations mathématiques liant la grandeur de sortie d’une source (de tension ou de courant) à des grandeurs d’entrée : par exemple, les équations du modèle statique seront représentées par une source de courant (le courant de drain) dont les grandeurs d’entrée seront les tensions VDS et VGS.
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II.5.3. Résultats de simulations (PSpice)
La figure II.25. Représente le composant ajouté à la bibliothèque du simulateur PSpice après implémentation par un sub-circuit écrit en langages PSpice.
Figure II.25. La diode SiC Schottky comme composant dans la bibliothèque PSpice.
Figure II.26. Caractéristiques directes à 25°C, 75°C, 125°C et 175°C de la diode Schottky
II.5.4. Caractérisation dynamique de la diode Schottky
Cette partie décrit le fonctionnement des diodes Schottky en commutation, c'est à dire le comportement de la diode de l'état passant à l'état bloqué, et réciproquement. La diode étant un composant non commandé, la variation des signaux permettant de passer de l'état passant à l'état bloqué ou réciproquement est assurée par le circuit extérieur. Ce circuit extérieur, que nous appellerons cellule de commutation, peut se présenter sous différentes formes: en particulier, il est associé à un interrupteur rapide que la diode Schottky SiC représentera [102]. D'autre part, la variation des signaux (courants et tensions) lors des commutations donne toute son importance aux composants parasites du circuit, d'autant plus que la bande de fréquence sur laquelle s'étend la commutation est importante (vitesse de commutation élevée).
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II.5.5. Conclusion
Le SiC occupe aujourd’hui une place importante dans le développement des composants de puissance. Les récents progrès et l’expérience industrielle acquise ont aboutit à la commercialisation des diodes Schottky en SiC de très bonne qualité. Ces diodes Schottky en SiC sont déjà disponibles sur le marché mais leur commercialisation reste freinée par le coût élevé des substrats.