Contribution à l'intégration monolithique de protections contre les surtensions :
application aux convertisseurs de puissance haute tension
Résumé
A new over-voltage protection circuit has been developed. In this protection circuit, the dissipative part is
monolithically integrated in the same protected power module chip with almost no additional technologic
process or modifications. This monolithic integration takes advantage of main switch cooling system to extract
over heating. At the same time it minimizes interconnections between the protected transistor and its protection
system. This gives high performance results in term of over voltage protection time response and thermal power
removal capabilities. In addition to that, the design of this protection circuit enables to adjust the protection
voltage threshold. This is useful for series transistor in high voltage applications. The design aims to improve
the performance and to reduce the cost and the volume of the protection circuit.
A model of the BJT as a protection transistor is established. This model is distinguished from the existing
models because of taking into account that the BJT is used in linear mode. A thermal model of the whole of the
integrated transistors evaluates the behavior of these transistors in spite of the difference between the operating
mode. This model gives the better distribution of the protection transistor cells in the chip. Practical results
starting from the auto protected MOSFETs components that we manufactured validates the solution suggested.
A demonstrator of a buck converter using two auto protected MOSFETs in series shows the effectiveness of our
solution.
monolithically integrated in the same protected power module chip with almost no additional technologic
process or modifications. This monolithic integration takes advantage of main switch cooling system to extract
over heating. At the same time it minimizes interconnections between the protected transistor and its protection
system. This gives high performance results in term of over voltage protection time response and thermal power
removal capabilities. In addition to that, the design of this protection circuit enables to adjust the protection
voltage threshold. This is useful for series transistor in high voltage applications. The design aims to improve
the performance and to reduce the cost and the volume of the protection circuit.
A model of the BJT as a protection transistor is established. This model is distinguished from the existing
models because of taking into account that the BJT is used in linear mode. A thermal model of the whole of the
integrated transistors evaluates the behavior of these transistors in spite of the difference between the operating
mode. This model gives the better distribution of the protection transistor cells in the chip. Practical results
starting from the auto protected MOSFETs components that we manufactured validates the solution suggested.
A demonstrator of a buck converter using two auto protected MOSFETs in series shows the effectiveness of our
solution.
Un nouveau circuit de protection contre les surtensions a été développé. Dans ce circuit de protection, la partie
dissipative est monolithiquement intégrée dans la même puce du transistor à protéger avec aucune modification
technologique additionnelle. Cette intégration monolithique tire profit du système de refroidissement du
transistor à protéger pour le refroidissement de la partie intégrée. En même temps, elle réduit au minimum les
problèmes de connections entre le transistor à protéger et son système de protection. En plus, la conception de
ce circuit de protection permet d'ajuster le seuil de tension de protection. C'est utile pour la mise en série des
transistors pour des applications à haute tension. Un modèle du BJT comme transistor de protection est établi.
Ce modèle se distingue des modèles existants car il prend en compte que le BJT fonctionne en mode linéaire.
Un modèle thermique de l'ensemble des transistors intégrés évalue le comportement de ces transistors malgré la
différence entre leur mode de fonctionnement. Ce modèle donne une meilleure distribution des cellules du
transistor de protection dans la puce. Des résultats pratiques à partir des composants MOSFETs autoprotégés
que nous avons fabriqués valident la solution proposée. Un démonstrateur de hacheur série utilisant deux
MOSFETs autoprotégés en série montre l'efficacité de notre solution.
dissipative est monolithiquement intégrée dans la même puce du transistor à protéger avec aucune modification
technologique additionnelle. Cette intégration monolithique tire profit du système de refroidissement du
transistor à protéger pour le refroidissement de la partie intégrée. En même temps, elle réduit au minimum les
problèmes de connections entre le transistor à protéger et son système de protection. En plus, la conception de
ce circuit de protection permet d'ajuster le seuil de tension de protection. C'est utile pour la mise en série des
transistors pour des applications à haute tension. Un modèle du BJT comme transistor de protection est établi.
Ce modèle se distingue des modèles existants car il prend en compte que le BJT fonctionne en mode linéaire.
Un modèle thermique de l'ensemble des transistors intégrés évalue le comportement de ces transistors malgré la
différence entre leur mode de fonctionnement. Ce modèle donne une meilleure distribution des cellules du
transistor de protection dans la puce. Des résultats pratiques à partir des composants MOSFETs autoprotégés
que nous avons fabriqués valident la solution proposée. Un démonstrateur de hacheur série utilisant deux
MOSFETs autoprotégés en série montre l'efficacité de notre solution.