Conception et réalisation d'un interrupteur bidirectionnel silicium pour des applications secteur : le transistor BipAC

Design and realization of a silicon bipolar ac switch for mains applications : BipAC transistor

• Auteur / Autrice : Hiba Rizk
• Direction : Abdelhakim Bourennane, Frédéric Morancho
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanosystèmes
• Date : Soutenance le 04/05/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Interrupteurs électriques

Transistors de puissance

Mots clés libres

Interrupteur bidirectionnel monolithique

AC-switch

Triac

BipAC

Applications secteur

Faibles pertes

Monolithic bidirectional switch

AC-switch

Triac

BipAC

Mains applications

Low power losses

Résumé

Ces travaux s'inscrivent dans le contexte de la gestion de l'énergie électrique dans les applications domestiques 230V - 50Hz. Le niveau de puissance visé se situe aux environs de la centaine de watts, et les structures de conversion utilisent des interrupteurs bidirectionnels bicommandables réalisés aujourd'hui à l'aide d'associations anti-série de composants de type MOS. Malgré les améliorations apportées par certains de ces dispositifs, leur coût de fabrication reste encore élevé et limite leur plus large diffusion sur ce marché partagé avec le triac à ce jour. Nous proposons une architecture de structure bipolaire bidirectionnelle en courant et symétrique en tension appelée BipAC. Le BipAC est une structure verticale bidirectionnelle, contrôlable à la fermeture et à l'ouverture, réalisable sur substrat N (BipAC PNP) ou P (BipAC NPN). Sa faible chute de tension à l'état passant et sa commande ON/OFF avec une seule électrode de référence la rendent intéressante pour des applications spécifiques à faible niveau de courant (<1A). L'étude de la structure BipAC s'appuie sur des simulations physiques 2D effectuées à l'aide du logiciel SentaurusTM. Afin d'améliorer le gain en courant de la structure BipAC initiale, une nouvelle version du BipAC a été proposée et validée par des simulations physiques 2D (de type process et électrique). Ensuite, des masques sont conçus sous le logiciel CadenceTM. La structure initiale est réalisée sur les deux types de substrat et pour deux épaisseurs différentes de chaque type. La fonctionnalité du BipAC est validée par des caractérisations électriques.

This thesis work deals with the design of an AC switch structure for specific ac mains applications 230V - 50 Hz. The targeted power level is about a hundred watts, and the currently used converter circuits make use of bidirectional switches that are realized using anti-series connected MOS transistors. Despite the improvements in performance provided by some of these structures, their fabrication cost is still high and limits their widespread diffusion in a market shared with the triac. We propose a current and voltage bidirectional bipolar device called a BipAC. It can be realized in an N-substrate (PNP BipAC) or a P-substrate (NPN BipAC). It can be controlled both to turn-on and turn-off with respect to a single reference electrode. It exhibits a very low on-state voltage that makes it attractive for specific mains applications with low load current (< 1A rms). The study of the BipAC structure is carried-out using 2D SentaurusTM physical simulations. In order to improve the current gain of the initial BipAC structure, a new version of the BipAC structure is proposed and its operating modes validated using 2D physical simulations (both process and electrical). Masks were then designed under CadenceTM software. The initial BipAC structure is realized on N and P substrates and for two different thicknesses. The operating modes of the monolithic bidirectional BipAC switch were validated through electrical characterizations.