Commande optique intégrée en technologie CMOS pour les transistors de puissance

par Davy Colin

Thèse de doctorat en Genie electrique

Sous la direction de Nicolas Rouger.

Le président du jury était Nicolas Ginot.

Le jury était composé de Marc Cousineau, Xavier Saboret, Jean-Christophe Crebier.

Les rapporteurs étaient Stéphane Lefebvre.


  • Résumé

    Le mémoire de thèse est structuré en 3 chapitres. Le 1er chapitre présente le contexte de forte vitesse de commutation et de forte intégration en électronique de puissance, dans lequel s’inscrit cette thèse. Les fonctions et les enjeux de l’organe de commande rapprochée (« gate driver ») sont présentés. L’intégration du gate driver en technologie CMOS AMS 0.18 µm HV est présentée puis, plus particulièrement, l’intégration des fonctions optiques. Le 2e chapitre concerne l’étude de la transmission et de la modulation des charges à travers la barrière d’isolation optique. Un amplificateur en courant configurable a été dimensionné afin de pouvoir faire varier la résistance de grille. Une alimentation optique est intégrée en technologie AMS H18, comprenant une cellule PV et un convertisseur DC/DC à capacités commutées. Dans le 3e chapitre, 2 approches ont été développées pour la transmission du signal, la transmission dite en bande de base où les ordres de commande optiques sont l’image directe de la modulation en largeur d’impulsion (MLI), et la transmission dite numérique série où les changements d’état sont envoyés avec une trame haute fréquence. Un circuit de gestion logique et une horloge interne ont été conçus. La transmission numérique permet l’envoi d’information telle que la configuration de la résistance de grille. Le dimensionnement des circuits prend en compte une large plage de température de fonctionnement (-40°C à 140 °C), ainsi que les contraintes dues à l’alimentation optique (variation de la tension d’alimentation) et à l’alignement optique (variation du photo-courant généré).

  • Titre traduit

    CMOS integrated optical gate driver for power transistors


  • Résumé

    The thesis dissertation is composed of 3 chapters. The 1st chapter introduces the thesis context of fast switching transients and highly integrated power electronics circuits. The functions and the issues of the close gate driver are presented. The gate driver is integrated in the AMS 0.18 µm technology with its optical functions. The second chapter deals with the transmission and modulation of the gate driver charge through the optical isolation barrier. A configurable buffer is designed in order to modulate the gate resistance value. An optical supply including a PV cell and a switched capacitors DC/DC converter is integrated. In the third chapter, two approaches are developed for the gate signal transfer. For the baseband analog transmission, the optical signal is a direct image of the pulse width modulation (PWM) signal whereas in the digital series transmission, only the commutation orders are transmitted in a high frequency frame. A logic circuit and an integrated clock are designed. The digital transmission allowed the transfer of information such as the gate resistance configuration. Large temperature range (-40°C to 140°C), optical supply constraints (supply voltage deviation) and optical alignment (photocurrent value deviation) are considered for the integrated circuits design.


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