Sujets de recherche - ISGE

• Composants et intégration Silicium
• Composants et intégration de puissance « grand gap »
• Architectures de conversion / Gestion de l’énergie
• Convertisseurs de puissance intélligents et reprogrammables
• Robustesse et fiabilité

Composants et intégration Silicium

Intégration monolithique de cellules de commutation 

Cette activité de recherche vise à développer une électronique de puissance plus intégrée (tension max 1200 V et densité de courant de l’ordre de 100 A/cm²) obtenue par l'émergence de nouvelles structures silicium monolithiques et mixtes monolithiques – hybrides sous la forme d'un réseau de cellules de commutation plus performantes, plus fiables et à faible coût de fabrication comparativement à une approche d'intégration totalement hybride. L’objectif est de développer et de démontrer la faisabilité de deux approches originales d’intégration monolithique sur silicium de convertisseurs statiques génériques (AC/DC ou DC/AC) fonctionnant dans la gamme de la moyenne puissance. La première approche d’intégration dite « bi-puce » (figure 1) est basée sur deux versions de puces complémentaires et génériques. Une première puce multi-interrupteur à anode commune intégrant la totalité des interrupteurs qui composent la partie high-side du convertisseur  et une deuxième puce multi-interrupteur intégrant la partie low-side du convertisseur. La deuxième approche d’intégration dite « monopuce ou ultime » (figure 2) intègre l’ensemble des interrupteurs qui composent le convertisseur (partie high-side et low-side). Les deux approches d’intégration visent la suppression des fils de bonding et la réduction des capacités parasites de couplage afin d’améliorer leurs performances électriques et leur fiabilité.

Figure 1.  Approche d’intégration monolithique "bi-puce"

Figure 2.  Illustration de l’approche d’intégration monolithique "monopuce"

Un premier onduleur réalisé est donné ci-dessous (figure 3). Ce pont en H est obtenu en associant une puce tri-pôle de type anode commune, qui intègre monolithiquement deux RC-IGBT, et deux puces RC-IGBT discrètes montées en flip-chip sur le substrat PCB. L’ensemble de ces travaux s’appuie sur la réalisation de démonstrateurs à la centrale Micro et Nanotechnologies du LAAS, basée sur la filière IGBT, et sur le développement de briques spécifiques comme la réalisation de murs P⁺ traversant.

Figure 3.  Mesures expérimentales sur le premier onduleur en tension (pont en H) réalisé

Interrupteurs bidirectionnels pour applications spécifiques sur le secteur

La gestion de l’énergie électrique dans les applications domestiques (éclairage, domotique…) constitue un débouché important pour les fabricants d’interrupteurs électroniques à semi-conducteurs. Dans ce domaine, le triac est très largement utilisé du fait de sa fiabilité, de ses faibles pertes et de son faible coût de fabrication. Toutefois, son emploi peut présenter des inconvénients, comme c’est le cas dans le montage « dimmer  classique » dont le fonctionnement n’est pas compatible avec la plupart des ballasts électroniques (charge capacitive). D’autre part, l’existence des courants d’amorçage et de maintien dans le triac peut conduire à un mauvais fonctionnement de ces circuits, notamment pour les faibles niveaux de puissance (<100W) et donc de courant dans la charge (lampes CFL, LED). Pour remédier à ces problèmes, il existe aujourd’hui des solutions de dimmers réalisés à l’aide d’associations de deux composants de type MOS ou IGBT montés en anti-série. Cependant, malgré les améliorations apportées par ces dispositifs, leur coût de fabrication élevé et la complexité de mise en œuvre limitent leur plus large diffusion sur ce marché.

Les composants que nous développons dans ce contexte sont bididirectionnels en tension et en courant, contrôlés à la fermeture et à l’ouverture, et visent des applications spécifiques dont le niveau de courant est de l’ordre de 0,5 A rms avec une chute de tension inférieure à 1V. Les composants supportent une tension de l’ordre de 600V.

L’ensemble de ces travaux s’appuie sur la réalisation de démonstrateurs à la centrale Micro et Nanotechnologies du LAAS, basée sur la filière IGBT, et sur le développement de briques spécifiques comme la réalisation de murs P⁺ traversants.

Contacts: M. Breil, A. Bourennane, J-P. Laur

Composants et intégration de puissance « grand gap »

De la même manière que les technologies du silicium ont révolutionné l'informatique et la communication, le silicium et les semiconducteurs en général joueront un rôle clé dans l’émergence  de l'économie de l'énergie du 21e siècle pour la transmission, la distribution et la consommation d'électricité. Les principaux objectifs sont une amélioration significative de l'efficacité énergétique et le développement de nouvelles générations de composants qui sont nécessaires pour les transports plus électriques, par exemple. Pour répondre à ces défis, notre activité se concentre principalement sur la conception de nouvelles architectures et le développement d’étapes technologiques clés nécessaires à la réalisation et à l’intégration de composants haute tension et haute température à semiconducteurs à large bande interdite (« grand gap »). Pour cela, nous nous appuyons sur les savoir faire acquis depuis des années dans l’équipe en conception, réalisation et caractérisation de composants de puissance silicium. Ces activités sont développées avec de nombreux collaborateurs en France mais aussi en Europe, en particulier dans le Laboratoire International Associé (LIA) WIDE-Lab (Wide Band gap technologies for Integration of Energy efficient Devices). Grâce à la dimension européenne des trois partenaires : Ampère, CNM et LAAS, WIDE-Lab est une plate-forme unique dans le domaine des technologies et de l'intégration système des matériaux grand gap.

HEMT GaN  et Co-Intégration Si/GaN

Les travaux de recherche sur les interrupteurs de puissance en nitrure de gallium sont récents. Durant les années 2001-2005, on a pu noter des progrès substantiels mais essentiellement limités à des composants de puissance normally-on (HEMT principalement). Ainsi, dans ce domaine de la puissance, les évolutions des technologies des semi-conducteurs permettent de positionner le nitrure de gallium (GaN) comme un matériau d’avenir qui mérite un véritable investissement en R&D. De plus, contrairement au carbure de silicium (SiC) qui doit obligatoirement être réalisé par croissance cristalline sur substrat de même composition, le GaN peut être déposé par hétéro-épitaxie sur des substrats silicium permettant ainsi une production sur des tranches de surface plus importante (150 à 200 mm), moyennant la mise en œuvre de solutions innovantes.

Durant les prochaines années, nous allons étudier de manière approfondie les solutions innovantes que nous avons proposées pour un dispositif normally-off (2 brevets ont été récemment déposés sur ce sujet). Nous n'allons pas seulement nous concentrer sur l’interrupteur de base, mais aussi travailler sur l'intégration de plusieurs interrupteurs grâce à la co-intégration de dispositifs GaN et Si sur le même substrat de Si, de manière à tirer parti des meilleures caractéristiques des deux matériaux. Ceci permettra la réalisation de fonctions intégrées de façon monolithique, par exemple les associations cascode d’un HEMT en GaN et d’un MOSFET en Si (ou une diode Schottky en Si) ou l’association multi-interrupteurs sur une seule puce, telle qu’une cellule de commutation de base ou un pont en H.

Composants de puissance Diamant

Grâce à ces propriétés physiques, le diamant est théoriquement le matériau idéal pour l’électronique de puissance. Depuis 2007, un consortium associant le LAAS à d’autres laboratoires et à des industriels a pour objectif de développer la filière diamant en France au travers de projets fédérateurs (DIAMONIX, DIAMONIX2). Dans la cadre de ces projets, des démonstrateurs, notamment des diodes Schottky, ont déjà été réalisés au sein de la plateforme technologique du LAAS et ont ainsi pu confirmer le potentiel du diamant pour des applications haute tension et haute température. Le savoir faire du LAAS en technologie silicium est actuellement un atout qui a permis de développer les briques technologiques essentielles à la réalisation de diodes Schottky à base de diamant de type p, comme:

En parallèle au développement technologique, nous avons concentré nos efforts sur la mise en place d’une plateforme de simulation TCAD avec les outils SENTAURUS, adaptée à la conception de composants diamant. Cette plateforme est particulièrement utilisée pour la conception de protections périphériques innovantes spécifiques aux composants diamant haute tension, ces protections pouvant être appliquées aux composants à base d’autres matériaux grand gap comme le GaN ou le SiC.

Malgré les verrous technologiques liés à la qualité du matériau et à la dimension des échantillons, nous allons continuer avec nos partenaires à travailler sur la jonction PN, véritable obstacle technologique à la réalisation de composants de puissance diamant. Dans les prochaines années, nous nous sommes fixés comme défi ambitieux la réalisation de MOSFET diamant. La tâche principale sera de développer les étapes technologiques clés pour réaliser des capacité MOS sur diamant dopé N, dispositif jamais réalisé à ce jour, et également sur diamant dopé P.

Contacts : F. Morancho, K. Isoird, H. Schneider, P. Austin

Architectures de conversion / Gestion de l’énergie

L’accroissement de la part des sources d’énergie renouvelable (EnR) dans le réseau électrique est une réponse à la croissance considérable de la demande, la nécessité de réduction des émissions des gaz à effet de serre et la recherche d’une alternative au nucléaire. La disponibilité des énergies photovoltaïque et éolienne en tout point du globe autorise de plus le rapprochement de la production et des consommateurs et donc une réduction des pertes générées par le transport et une simplification de l’infrastructure de distribution. Les principaux inconvénients des énergies photovoltaïque et éolienne sont l’intermittence, une production conditionnée à la météorologie, et pour certaines applications le déphasage temporel entre la production et la consommation. La seule voie pour pallier ces inconvénients est le stockage de l’énergie électrique. Cette évolution de l’architecture et de la complexité des réseaux électrique s’accompagne nécessairement du développement d’élément de gestion de l’énergie. Ce sont toutes ces problématiques que l’on retrouve dans la communauté des Smart-Grids.

Dans ce cadre les travaux menés dans l’équipe ISGE se focalisent sur l’intégration des EnR, essentiellement photovoltaïque (PV), dans le bâtiment ou à l’échelle de quelques bâtiments, avec du stockage essentiellement électrochimique, avec en point de mire les réseaux de distribution continus en basse tension (LVDC). Dans ce vaste contexte, les thématiques traitées par l’équipe sont :

• Dimensionnement et algorithmes de gestion de l’énergie dans les unités de stockage d’énergie électrique hybrides dans l’objectif de minimiser le coût du kW.h stocké, en prenant en compte le vieillissement des éléments de stockage ;
• Développement d’un micro-réseau LVDC avec une unité de stockage d’énergie électrique hybride pour alimenter des serveurs informatiques (Projet OPA);
• Conception d’un micro-réseau DC à fort taux d’énergie renouvelable pour la production H24 d’Hydrogène ;
• Modélisation et diagnostic des défauts dans les installations PV ;
• Modélisation thermique du bâtiment ADREAM du LAAS en vue de minimiser la consommation électrique ;
• Commande des convertisseurs DC/DC.

Figure 1 : Structure du micro-réseau DC du projet OPA

Figure 2 : Principe de diagnostic des défauts dans les installations PV

Ces travaux sont réalisés dans le cadre de collaborations internationales (RCAST Univ. of Tokyo (LIA CNRS NextPV), Univ. de los Andes – Colombie, Nanyang Technological Univ. – Singapore, Univ. of Palermo et Univ. Rovira i Virgili – Tarragone), nationales (Université Paoli Corse) ou locales (LAPLACE et CIRIMAT).

Contacts : C. Alonso, B. Jammes, B. Estibals

Convertisseur de puissance intelligent et reprogrammable

La clé pour la transition énergétique est tenue par la gestion intelligente des flux d’énergie. Dans le cas de l’électricité, cette gestion est faite par des convertisseurs d’électronique de puissance. Ces convertisseurs sont des boites électroniques auxquelles se connectent des sources, des charges et du stockage, pouvant donner lieu à les applications les plus diverses allant du champ photovoltaïque à la voiture électrique.

 
L’électronique de puissance est un domaine très spécialisé. Un ingénieur nécessite plusieurs années d’étude pour y être opérationnel, les produits nécessitent plusieurs années de développement pour être fiable et le tout nécessite des lourds investissements en terme d’outils de développement pour être possibles. Cela pousse la communauté d’électronique de puissance à des pratiques concurrentiels de blocage et d’exclusivité, comme les brevets et l’obsolescence. Il existe de facto un divorce technologique entre les développeurs des solutions et les acteurs de terrain qui les déploient.

La démocratisation de l'électronique de puissanc est un pas essentiel pour la transition énergétique. Elle permettra aux acteurs de terrain de maîtriser la chaîne technologique et adapter le matériel aux besoin locaux. Elle stimulera l'industrie à collaborer au tour des problèmes communs et à développer la pérennité de leur solutions. Elle stimulera une production locale soutenue par une développement global.

La rupture de paradigme proposé par cet axe de recherche est de démocratiser l'accès à l'électronique de puissance libre, moduaire, reprogrammable et réparable. Ce véritable "Arduino de l'énergie" a pour but de fondamentalement charnger la pratique de l'électronique de puissance. Concrètement cela se traduit par : 

• Un module de puissance élémentaire, générique, multi-fonction et stackable
• Un logiciel embarqué facile de prendre en main et intuitif avec des fonctions de protection intégrées 
• Un logiciel de gestion des données qui permet de récupérer les mesures embarqués du convertisseur et deployer des fonctionnalités avancées comme la maintenance prédictive

La Figure 1 montre le convertisseur modulaire en cour d'étude et développement dans le cadre de cet axe de recherche. 

Figure 1 : Aperçu du convertisseur modulaire en cour de développément

L’ensemble du projet est protégé par des licences libres. Cette stratégie de valorisation donne aux utilisateurs la garantie que les outils de développement restent libres et collaboratifs. Les applications développées en local peuvent, elles, être propriétaires.

Contacts : Luiz Villa

Robustesse et fiabilité

Les systèmes de gestion de l'énergie ont un rôle clé dans les circuits électroniques puisqu'ils contrôlent leurs alimentations. Il est donc essentiel pour assurer la sécurité de fonctionnement de systèmes de plus en plus critiques (assistance au freinage ou régulation de vitesse dans les automobiles, contrôle de charge de batteries…) d'optimiser la robustesse des circuits de gestion de l'énergie afin d'obtenir un niveau de fiabilité élevé. Or la complexification des systèmes, la réduction technologique des dimensions des circuits intégrés et la cohabitation proche de parties de puissance avec leurs logiques de commande tendent à rendre de plus en plus difficile le maintien d'un niveau de robustesse acceptable.

Pour répondre à cette problématique critique, nous étudions la physique du fonctionnement des circuits soumis à plusieurs types d'agressions susceptibles d'entacher leur fiabilité :

• les agressions extérieurs venant du milieu proche : décharges électrostatiques (ESD)
• les agressions de milieux lointains : rayonnements

Se basant sur la compréhension du phénomène, de mesures expérimentales ou de simulations, nous proposons alors soit d'optimiser le système pour augmenter son immunité, soit d'apporter une solution efficace de protection.

Contacts: P. Austin, D. Trémouilles