Validation du fonctionnement de l’architecture

Les composants sont maintenant associés de façon discrète et insérés dans une cellule de commutation identique à celle proposée dans le chapitre 2. Cette étape est réalisée à l’aide de l’outil MIXED-MODE de SENTAURUS TCAD qui permet de coupler des composants 2D issus de la simulation physique à des éléments de type SPICE.

Chapitre 3 Interrupteur auto-commuté à IGBT

123 Comparaison des modes de blocage par NMOSFET et par thyristor

Dans un premier temps, afin d’effecter un choix sur la nature de l’interrupteur de blocage à utiliser (thyristor ou NMOSFET), nous limiterons les simulations à la seule phase de fonctionnement allant de la détection du courant maximum jusqu’à l’ouverture de l’interrupteur principal.

Pour simplifier l’étude, l’auto-alimentation sera remplacée par la mise en série d’une source de tension de 10 V et d’une résistance RG de 50 Ω connectée à la grille de l’IGBT (figure 21). Seuls l’IGBT sense et l’interrupteur de blocage sont des composants issus de la simulation physique 2D.

Figure 3. 21 : Circuit de simulation de la mise en court-circuit de la grille de l’IGBT

Dès que le courant IG du générateur est positif, l’IGBT devient passant et le courant principal IA = IG (figure 21). La croissance linéaire de IA entraîne l’augmentation du courant délivré par l’électrode de sense (Isense).

Dans la solution utilisant un NMOSFET de blocage (figure 22 a), le courant Isense circule à travers une résistance de sense (Rs). C’est l’évolution de la tension VS aux bornes de cette résistance qui va permettre d’atteindre la tension de seuil du NMOSFET de blocage (t= 1,3^e-2 s - IA = 2,8 A) et conduire à l’ouverture de l’IGBT par la mise en court-circuit des électrodes de grille et de cathode. Il est important de noter que, dès que le courant dans l’IGBT commence à décroître, l’effet de blocage du NMOSFET a tendance à diminuer, et comme le montrent les chronogrammes de simulation de la figure 22.a, l’ensemble NMOSFET-IGBT entre dans un mode de fonctionnement linéaire (limiteur de courant). Dans la structure complète, c’est par le biais de la cellule de maintien de blocage (M4 – ZD – M3) que l’on parviendra à obtenir le blocage définitif de l’IGBT.

L’analyse des résultats de simulation montre que le courant de disjonction est supérieur à 2 A. Cela est dû à la valeur excessive de V_S qu’il faut atteindre pour entraîner la mise en conduction de l’interrupteur de blocage. En effet, l’augmentation de VS entraîne une

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diminution de V_GS et le canal sous la grille de l’IGBT devient de plus en plus résistif. La valeur du courant total correspondant à une tension V_S de 4 V (tension de seuil du MOS de blocage) est plus élevée que prévue. Cette solution ne permettra donc pas de régler avec précision la valeur du courant de disjonction.

Cependant, ce problème ne se pose pas si l’on utilise un blocage par thyristor puisque ce dernier est commandé en courant. Ainsi, pour t= 8 ms, le courant IA atteint 2 A, la tension de sense est voisine de 0,7 V (figure 22 b) et le thyristor se déclenche entraînant l’ouverture de l’IGBT par la mise en court-circuit des électrodes de grille et de cathode. Nous voyons donc que dans le cas d’un blocage par thyristor on obtient d’une part une meilleure précision sur la valeur du courant de disjonction et d’autre part un gain en terme de chute de tension aux bornes du dispositif (car VS est moins importante).

a b

Figure 3. 22 : Étape de court-circuit grille-cathode de l’IGBT à l’aide des solutions blocage par NMOSFET (a) et blocage par thyristor (b)

Ces dernières remarques nous conduisent à écarter la solution de blocage par NMOSFET et de ce fait la suite de l’étude ne portera donc que sur la solution blocage par thyristor.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 2 4 6 8 10 12 0 0,005 0,01 0,015 0,02 Ia Vgrille IGBT Vsense C o u ra n t (A ) ^Te_n s io n s (V ) Temps (s) 0 0,5 1 1,5 2 0 2 4 6 8 10 12 0 0,005 0,01 0,015 0,02 Ia Vsense Vgrille IGBT C o u ra n t (A ) ^Te n s io n s ( V ) Temps (s)

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125 Cycle complet de fonctionnement

Figure 3. 23 : Circuit de simulation de la solution avec blocage par thyristor

L’architecture complète est simulée dans les mêmes conditions que la première solution basée sur un thyristor-MOS auto-amorçable (figure 23). Tous les composants de l’architecture sont des structures 2D, mis à part le condensateur qui est un composant de type SPICE.

Lors de la première alternance positive du courant IG, le condensateur de l’auto-alimentation n’est pas chargé et ne permet donc pas la mise en conduction de l’IGBT (figure 24). La diode de roue libre se met à conduire et entraîne l’augmentation de la tension VAK aux bornes de l’interrupteur. Cette tension est transmise par l’intermédiaire du NMOSFET M4 à la grille du PMOSFET MP, à celle du NMOSFET M3 et à celle du NMOSFET M1. La grille de M3 se charge, entraînant sa mise en conduction et le court-circuit de la grille de l’IGBT. En même temps, la grille de M1 se charge et le courant qui traverse ce transistor vient charger le condensateur de l’auto-alimentation à une tension (Vzéner – VTHM1 - V_D). L’augmentation de la tension aux bornes du condensateur entraîne l’ouverture du transistor MP. Ainsi, d’une part on isole la grille de l’IGBT de l’auto-alimentation, et d’autre part on évite la décharge du condensateur à travers M3.

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Figure 3. 24 : Cycle complet de fonctionnement avec blocage par thyristor.

Quand I_G s’annule, la diode de roue libre s’ouvre. Le courant IG du générateur devient négatif, la diode antiparallèle AD se met à conduire et la tension V_AK aux bornes du dispositif s’effondre à -0,7 V. Cette tension est appliquée par l’intermédiaire de M4 à :

– la grille du NMOSFET M3 qui se décharge et libère le blocage de l’IGBT.

– la grille de MP qui se met à conduire et permet ainsi au condensateur de l’auto-alimentation de charger la capacité d’entrée de l’IGBT.

Lorsque le courant IGs’annule, la diode antiparallèle AD s’ouvre. Puis IG devient positif à nouveau et comme l’ordre de blocage a été supprimé et que le condensateur est relié par MP à la grille de l’IGBT, celui-ci se met à conduire. Le courant IG fournit par le générateur circule alors à travers l’IGBT et constitue le courant principal IA de l’interrupteur.

Lorsque IA atteint le niveau de limitation fixé à 2 A, le thyristor de blocage se déclenche comme vu précédemment et arrête la conduction de l’IGBT. Le courant IA s’annule, la diode de roue libre entre en conduction et la tension VAK aux bornes du dispositif augmente. Cette tension est alors appliquée sur la grille du transistor M3 qui se met en conduction et vient maintenir le court-circuit de la grille de l’IGBT.

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3. Intégration de l’auto-alimentation

La brique d’auto-alimentation réalise une fonction de stockage autonome. Sa réalisation monolithique, qui n’a jamais été proposée, est complexe car elle doit associer sur une même puce de silicium des composants actifs (dans notre cas un NMOSFET vertical à canal préformé et une diode basse tension) et un condensateur de forte capacité (dans notre cas 12,5 nF) pour stocker une énergie suffisante. La réalisation d’une capacité planaire, qui aurait simplifié l’intégration, ne peut être envisagée car les faibles densités qu’elle présente (de l’ordre de 0,63 nF/mm2

pour une épaisseur de SiO2 de 55 nm) entraineraient une surface de silicium trop importante pour le condensateur. Nous avons donc choisi de réaliser un condensateur tridimensionnel [60] qui permet d’atteindre une densité de capacité plus élevée de l’ordre de 45 nF/mm2

. Son principe consiste à graver des pores dans le substrat de silicium, et ainsi d’augmenter la surface des électrodes tout en gardant une surface sur la puce minimale.

Pour intégrer monolithiquement l’auto-alimentation, nous allons modifier le procédé technologique de la filière flexible pour permettre la réalisation d’un condensateur 3D. Puis nous étudierons les interactions électriques qui peuvent se créer dans le volume de silicium entre les composants actifs et le condensateur.