Contribution à l'intégration monolithique de protections contre les surtensions : application aux convertisseurs de puissance haute tension

Contribution to the monolithic integration of overvoltage protection : application for high voltage power converters.

• Auteur / Autrice : M. Fisal Alkayal
• Direction : Robert Perret, Jean-Christophe Crebier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

Un nouveau circuit de protection contre les surtensions a été développé. Dans ce circuit de protection, la partie dissipative est monolithiquement intégrée dans la même puce du transistor à protéger avec aucune modification technologique additionnelle. Cette intégration monolithique tire profit du système de refroidissement du transistor à protéger pour le refroidissement de la partie intégrée. Er même temps, elle réduit au minimum les problèmes de connections entre le transistor à protéger et son système de protection. En plus, la conception de ce circuit de protection permet d'ajuster le seuil de tension de protection. C'est utile pour la mise en série des transistor: pour des applications à haute tension. Un modèle du BJT comme transistor de protection est établi. Ce modèle se distingue des modèle existants car il prend en compte que le BJT fonctionne en mode linéaire. Un modèle thermique de l'ensemble des transistors intégrés évalue le comportement de ces transistors malgré la différence entre leur mode de fonctionnement. Ce modèle donne une meilleure distribution des cellules du transistor de protection dans la puce. Des résultats pratiques à partir des composants MOSFETs autoprotégé que nous avons fabriqués valident la solution proposée. Un démonstrateur de hacheur série utilisant deux MOSFETs autoprotégés en série montre l'efficacité de notre solution.

A new over-voltage protection circuit has been developed. Ln this protection circuit, the dissipative part is monolithically integrated in the same protected power module chip with almost no additional technologie process or modifications. This monolithic integration takes advantage of main switch cooling system to extract over heating. At the same time it minimizes interconnections between the protected transistor and its protection system. This gives high performance results in term of over voltage protection time response and thermal power removal capabilities. Ln addition to that, the design of this protection circuit enables to adjust the protection voltage threshold. This is useful for series transistor in high voltage applications. The design aims to improve the performance and to reduce the cost and the volume of the protection circuit. A model of the BJT as a protection transistor is established. This model is distinguished from the existing models because of taking into account that the BJT is used in linear mode. A thermal model of the whole of the integrated transistors evaluates the behavior of these transistors in spite of the difference between the operating mode. This model gives the better distribution of the protection transistor cells in the chip. Practical results starting from the auto protected MOSFETs components that we manufactured validates the solution suggested. A demonstrator of a buck converter using two auto protected MOSFETs in series shows the effectiveness of our solution.