Pour atteindre les performances les plus élevées des convertisseurs, il est nécessaire de maîtriser les nouvelles technologies telles que l’intégration microélectronique CMOS, les technologies GaN et ultra grands gaps (Diamant). Cette opération a pour but de concevoir et caractériser des nouvelles architectures de circuits Gate Drivers en technologie CMOS, pour le pilotage de transistors et modules GaN et SiC, ainsi que de concevoir la prochaine génération de fonctions intégrées et composants de puissance en technologies GaN et diamant. Notre groupe ne dispose pas de centrale technologique « in house », mais a accès à tous les outils de conception, simulation et fabrication de telles technologies de pointe, via nos partenariats et notre expertise. Cette maitrise des outils nous permet de proposer des fonctionnalités impossibles à réaliser via une association de composants discrets, ainsi que de mettre au point les composants et cellules de commutation de la prochaine génération. Notre expertise est donc de pouvoir concevoir ces fonctions, à l’échelle inférieure au µm et au µA, pour les implémenter et les démontrer sur des cellules de commutation de puissance, à l’échelle macroscopique et au-delà de plusieurs centaines d’Ampères et centaines de Volts.
Circuits Gate Driver en technologie CMOS pour composants de puissance GaN et SiC : L’optimisation de la commutation des transistors grands gaps est une réelle difficulté : les fortes vitesses permettent de réduire les pertes par commutation, mais engendrent des sources de perturbation électromagnétique à amplitudes et fréquences élevées. Nous avons proposé des stratégies de contrôle actif de la commutation, notamment par un rebouclage de la partie puissance sur la partie commande, afin de réduire uniquement la séquence de commutation de dV/dt, pour améliorer les compromis CEM/pertes. Ceci est particulièrement difficile avec les transistors GaN moyenne tension, pouvant commuter 400 V en l’espace de quelques ns. Une intégration sur circuit CMOS permet alors, via une optimisation et une bande passante analogique proche de 10 GHz, de réduire le courant de grille uniquement pendant la phase de dV/dt, via un rebouclage et une amplification analogique. Grâce au LabCom SEMA, d’autres solutions de circuits intégrés dans la technologie SmartMOS de NXP sont mises au point, afin d’optimiser et de contrôler de façon adaptative le temps mort de cellules SiC, ou, en lien avec l’opération 4 de notre groupe, d’améliorer la détection et protection des régimes extrêmes de court-circuit.
Electronique de puissance Diamant, intégration monolithique GaN, SiC et diamant : les composants grands gaps SiC et GaN sont commercialisés depuis de nombreuses années, et apportent des ruptures dans les performances des convertisseurs. Cependant, les matériaux ultra grands gaps tels que Ga2O3, h-BN, AlN, ZnOx et diamant sont identifiés comme la prochaine génération de rupture. Le diamant est celui qui est qualifié « d’ultime », grâce à ses spécificités. Cette activité amont, est principalement portée par des laboratoires et start-up avec lesquels nous collaborons étroitement (Institut Néel, DIAMFAB, Univ. of Cambridge, U. Cadiz, Arizona State University, AIST). Nos contributions ont été saluées via notre participation à 2 projets européens, 1 PEPR (Frenchdiam), 2 ANR dont une coordination, et le trophée des Etoiles de l’Europe du projet GreenDiamond, ainsi que plusieurs autres projets européens déposés sur la période. S’appuyant sur la collaboration très étroite avec l’Institut Néel et la start-up DIAMFAB, des avancées importantes sont obtenues, vers une cible 1 kV, 1 A. D’autre part, l’intégration monolithique permet de réduire drastiquement les éléments parasites d’interconnexion entre les composants de puissance et leurs organes de commande rapprochée. La technologie GaN latérale permet cette intégration. Nous concevons et réalisons actuellement des fonctions intégrées de commande en technologie GaN sur SOI, via Europractice et la technologie IMEC (Belgique).