Support de cours sur les composants électronique de puissance
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Support de cours sur les composants électronique de puissance en PDF
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Première partie I
Structure des composants de puissance
Objectifs de cette présentation
Savoir choisir un composant actif de puissance
- Grandeurs associées aux composants actifs de puissance
- En connaître les différentes familles
Vous donner des éléments de technologie
- Savoir comment est fabriqué un composant
- Voir l’influence de la fabrication sur les performances
Discuter un peu des développements futurs
- Quels sont les axes de recherche ?
- Quelles sont les évolutions à venir ?
Tendances de l’électronique de puissance
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-000.jpg)
Nouvelles applications
Énergies renouvelables
Automobile
- Véhicules hybrides/électriques
- Haut rendement
- Bas coût
Aéronautique
Tendances de l’électroni
Tendances de l’électronique de puissance
Élargissement des domaines d’application
mW-W
W-kW
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-009.jpg)
kW-MW
MW-GW
Station du réseau HVDC néo-zélandais (350 kV) Source : wikipedia
- Mêmes principes à toutes les échelles
- Multiplication des convertisseurs
- Apport de nouvelles fonctionnalités au système
- vitesse variable
- véhicule hybride
Tendances de l’électronique de puissance
Amélioration des performances
Compacité
- Augmentation des densités de puissance
- Augmentation de tension/courant/fréquence
Rendement
I Réduction des pertes, donc du refroidissement
I Augmentation d’autonomie. . .
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-012.jpg)
Fiabilité
- Résistance au cyclage thermique
- Très longue durée de vie (30 ans)
Tendances de l’électronique de puissance
Amélioration des performances
Compacité
- Augmentation des densités de puissance
- Augmentation de tension/courant/fréquence
Rendement
- Réduction des pertes, donc du refroidissement
- Augmentation d’autonomie. . .
Fiabilité
- Résistance au cyclage thermique
- Très longue durée de vie (30 ans)
Tendances de l’électronique de puissance
Amélioration des performances
Compacité
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-017.jpg)
- Augmentation des densités de puissance
- Augmentation de tension/courant/fréquence
Rendement
- Réduction des pertes, donc du refroidissement
- Augmentation d’autonomie. . .
Fiabilité
- Résistance au cyclage thermique
- Très longue durée de vie (30 ans)
…
Rappels de physique du semiconducteur – le dopage intrinsèque
- l’agitation thermique crée des paires électrons-trous ni ∝ e −Eg 2kT , k constante de Boltzmann, T température absolue, Eg largeur de bande interdite. pour Si, ni ≈ 1010cm−3 à 300K
- ajout d’atomes pentavalents (donneurs) : excès d’électrons, dopage N
- ajout d’atomes trivalents (accepteurs) : excès de trous, dopage P
- Ordres de grandeur : Si : 1023 atomes/cm3 . Densité de dopants : 1016 à 1019/cm3
- Charges positives fixes
- Charges négatives mobiles
- au repos, neutralité électrique
- électrons évacuées : charge d’espace positive.
… …
Exercices
On considère une jonction PN avec des dopages P (NA) très largement supérieurs au dopage N (ND)
I dessinez le profil du champ électrique de cette jonction.
On nommera −Emax la valeur de E à l’interface P/N
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-019.jpg)
I donnez l’expression de E(x) en considérant x = 0 à l’interface P/N
I donnez l’expression de la largeur de la zone de charge d’espace w
I donnez l’expression de la tension supportée par la jonction
En considérant r = 11, 7 pour le silicium,
0 = 8.85.10−14 F.cm−1
, q = −1.6.10−19 C, un niveau de dopage de 1014
.cm−3 et un champ de claquage EBD = 2.105 V.cm−1
I Donnez la largeur de la zone de charge d’espace et la tension maximale que cette jonction peut supporter.
La diode bipolaire, base des composants actifs
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-020.jpg)
I présente dans (presque) toutes les structures
I Jonction PN avec zone faiblement dopée N
(N −, ν ou i pour intrinsèque)
I Responsable de la tenue en tension du composant
Polarisation directe
I à faible courant, forte résistivité de la couche ν (faible dopage)
I à fort courant, les zones P+ et N+ injectent des porteurs dans la zone ν (modulation)
I beaucoup plus de porteurs libres ➜ fort dopage apparent➜ faible résistivité
I ces charges devront être évacuées lors de l’ouverture de la diode
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-021.jpg)
➜ recouvrement
I Il y a un compromis entre diodes rapides (faible recouvrement) et faibles pertes en conduction (forte modulation)
➜ recombinaison des porteurs, non traitée ic
Paramètres de conception
Objectif : créer une diode avec la plus forte tenue en tension inverse, et la plus faible chute de tension en direct
Une diode polarisée en inverse
I La surface colorée ∝ V
I les pentes de E ∝ dopage
I lorsque V augmente, la ZCE s’étend
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-022.jpg)
I si Emax>Ecritique : claquage
I si on réduit le dopage de la zone ν, E diminue
Paramètres de conception :
I Niveau de dopage ND de la zone ν (définit le profil de E)
I Largeur W de la zone ν (modifie la “résistance” en direct)
I Tension à supporter en inverse
Exercices
On considère une jonction PνN avec un dopage P et N+ très largement supérieur au dopage ν (ND)
I dessinez le profil du champ électrique de cette jonction, en considérant que la zone de charge d’espace remplit largement la couche ν. On nommera −Emax la valeur de E à l’interface P/ν et −E2 la valeur de E à l’interface ν/N+
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-042.jpg)
I donnez l’expression de E(x) en fonction de Emax en considérant x = 0 à l’interface P/ν
I donnez l’expression de la tension supportée par la jonction
En considérant r = 11, 7 pour le silicium,
0 = 8.85.10−14 F.cm−1
, q = 1.6.10−19 C, un niveau de dopage de 1014
.cm−3 et un champ de claquage
EBD = 2.105 V.cm−1
I Donnez la tension maximale que cette jonction peut supporter pour une largeur de zone ν de 100 µm
Optimisation de la structure
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-044.jpg)
I ligne diagonale :
limite du champ
critique, structure PN
I Courbes
horizontales :
structure PνN
image source : “Dispositifs de l’électronique de puissance”, J. Arnould et
- Merle, 1992, Hermès, Paris, tome 1, p 235)
Protections périphériques
I Champ électrique supporté par le silicium : 20 V/µm, dans l’air : 2 à 6 V/µm
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-045.jpg)
I Création de défauts cristallins lors de la découpe des puces
I Dispositifs spécifiques en périphérie pour supporter la tension
I objectif : assurer l’étalement des lignes de champ électrique dans tout le composant
Comportement dynamique
I Les charges injectées durant la conduction doivent être évacuées
➜ Phénomène de recouvrement
I Réduction du recouvrement ➜ dégradation conduction
image source : “Dispositifs de l’électronique de puissance”, J. Arnould et P. Merle, 1992,
Hermès, Paris, tome 1
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-060.jpg)
Diodes – Résumé
En résumé :
I Une diode supporte une forte tension si :
I Elle possède une zone faiblement dopée et relativement large
I Elle aura de faibles pertes en conduction si :
I on a une forte modulation dans la zone faiblement dopée, et que celle-ci est étroite (durée de vie des porteurs)
I Elle aura de faibles pertes en commutation si :
I il y a peu de modulation de la zone faiblement dopée (recouvrement faible)
.. ...
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-061.jpg)
MOSFET – contributions à la résistance à l’état passant
I Composant unipolaire : pas de modulation
➜ résistivité définie par le dopage
I RS : résistance de source (y compris externe)
I Rch : résistance du canal (modulée par la grille)
I Rn : résistance de la zone N−
I RD résistance de drain (y compris externe)
MOSFET – structure cellulaire
La composante Rch est proportionnelle à la largeur de canal du
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-074.jpg)
MOSFET
➜ structure cellulaire pour augmenter la densité de canal
I Différentes géométries existantes (cellules carrées, hexagonales, en bandes. . .)
I Réduction de la taille cellulaire pour augmenter encore la densité (1-2 µm par cellule actuellement)
...
IGBT
I Grossièrement équivalent à un MOSFET pilotant un transistor bipolaire
I simplicité de commande du MOSFET (grille isolée)
I performance à fort courant du transistor bipolaire
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-137.jpg)
I 1-3 V de chute de tension à l’état passant
I Composant bipolaire, donc à résistance à l’état passant plus faible
Exercices
Sur la caractéristique précédente, que l’on considérera graduée en ampères sur l’axe y :
I Indiquez où se trouve la caractéristique à l’état bloqué
I Indiquez la caractéristique à l’état passant à préférer
I Donnez les pertes en conduction minimales à 20 A. à quelle condition sont-elles obtenues ?
... ...
Vue d’ensemble
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-139.jpg)
I Fabrication du matériau semiconducteur monocristallin
I découpe en tranches (wafers)
I réalisation des composants sur les wafers (dopage, gravure, dépôt d’oxyde, métallisations . . .)
I plusieurs dizaines ou centaines d’étapes
I traitement collectif (plusieurs centaines ou milliers de composants à la fois)
I test électrique sous pointes
I Découpe des wafers en puces
I Montage dans un boîtier
I Test final
![](/images/remos_downloads/detail/112/id-11246.11246.pdf-145.jpg)