Design characterization and implementation of an integrated CMOS driver circuit for GaN components
Conception caractérisation et mise en oeuvre d'un circuit intégré type driver en CMOS pour composants GaN
Résumé
This Ph.D work is part of the industrial academic project MEGaN (More Electric Gallium Nitride) involving many French companies (Renault, Schneider Electric, Safran, ID MOS, Valeo, ...), academic institutions (G2Elab, Ampere, SATIE ...) and CEA. MEGaN project aims are to introduce a new technology of the power components based on GaN materials, to increase the performance of the static converters for various applications.This research is highly focused on the integrated driver and other power device peripheral units for GaN-based components. This is done in SOI CMOS XFAB XT018 technology to promote performing in high-frequency and high temperature applications. It involves examining driver's architectures and features, innovative methods to limit problems inherent in high frequency and high temperature (conducted EMI perturbation, delay mismatch, functional limitations ...). After studying the architecture at the scale of the discrete circuits, the integrated circuits are designed in collaboration with the project partners. The integrated circuit is manufactured by foundry XFAB before being characterized and implemented.In particular, the characteristics at high frequency response and high temperature compliance are proposed. The final implementation is conducted in the hybrid power module power with the power components GaN, as close as possible to those for operation at high frequency which is presented in the end of this thesis. The final demonstrator serves several kinds of applications because of its versatility. The thesis is specifically focused on the study of high frequency behavior of the driver and power switches with high switching speed / the driver’s components of an inverter leg.
Le projet de thèse s'inscrit dans le consortium industriel académique MEGAN (More Electric Gallium Nitride) réunissant de nombreux industriels français, grands groupes et PME (Renault, Schneider Electric, Safran, IDMOS, Valeo...) et académiques (G2Elab, Ampère, SATIE...) et le CEA. Le projet consiste à introduire de nouvelles technologies de composants de puissance à base de matériaux en GaN afin d'augmenter les performances des convertisseurs statiques pour divers types d'applications. La thèse est intégralement focalisée sur la partie Driver intégré de composants GaN à base d'une technologie CMOS SOI XFAB XT018 pour favoriser l'utilisation des systèmes à haute fréquence et haute température. La thèse consiste à étudier des architectures des drivers et des fonctionnalités innovantes permettant de limiter les problèmes inhérents à la haute fréquence et la haute température (Compatibilité ÉlectroMagnétique- CEM, pertes de commande par courant de fuites, limites fonctionnelles...). Suite à l'étude des architectures à l'échelle du bras d'onduleur à base de composants discrets, un circuit intégré est conçu en collaboration avec les partenaires du projet. Le circuit intégré est alors réalisé avant d'être caractérisé puis mis en œuvre dans des démonstrateurs dans le cadre du projet. En particulier, des caractéristiques de réponses en fréquence et de tenue en température seront proposées. La mise en œuvre est conduite au sein même du module de puissance intégrant les composants de puissance en GaN, au plus près de ceux-ci pour favoriser les fonctionnements à haute fréquence. Le démonstrateur final peut servir plusieurs types d'applications de part sa versatilité. Le travail de thèse est alors plus spécifiquement orienté sur l'étude du comportement haute fréquence du driver et de l'ensemble interrupteurs avec fortes vitesses de commutation / drivers d’un bras d'onduleur.
Origine : Version validée par le jury (STAR)