Conception et réalisation de protections intégrées sur puce silicium et développement de nouvelles cellules de commutation monolithiques pour convertisseur de puissance

Design and realization of integrated protections on silicon chip and development of new switching cells for power converters

• Auteur / Autrice : Amirouche Oumaziz
• Direction : Frédéric Richardeau, Abdelhakim Bourennane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 18/10/2021
• 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 Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....) - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Planson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Richardeau, Abdelhakim Bourennane, Emmanuel Sarraute
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Zoubir Khatir, Nathalie Batut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors bipolaires à grille isolée

Fusibles (électricité)

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Dual-fuse

Convertisseurs de puissance

Cellules de commutation

Court-circuit

Active-fuse

Power converters

Switching cells

Short-circuit

Résumé

Les convertisseurs de puissance sont aujourd'hui largement déployés dans plusieurs applications du quotidien qui requièrent un grand niveau de sécurité, de fiabilité et de disponibilité. Afin de répondre à ces exigences, il a fallu fonctionnaliser les modules de puissances avec des cellules de commutations à tolérance de panne et la possibilité de faire de la redondance, afin de pouvoir continuer à opérer même en cas de défaut. Ces fonctions évoluées sont assurées par le rajout de protections électroniques, des composants tels que des fusibles, des composants de puissance auxiliaires, pour permettre la connexion de bras secours. Dans cette thèse, on traite deux thématiques d'intégration d'électronique de puissance, dans l'idée de proposer des solutions d'intégration plus poussées, qui aspirent à rendre les convertisseurs de puissance, plus sécurisés et plus compacts. Dans un premier temps, on s'intéresse à l'intégration de fusibles de manière monolithique sur des composants de puissance verticaux qui composent les cellules de commutations à tolérance de panne. Cette approche permettrait de produire des composants auto-sécurisés, capable d'isoler le défaut rapidement, sans le propager. La seconde thématique de cette thèse, concerne la proposition et l'étude de nouvelles architectures de cellules de commutations complètement monolithique, réalisées verticalement sur une seule puce silicium. On s'intéresse notamment à l'intégration de bras de convertisseurs composé de transistors IGBT (type P et N) et VDMOS (type P et N). L'utilisation de composants type P reste limité dans les structures de convertisseurs de puissance. Néanmoins, la démarche d'intégration monolithique sur une seule puce, avec d'autres composants de type N, reste très intéressante pour des applications spécifiques. Pour valider ces approches d'intégration proposées, des fusibles 10A/200V ont étés dimensionnés et réalisés par croissance électrolytique conforme avec une résolution micro-métrique sur puce silicium. Une zone tampon en époxy a été introduite localement dessous les constrictions fusibles pour isoler thermiquement ces dernières du substrat silicium. Ce matériau permet aussi de protéger la puce d'une ablation par le plasma d'arc. La tenue en tension latérale a été renforcée par une couche de nitrure à l'interface fusible - puce. Il a aussi été montré que le gel silicone présent dans les modules de puissance permettait d'absorber efficacement et de passiver dans le volume les vapeurs métalliques issues de la fusion des constrictions. Une approche générique de dimensionnement électrothermique 3D de ces fusibles a été menée sous ComsolTM. Les principales architectures ont été optimisées sous contraintes de température et de surface d'implantation. La meilleure d'entre-elles, basée sur un agencement série - parallèle présente un gain en compacité et en sensibilité I²Tp cinq fois meilleurs que ceux du commerce. [...]

Power electronic converters are widely used in different applications requiring high reliability and availability. In order to address these requirements, the power modules have been enhanced to include features like redundancy, through fault tolerant switching cells, which allows to guarantee continuity of service. These evolved features are performed by adding electronics protections, using components like diodes, fuses, thyristors, to allow the connection of a back-up leg. In this thesis, two power electronic integration issues are studied through design simulations and realization in order to provide more compact and secured power modules. First, fuses made of thin copper layer deposited on silicon power diodes, used in fault tolerant switching cells, are designed and simulated using finite elements methods. The main objective is to produce auto-secured components, able to perform quick fault isolation, with very low fuses break-up energies. The second subject of this work concerns the study and development of new fully monolithic integrated switching cells on the same silicon chip. More specifically, the work deals with the integration of an inverter leg composed of IGBT (type N and P) and VDMOS (type N and P) components. For power conversion applications, the use of P-type power devices is very rare as compared to N-type power devices. This is mainly due to the poor on-state characteristics of P-type power devices as compared to their N-type counterparts. However, the association of P-type and N-type transistors, for specific applications, can make easier the monolithic integration in one chip of the phase leg. In order to validate the proposed integration approaches, 10A/200V fuses were designed and realized by uniform copper electrolytic growth, with micrometric resolution, on silicon substrate. In order to thermally isolate the fuses constrictions from the silicon substrate, a buffer layer of epoxy has been introduced between them. The material also allows to protect the silicon chip from breakdown due to plasma arc during the fuses cut-off. When the constrictions evaporate, the fuses have to sustain the rated voltage, without important leakage current. In order to ensure this feature, a thin nitride layer is added between the fuses and the silicon substrate. Power modules provided silicone gel showed interesting results regarding the passivation of vaporized metallic particles during fuses cut-off. A generic electrothermal design approach using ComsolTM has been used to design 3D fuses models. The different fuses designs have been optimized according to their maximum allowed temperature and occupied surface. The serial and parallel configuration is the most compact fuses design, with an I2T ([A2.s]) at least five times lower compared to commercially available fuses. Once the design experimentally validated, the process is updated and reported on vertical power diodes. The proposed monolithic switching cells integration based on IGBT and VDMOS components consists on mutualizing the common backside regions of the two components in one single silicon chip. Compared to the former work regarding converter leg integrations, this approach does not require any isolating through wall, which eases the realization process. [...]