Intégration des fonctions de protection avec les dispositifs IGBT

Detection and protection function integrated with insulated gate bipolar transistor

• Auteur / Autrice : Julie Le Gal
• Direction : Jean-Louis Sanchez, Patrick Austin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Conception de circuits microélectroniques et microsystèmes
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Courts-circuits

Transistors bipolaires à grille isolée

Mots clés libres

Igbt

Court-circuit

Intégration de puissance

Protection

Simulation TCAD

Semi conducteur

Résumé

La fiabilité et la disponibilité des systèmes de gestion de l'énergie sont les conditions de base pour la généralisation de solutions électriques dans de nombreuses applications. Les dispositifs de puissance doivent être performants seulement en régime normal, mais aussi en régimes extrêmes, par exemple lors des courts-circuits. Pour cela, les interrupteurs de puissance sont associés de façon discrète à des systèmes de détection et de protection. Une solution pour améliorer la fiabilité des dispositifs consiste à intégrer monolithiquement, au sein d'une même puce, l'interrupteur et les fonctions de détection et de protection. Ces dispositifs intégrés exploitent les interactions électriques qui apparaissent dans la puce pour détecter la défaillance et ainsi la stopper. L'interrupteur de puissance est ainsi protégé et se remet en conduction une fois la défaillance corrigée. Les composants de puissance seront ainsi capables de se protéger lors d'une défaillance. L'objectif de cette thèse est de proposer des solutions d'intégration de fonctions de protection et de diagnostic rapprochées avec les dispositifs IGBT afin d'augmenter la fiabilité et la disponibilité des systèmes de puissance. Les fonctions de protection sur lesquelles nous nous somme focalisée sont le miroir de courant (" Sense ") et le capteur de tension d'anode (" Capteur de tension d'Anode ") pour détecter les courts-circuits. Ces deux capteurs ont été étudiés à l'aide de simulation 2D puis réalisé technologiquement. Un circuit de détection et de protection des IGBT contre les courts-circuits, comprenant le capteur de tension d'anode intégré monolithiquement, est proposé et simulé. Les tests électriques des capteurs en mode statique permettent de mieux comprendre leur comportement. Enfin, l'interrupteur IGBT associé à ses fonctions de détection et de protection est testé de manière discrète dans un circuit de commutation en condition de court-circuit afin de valider le fonctionnement.

Reliability and availability of systems energy management are the basic condition for spread of electrical solutions in many applications. Power devices must perform not only in normal but also in extreme regimes, such as during short-circuits. For this, power switches are combined in discrete manner to systems of detection and protection. A solution to improve the reliability of the devices is to integrate monolithically within a single chip, the switch and the functions of detection and protection. These devices exploit the integrated electrical interactions that occur in the hip to detect the failure and thus stop it. The power switch is protected and recovered in condition when the failure is corrected. The power components are able to protect themselves during failure. The objective of this thesis is to propose solutions for integrating protection and detection functions with IGBT devices to increase the reliability of power systems. We focus on two different approaches of detection functions: the current mirror ("Sense") and the anode sensor ("Anode Voltage sensor") to detect short-circuit. These two sensors have been studied using 2D simulation and technological achievements. A detection circuit and IGBT protection against short-circuits, including the anode voltage sensor monolithically integrated is proposed and simulated. The electrical testing of the sensors in static allows a better understanding of their behavior. Finally, the IGBT associated its detection and protection in tested in hybrid under short-circuit to validate the operation.