Soutenance mémoire
Les progrès dans le domaine de l’électronique de puissance sont depuis longtemps liés aux applications, telles que l’informatique, les télécommunications, l’automobile, la distribution et la conversion d’énergie électrique. L’évolution des composants de puissance au cours des vingt dernières années est étroitement liée aux progrès des technologies microélectroniques réalisés dans le domaine des circuits intégrés. En effet, l’essor important des circuits intégrés du traitement du signal et de l’information s’est accompagné d’un effort de recherche qui a conduit au développement de nouveaux procédés technologiques et à la réduction des dimensions. C’est ce qui se produit actuellement dans le secteur automobile.
L’électronique a été introduite dans l’automobile par vagues successives. La première a été initiée en 1974 par des législations sur l’environnement qui ont conduit à l’introduction de commandes de contrôle du moteur. La deuxième a été déclenchée par l’introduction sur le marché de nouveaux dispositifs de sécurité comme l’ABS et l’airbag qui sont apparus respectivement en 1978 et 1982. La troisième vague provient de la large introduction de systèmes électroniques destinés au confort qui a débuté en 1990. La quatrième vague représente l’introduction des systèmes de transport intelligent (Intelligent Transport System) qui sont entrés sur le marché en 1998. La cinquième vague, dont les premiers systèmes sont apparus en 2000, consiste à remplacer les systèmes mécaniques et hydrauliques par des systèmes électroniques.
L’arrivée de la cinquième vague a entraîné l’introduction de nouveaux systèmes électroniques dont les besoins en puissance dépassent les 6kW au lieu des 1 ou 2kW utilisés actuellement. L’introduction de tous ces nouveaux systèmes électroniques engendre une forte augmentation de la puissance nécessaire dans les voitures. Différentes études ont été réalisées afin de définir la tension nominale optimale permettant de répondre aux futurs besoins dans l’automobile. La tension nominale de 42 Volts a été choisie en considérant les aspects sécuritaires et économiques. Cette nouvelle tension nominale impose d’augmenter la tenue en tension des composants de puissance utilisés dans ces systèmes électroniques.
ARRIVEE DES BATTERIES 42V DANS LE SECTEUR AUTOMOBILE ET SON IMPACT SUR LES COMPOSANTS MOS BASSE TENSION
DEFINITIONS DU NOUVEAU RESEAU DE PUISSANCE 42V
De nos jours, le réseau de puissance de 14V, utilisant des batteries de 12V, n’est pas défini de manière très précise. En effet, la gamme de variation définie comme acceptable est très large, ce qui permet des applications très diversifiées. Cependant les composants microélectroniques doivent afficher une gamme de fonctionnement très importante, ce qui implique de forts investissements tant sur les protections que sur les technologies utilisées. lorsque le moteur est en régime de marche : la plage de fonctionnement est définie entre 6V et 18V pour les batteries de 12V (fonctionnant à 13V). Toutefois, les composants semi conducteurs doivent répondre à des surtensions dynamiques de 40V, soit trois fois plus que leur tension nominale et supporter des tensions négatives jusqu’à -13V, en inversion de polarité [GRA1].
La prise en compte de ces extrema implique des coûts de réalisation technologique importants. Afin de remédier à un de ces extrema, négatif par exemple, l’utilisation de détrompeurs à chaque borne de batterie supprimerait les systèmes de protection sur chaque composant, diminuant ainsi le surcoût de production.
Nous avons noté précédemment la présence grandissante des composants électroniques dans les applications automobiles. Afin de réduire le prix des composants, il devient donc nécessaire de diminuer leurs dimensions et de limiter les surcoûts de production. Cependant le passage aux batteries 42V ne sera pas instantané : on assistera à une période de transition pendant laquelle on utilisera des batteries mixtes de 14 et 42 Volts. Lors de consortiums pour la définition du réseau 42V, une modification des caractéristiques du réseau 14V a également été apportée. elle passera de 6V-24V à 9V-16V, la surtension dynamique sera réduite de moitié et l’inversion de polarité ne sera plus autorisée [KAS].
Le réseau de puissance 42 Volts a été défini sur le même principe que le futur 14 Volts [GRA1] [KAS], en interdisant l’inversion de polarisation. Le fonctionnement normal doit être assuré pour des tensions allant de 30 à 48 Volts . Une surtension dynamique de 58 Volts, pendant au maximum 400ms, et une surtension statique, allant jusqu’à 50 Volts, seront permises. Une nouvelle nuance a été ajoutée pour les tensions minimales : elle fait apparaître une hiérarchisation dans l’importance des charges. Toutes les charges doivent pouvoir fonctionner normalement pour une tension de 30 Volts. Le démarrage de la voiture pourra être effectué pour une tension minimale de 21 Volts. Entre 21 et 30 Volts, les différentes applications seront opérationnelles suivant leur importance, les systèmes vitaux (freinage…) seront alimentés avant les applications de confort. La tension minimale de batterie est maintenant fixée à 18 Volts.
En ce qui concerne les contraintes en tension pour les composants semi-conducteurs, elles sont directement liées aux contraintes du réseau de puissance 42 Volts. L’inversion de polarité étant interdite, la tension minimale de fonctionnement est fixée à 18 Volts , et certaines protections seront donc supprimées [GRA1] [KAS]. Le fonctionnement nominal sera assuré pour des tensions de 30 à 58 Volts et de nouveaux systèmes devront être mis au point afin de hiérarchiser les différentes applications entre 18 et 30 Volts. Une marge de 2 Volts a été décidée pour la tension maximale, ce qui repousse la tension maximale de fonctionnement à 60 Volts. Les composants de la microélectronique doivent présenter une tension de claquage minimale de 75 Volts à une température de -40°C, soit 80 Volts à température ambiante.
La définition du réseau de puissance 42 Volts ne se limite pas à la définition des tensions de fonctionnement, un paragraphe concernant les émissions a été ajouté [HAR] [WOR]. Comme le standard ne contient pas d’autre spécification sur l’émission que la décharge de charges, il apparaît que le standard ne peut pas garantir les limites en tensions spécifiées. Par exemple, il est possible qu’un système ou un composant émette une impulsion parasite (comme il a été décrit dans la norme) de 58 Volts pendant 400ms [WOR]. Si maintenant plusieurs systèmes ou composants se mettent à émettre et/ou si les intervalles entre chaque impulsion sont suffisamment courts, la surtension dynamique se transforme alors en une surtension statique de 58 Volts. Il était donc nécessaire de trouver une échappatoire à ce problème qui a été de limiter les pics de surtension à une tension strictement inférieure à 58 Volts.
LES APPLICATIONS 42 VOLTS
Le passage du réseau 14 Volts à un réseau 42 Volts ouvre de grandes perspectives pour les applications futures. Les constructeurs automobiles cherchent à trouver des solutions pour générer, stocker et distribuer la puissance électrique à une tension nominale de 42 Volts, en vue d’introduire de nouvelles applications [GRA2] [CHE1]. La Figure 5 regroupe les grandes applications susceptibles d’être développées puis intégrées dans les futures véhicules, comme la direction électrique, le freinage électrique, la suspension électrique active, la pompe à eau électrique…
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
1 INTRODUCTION
2 ARRIVEE DES BATTERIES 42V DANS LE SECTEUR AUTOMOBILE ET SON IMPACT SUR LES COMPOSANTS MOS BASSE TENSION
2.1 DEFINITIONS DU NOUVEAU RESEAU DE PUISSANCE 42V
2.2 LES APPLICATIONS 42 VOLTS
3 LES TRANSISTORS MOS DE PUISSANCE BASSE TENSION EN MICROELECTRONIQUE
3.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR MOS DE PUISSANCE
3.2 LES TRANSISTORS MOS DISCRETS
3.2.1 Le transistor VMOS
3.2.2 Les transistors DMOS conventionnels
3.2.2.1 Le transistor VDMOS (HDTMOS™ de Freescale)
3.2.2.2 Le transistor MOS à tranchées
3.3 LES TRANSISTORS MOS INTÉGRÉS
3.3.1 Le transistor VDMOS up-drain
3.3.2 Le transistor LDMOS et ses variantes
3.4 LES NOUVEAUX CONCEPTS DE COMPOSANTS MOS DE PUISSANCE
3.4.1 Les transistors MOS à Superjonctions
3.4.2 Les transistors MOS à Semi-Superjonctions
3.4.3 Les transistors FLIMOS
3.4.3.1 Historique du FLIMOS
3.5 LES LIMITES CONVENTIONNELLES DU SILICIUM
3.5.1 Limite conventionnelle des composants MOS verticaux classique
3.5.2 Limite conventionnelle du silicium pour les composants FLYMOS™
3.5.3 Comparaison des limites de performances statiques des transistors conventionnels, FLIMOS et à Superjonction
3.6 LES MATÉRIAUX SEMICONDUCTEURS AVANCÉS
4 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
