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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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67documents trouvés

18119
04/05/2018

Micro-dispositifs dédiés au stockage de l’énergie électrique embarquée

D.PECH

ISGE

Habilitation à diriger des recherches : Mai 2018, 125p., Président: F.MORANCHO, Rapporteurs: L.NICOLAS, D.ROCHEFORT, Examinateurs: Y.CHABAL, D.GUAY, S.SADKI, Marraine: M.BAFLEUR , N° 18119

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01810054

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Abstract

The realization of high-energy micro-supercapacitors is currently a big challenge but the ineluctable applications requiring such miniaturized energy storage devices are continuously emerging. Their high power and extended lifetime are interesting for the complement or replacement of micro-batteries in embedded micro-systems. New types of electrodes for micro-supercapacitors will be reviewed with a focus on device fabrication methods and their performances. A 3D paradigm shift of micro-supercapacitor design will also be discussed to improve their energetic performances while maintaining reduced footprint occupancy.

Résumé

Les microsupercondensateurs sont des microdispositifs de stockage réversible de l’énergie électrique constituant une alternative intéressante aux microbatteries en raison de leur puissance élevée et de leur durée de vie importante. La faible quantité d’énergie qu’ils peuvent emmagasiner reste cependant un point critique au déploiement de ces composants dans les microsystèmes embarqués. Cette soutenance sera dédiée aux nouveaux types d’électrodes de microsupercondensateurs, des filières technologiques pour les intégrer au sein du microdispositif et des performances de ces électrodes. Il sera notamment question de l’utilisation d’électrodes tridimensionnelles pour accroître leur densité d’énergie surfacique.

Mots-Clés / Keywords
Electronique embarquée; Stockage de l’énergie; Micro-supercondensateur; Micro-batterie; Embedded electronics; Energy storage; Micro-supercapacitor; Micro-battery;

143493
17526
08/12/2017

Dimensionnement et gestion optimaux d'éléments de stockage pour le déploiement de sources renouvelables, réalisation d'un micro-réseau LVDC

J.DULOUT

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 8 Décembre 2017, 158p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: M.ALONSO, J.M.VINASSA, Examinateurs: C.E.CARREJO GONZALEZ, Directeurs de thèse: C.ALONSO, B.JAMMES , N° 17526

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01719288

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Abstract

Because of our global high consumption of fossil fuels, these resources are becoming scarce and the environmental equilibrium of the Earth is endangered. Other energy sources are developed in order to build a new diversified and decarbonised energy mix. For example, in an urban context, the solar photovoltaic system has many assets such as the decentralized production of electricity, easy integration in buildings, transportation losses reduction, no sound during production, low environmental impact, etc. However, the production of this energy source is highly varying, difficult to predict (several timescales, from the cloud shadows to seasonal meteorological variations) and not correlated across time with our consumption needs. In order to enable a massive penetration of renewable energy sources in our conventional grid, the use of energy storage systems (e.g. electrochemical storage) seems a promising solution, taking into account the costs, supply security, technological maturity and ease of set up. Hence, new microgrids constituted by decentralized energy sources and energy storage systems have been developed in order to replace or complement the main centralized grid by ensuring some support functions (i.e. enhancement of the grid stability, black-start operation, replacement of diesel generators, etc.). The consumers become actors able to inject a part of all their surplus energy to the main grid, if the operation is accepted by the transmission system operator. A new business model is to define, especially in the case of putting a valuation on the functions that can help the main grid. During this thesis, several years of data from production and consumption of a photovoltaic building have been analysed in order to define the operating profile of an energy storage system that ensures the equilibrium of the microgrid. A behavioural model taking into account the ageing has been made for three storage technologies: lead-acid batteries, lithium-ion batteries, and supercapacitors. It enables the optimal sizing, the hybrid association of storage systems, and the optimal energy management of the microgrid. Several criteria assessing the operation of microgrids have been studied (e.g. annual cost of the storage system, self-consumption rate, loss of load probability, etc.). A multi-objective methodology, based on Pareto optimality, has been developed in order to optimize economic, environmental, and autonomy aspects. A low voltage DC prototype of some kilowatts has been developed for validating the different concepts presented in this thesis.

Résumé

La forte consommation des énergies fossiles au niveau mondial entraine une raréfaction de ces ressources et met en danger l’équilibre environnemental global du fait de la pollution qu’elle engendre. D’autres sources d’énergie dites renouvelables se développent afin de proposer un mix énergétique très diversifié et progressivement décarboné. Par exemple, dans un contexte urbain, le solaire photovoltaïque présente de nombreux atouts comme la possibilité de produire de l’électricité de façon décentralisée, l’intégration aisée dans les bâtiments et infrastructures publiques, la réduction des pertes liées au transport de l’électricité, pas de pollution sonore, pas ou peu d’impact sur l’écosystème environnant, etc. Cependant, cette source est très intermittente et difficilement prédictible (diverses échelles de temps liées au passage de nuages, cycle diurne ou cycle saisonnier) et doit être implantée dans des endroits sans ombrage d’infrastructure pour assurer la meilleure production et durée de vie. De plus, sa production n’est généralement pas temporellement en phase avec des profils de consommation de type résidentiel ou tertiaire. Afin de répondre à la problématique d’intégration des énergies renouvelables dans nos réseaux électriques conventionnels, l’usage de moyens de stockage, par exemple de type électrochimique, semble aujourd’hui la meilleure solution, en considérant le coût, la sécurité d’approvisionnement, la maturité technologique et la facilité de mise en oeuvre. Ainsi, de nouveaux micro-réseaux constitués de sources décentralisées et d’éléments de stockage apparaissent en concurrence du réseau centralisé conventionnel ou en complément de ce dernier afin d’atteindre de nouveaux objectifs (stabilité accrue du réseau, mode isolé de secours en cas de panne avec possibilité d’aider le redémarrage du réseau principal, remplacement de générateurs diesel auxiliaires, etc.). Parmi les grandes transformations actuelles, les consommateurs de plus en plus acteurs et peuvent injecter tout ou partie du surplus d’énergie produit vers le réseau ou choisir de consommer de l’énergie du réseau selon leurs souhaits. Un nouveau modèle économique se dessine avec la possibilité de voir apparaître de nouvelles tarifications de l’électricité notamment liées aux prestations assurant une plus grande robustesse du réseau. Durant cette thèse, plusieurs années de données de production et de consommation d’un bâtiment photovoltaïque ont été analysées pour définir les contraintes imposées à l’unité de stockage assurant l’équilibre du micro-réseau électrique. Un modèle de performance et de vieillissement a été élaboré pour trois technologies de stockage: batteries plomb-acide, batteries lithium-ion et supercondensateurs. Celui-ci permet le dimensionnement, l’association d’éléments de stockage et la gestion optimale des flux énergétiques au sein du micro-réseau. Divers critères permettant d’évaluer le fonctionnement des micro-réseaux ont également été étudiés comme le coût annuel de l’unité de stockage, le taux d’autoconsommation de l’énergie photovoltaïque, la quantité d’énergie qui n’a pas été fournie au consommateur, etc. Une approche multi-objective, basée sur le concept d’optimum de Pareto, a été mise en oeuvre afin d’optimiser les aspects économique, environnemental et d’autonomie de fonctionnement des futurs réseaux électriques distribués. Un démonstrateur basse tension continue de quelques kilowatts a été développé pour valider les différents points étudiés dans cette thèse.

Mots-Clés / Keywords
Micro-réseau; Éléments de stockage; Gestion d’énergie électrique; Dimensionnement optimal; Commande bus DC; Modélisation de batteries et supercondensateurs; Microgrid; Energy storage systems; Energy management; Optimal sizing; DC bus control; Batteries and supercapacitors modelling;

142455
17525
07/12/2017

Architectures d'intégration mixte monolithique-hybride de cellules de commutation de puissance sur puces multi-pôles silicium et assemblages optimisés

A.LALE

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 7 Décembre 2017, 212p., Président: S.LEFEBVRE, Rapporteurs: B.ALLARD, N.BATUT, Examinateurs: E.LABOURE, Directeurs de thèse: A.BOURENANNE, F.RICHARDEAU, Membres invités: V.BLEY, E.IMBERNON , N° 17525

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01730586

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Abstract

Currently, the standard 2D hybrid power module (power converter) is the reference technology for the medium and high power market. This hybrid power module is a discrete multi-chip case. The semi-conductor chips are interconnected by wire-bonding to form switching cells. The wire-bonding interconnection technology is a limiting factor in terms of electrical and thermomechanical performances, three-dimensional integrability and productivity. The aim of this thesis is to study new architectures of very integrated power converters. Compared to the so-called hybrid reference technology, the proposed architectures aim at a greater degree of integration, with an integration at both the semi-conductor level (monolithic integration) and the packaging level (hybrid integration). Monolithic integration consists in integrating switching cells into new multi-terminal macro-chip architectures. Hybrid integration consists in developing of new technologies to assemble these macro-chips. To validate the different proposed integration architectures, the first step was to study and validate the operating modes of the new chips by SentaurusTM TCAD simulations. Then, the multi-terminal chips were realized in the micro and nanotechnology platform of LAAS-CNRS laboratory. Finally, the chips were bonded on PCB substrates to realize power converter circuit prototypes. The highly integrated switching loop presents a stray inductance loop lower than one nanohenry, wich is an important improvement as compared to the values reported in literature (about 20 nH).

Résumé

Actuellement, le module de puissance (convertisseur de puissance) standard hybride 2D est la technologie de référence qui domine le marché de la moyenne et de la forte puissance. Ce dernier se présente sous la forme d’un boitier à multi-puces discrètes. Les puces à semi-conducteur sont reliées entre elles par des faisceaux de wire-bonding (câblage par fils) pour former des cellules de commutation. La technologie d’interconnexion wire-bonding présente une grande maturité technologique, et ses modes de défaillance sont bien connus aujourd’hui. Toutefois, cette technologie est un facteur limitant en termes de performances électrique et thermomécanique, d’intégrabilité tridimensionnelle et de productivité. Ces travaux de thèse ont pour objectif de proposer et d’étudier de nouvelles architectures de convertisseurs de puissance très intégrés. Comparée à la technologie hybride, dite de référence, les architectures proposées visent à un degré d’intégration plus poussé, avec un effort d’intégration partagé et conjoint au niveau semi-conducteur (intégration monolithique) et au niveau assemblage (intégration hybride). L’intégration monolithique consiste à intégrer les interrupteurs formant les cellules de commutation dans de nouvelles architectures de puces, passant ainsi de la notion de puce dipôle à celle de macro-puce multi-pôle. L’intégration hybride repose sur le développement de nouvelles technologies de report et d’assemblage de ces macro-puces. Pour valider les trois nouvelles architectures d’intégrations proposées, la démarche a consisté dans un premier temps à étudier et valider le fonctionnement des nouvelles puces par des simulations SentaurusTM TCAD. Ensuite, les puces multi-pôles ont été réalisées en s’appuyant sur la filière IGBT disponible dans la plateforme de micro-fabrication du LAAS-CNRS. Pour finir, les puces ont été reportées sur des cartes PCB, afin de réaliser des circuits de conversions prototypes. La maille de commutation très intégrée proposée présente une inductance parasite inférieure au nanohenry, ce qui est remarquable comparée à ce qui est présenté dans l’état de l’art (env. 20 nH).

Mots-Clés / Keywords
Convertisseur de puissance multi-phase; Cellule de commutation; Intégration monolithique; Intégration hybride; Reverse Conducting-IGBT (RC-IGBT); Simulation SentaurusTM TCAD; Carte PCB prototype; Microélectronique; Microfabrication; Multi-phase power converter; Power switching cell; Monolithic integration; Hybrid integration; SentaurusTM TCAD simulation; PCB prototype; Microelectronics;

142453
17392
06/09/2017

Study of photovoltaic system integration in microgrids through real-time modeling and emulation of its components using HiLeS

A.GUTIERREZ GALEANO

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 6 Septembre 2017, 213p., Président: G.GARCIA, Rapporteurs: R.CASALLAS GUTIERREZ, J.J.RODRIGUEZ ANDINA, Examinateurs: C.CARREJO, O.LOPEZ SANTOS, Directeurs de thèse: C.ALONSO, F.JIMENEZ, Co-encadrant de thèse: M.BRESSAN , N° 17392

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01629204

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Résumé

L’intégration actuelle des systèmes photovoltaïques dans les systèmes d’alimentation conventionnels a montré une croissance importante, ce qui a favorisé l’expansion rapide des micro-réseaux du terme anglais microgrid. Cette intégration a cependant augmenté la complexité du système d’alimentation qui a conduit à de nouveaux défis de recherche. Certains de ces défis de recherche encouragent le développement d’approches de modélisation innovantes en temps réel capables de faire face à cette complexité croissante. Dans ce contexte, une méthodologie innovante est proposée et basée sur les composants pour la modélisation et l’émulation de systèmes photovoltaïques en temps réel intégrés aux microgrids. L’approche de modélisation proposée peut utiliser le langage de modélisation des systèmes (SysML) pour décrire la structure et le comportement des systèmes photovoltaïques intégrés en tenant compte de leurs caractéristiques multidisciplinaires. De plus, cette étude présente le cadre de spécification de haut niveau des systèmes embarqués (HiLeS) pour transformer les modèles SysML développés en code source destinés à configurer le matériel intégré. Cette caractéristique de la génération automatique de code permet de profiter de dispositifs avec un haut degré d’adaptabilité et de performances de traitement. Cette méthodologie basée sur HiLeS et SysML est axée sur l’étude des systèmes photovoltaïques partiellement ombragés ainsi que des architectures flexibles en électronique de puissance en raison de leur influence sur les microgrids actuels. En outre, cette perspective de recherche est utilisée pour évaluer les stratégies de contrôle et de supervision dans les conditions normales et de défauts. Ce travail représente la première étape pour développer une approche innovante en temps réel pour modéliser et émuler des systèmes photovoltaïques complexes en tenant compte des propriétés de modularité, de haut degré d’évolutivité et des conditions de travail non uniformes. Les résultats expérimentaux et analytiques valident la méthodologie proposée.

Abstract

Nowadays, the integration of photovoltaic systems into electrical grids is encouraging the expansion of microgrids. However, this integration has also increased the power system complexity leading to new research challenges. Some of these research challenges require the development of innovative modeling approaches able to deal with this increasing complexity. Therefore, this thesis is intended to contribute with an innovative methodology component-based for modeling and emulating in real-time photovoltaic systems integrated to microgrids. The proposed modeling approach uses the Systems Modeling Language (SysML) to describe the structure and behavior of integrated photovoltaic systems. In addition, this study presents the High Level Specification of Embedded Systems (HiLeS) to transform automatically the developed SysML models in embedded code and Petri nets. These characteristics of automatic code generation and design based on Petri nets allow taking advantage of FPGAs for application of real-time emulation of photovoltaic systems. This dissertation is focused on partially shaded photovoltaic systems and flexible power electronics architectures because of their relevant influence on current microgrids. Furthermore, this research perspective is intended to evaluate control and supervision strategies in normal and fault conditions. This work represents the first step to develop an innovative real-time approach to model and emulate complex photovoltaic systems considering properties of modularity, high degree of scalability, and non-uniform working conditions. Finally, experimental and analytical results validate the proposed methodology.

Mots-Clés / Keywords
FPGA; HiLes; Microgrid; Ombragé partiel; Photovoltaïque;

141333
17135
04/05/2017

Conception et réalisation d'un interrupteur bidirectionnel silicium pour des applications secteur : le transistor BipAC

H.RIZK

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 4 Mai 2017, 186p., Président: F.RICHARDEAU, Rapporteurs: Z.KHATIR, S.LEFEBVRE, Examinateurs: M.BREIL-DUPUY, L.THEOLIER, Directeurs de thèse: F.MORANCHO, A.BOURENANNE , N° 17135

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140053
17065
08/03/2017

Structuration de collecteurs de courant d'or pour la réalisation de micro-supercondensateurs à base d'oxyde de ruthénium

A.FERRIS

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 8 Mars 2017, 192p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: A.BALDUCCI, F.FAVIER, Examinateurs: P.SIMON, S.SADKI, C.LETHIEN, Directeurs de thèse: D.PECH, D.GUAY , N° 17065

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01502210

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Abstract

The increasing importance of portable and wearable electronics as well as embedded wireless sensor networks has made energy autonomy a critical issue. Micro-energy autonomy solutions based on the combination of energy harvesting and storage may play a decisive role. However, the short lifetime of micro-batteries is problematic. Micro-supercapacitors are a promising solution in terms of energy storage for embedded systems on the account of their important lifetime. In this work we have focused on the optimization of the performances of micro-supercapacitors in terms of energy and power density. As the capacitance is directly related to the accessible surface area of the electrodes, we have investigated the structuration of the current collectors in order to improve the performances of ruthenium oxide-based micro-supercapacitors. Two mains technics have been studied to obtain three dimensional structures. In a first phase, the oblique angle physical vapor deposition (OAD) has been investigated to fabricate a columnar gold structure, subsequently covered by an electrochemical ruthenium oxide. In a second phase, a highly porous gold architecture has been studied using electrodeposition via a hydrogen bubbles dynamic template. The ruthenium oxide electrodeposited on the resulting mesoporous gold structure shows good compatibility, in terms of homogeneous deposition, with a significant capacitance at slow rate (> 3F.cm-2) and an important cyclability. As proof of concept, a device has been designed in a stack configuration with good performances. Moreover, the technology finalized for electrodes fabrication has been transferred to the micro-scale on planar interdigitated devices using a suitable photolithography process.

Résumé

Depuis une dizaine d’années, on observe un développement de l’électronique embarquée intégrée à la plupart des objets que nous utilisons au quotidien. Il s’agit maintenant de les interconnecter en créant des réseaux embarqués connectés tels que les réseaux de capteurs autonomes sans fils. La miniaturisation des composants permet d’envisager une autonomie énergétique de ces réseaux composés de capteurs, récupérateurs d’énergie et de micro-batteries. Cependant la faible durée de vie des batteries et leur puissance limitée sont problématiques pour de telles applications. Les micro-supercondensateurs représentent une alternative pertinente pour la gestion de l’énergie dans les systèmes embarqués, notamment grâce à leur durée de vie très élevée. L’objectif de cette thèse concerne l’optimisation des performances de ces dispositifs en termes de densité de puissance et d’énergie. La capacité du supercondensateur étant proportionnelle à la surface spécifique des électrodes, nous nous sommes donc intéressés à la structuration de collecteurs de courant en or pour optimiser les performances des micro-supercondensateurs à base d’oxyde de ruthénium. Nous avons sélectionné deux principales techniques pour fabriquer une structure tridimensionnelle de l’or. Dans un premier temps, le dépôt physique d’or par évaporation à angle oblique (OAD) nous a permis de réaliser un substrat colonnaire suivi d’un dépôt d’oxyde de ruthénium. Dans un deuxième temps, nous avons mis en place un dépôt électrochimique d’or avec un modèle dynamique à bulles d’hydrogène. Cette technique permet la fabrication d’une structure d’or en trois dimensions par le biais d’un dépôt d’or réalisé simultanément avec une évolution d’hydrogène. L’électrodéposition de l’oxyde de ruthénium sur cette structure mésoporeuse a montré une très bonne compatibilité notamment en terme d’homogénéité du dépôt, une forte capacité à faible vitesse de balayage (> 3 F/cm2) et une bonne cyclabilité. Pour tester les performances de ces électrodes, nous avons réalisé un dispositif complet en configuration empilée présentant de bonnes caractéristiques. Cette technologie de fabrication a pu par ailleurs être transférée à la micro-échelle pour des dispositifs planaires à l’aide de procédés de photolithographie sur électrodes interdigitées.

Mots-Clés / Keywords
Dioxyde de ruthénium; Micro-supercondensateurs; Pseudo-capacité; Stockage de l'énergie; Structures 3D; Energy storage; Micro-supercapacitors; Supercapacitors; Pseudo-capacitance; Ruthenium oxyde; Structuration; Oblique angle deposition; Hydrogen bubbles dynamic template;

139393
17100
26/01/2017

Contribution à l'analyse des mécanismes de défaillance lors de décharges électrostatiques et de radiations aux ions lourds de composants MESFET en carbure de silicium

T.PHULPIN

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 26 Janvier 2017, 150p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: N.MALBERT, D.PLANSON, Examinateurs: X.PERPINYA, D.TOURNIER, A.TOUBOUL, Directeurs de thèse: P.AUSTIN, K.ISOIRD, D.TREMOUILLES , N° 17100

Lien : https://hal-univ-tlse3.archives-ouvertes.fr/tel-01493393

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Abstract

Power management is nowadays crucial with the global warming and the electronic needs of the society. Wideband gap semi-conductors like Silicon Carbide (SiC) are emerging in power electronic landscape because of their better properties in comparison with Silicon. Nevertheless reliability and knowledge about internal physic during electrostatic discharge (ESD) or radiation event is still missing and need specific studies. In this work, several SiC MESFET have been tested and results show two mains failure mechanism. First the passivation oxide clamping, and secondly the SiC sublimation induced by a parasitic structure in the device. An ESD protection was tested and validated. Unfortunately, this solution isn’t efficient for heavy ion protection. Indeed, no impact on the radiation robustness is noticed on the MESFET during a radiation event. SiC ESD reliability doesn’t look better than for Silicon devices. ESD robustness improvements are proposed in this work even if integration of this MESFET is still required to validate the improvement.

Résumé

La gestion de l’énergie électrique est aujourd’hui au cœur des enjeux environnementaux. L’éclosion de semi-conducteurs à grand gap comme le carbure de silicium (SiC) permet la réalisation de composants aux performances supérieures à celles des composants en silicium pour l'électronique de puissance. Toutefois, le comportement de ces dispositifs lors de décharges électrostatiques (ESD) ou lors de radiations est mal connu et nécessite des études spécifiques. Dans ces travaux, plusieurs composants MESFET SiC ont ainsi été testés face aux ESD et l’étude des mécanismes de défaillance a montré soit la défaillance de l’oxyde de passivation, soit la sublimation du SiC suite au déclenchement d’une structure parasite. L’intégration d’une diode Zener sur le drain du MESFET a ainsi été testée et validée comme protection ESD. La simulation démontre que la protection est inefficace par rapport à la tenue aux radiations d’ions lourds. Assurer la robustesse de ces technologies n’apparaît pas plus simple que pour les composants en silicium. Des solutions sont toutefois envisageables pour aider les concepteurs à améliorer la robustesse aux ESD, bien que des études supplémentaires restent à mener.

Mots-Clés / Keywords
Conception; Driver; ESD; Lock'in thermography; MESFET; Radiation; Robustesse; SiC;

139553
16450
01/12/2016

Conception et réalisation de composants de puissance à superjonction et à tranchées profondes pour des applications 600 V et 1200 V

S.NOBLECOURT

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 1 Décembre 2016, 150p., Président: P.AUSTIN, Rapporteurs: D.PLANSON, G.GAUTIER, Examinateurs: L.THEOLIER, Y.SPIGEL, Directeurs de thèse: F.MORANCHO, J.TASSELLI , N° 16450

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01451021

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Résumé

L’énergie et le transport sont au centre des recherches de développement durable. L’amélioration du rendement de la chaine énergétique passe inévitablement par une amélioration du rendement de chacune des parties la composant. Les activités de recherche en électronique de puissance s’inscrivent pleinement dans ces perspectives. L’objet de cette thèse est de proposer des solutions alternatives à l’utilisation de l’IGBT dans les convertisseurs employés pour le transport dans les gammes de 600V et 1200V. De nombreuses recherches se sont concentrées sur l’amélioration des composants MOSFET, notamment pour améliorer la résistance à l’état passant. Le concept de superjonction est le premier à avoir dépasser la limite théorique du silicium. Il consiste en une alternance de bandes N et P à la place de la zone de drift. A surfaces de silicium identiques, la surface de la jonction PN ainsi obtenue est alors beaucoup plus importante dans la superjonction que dans une diode traditionnelle. La tenue en tension va dépendre de la balance des charges entre ces différentes bandes et ne dépendra plus du dopage. Cela permet d’augmenter le dopage de la zone intrinsèque et d’ainsi diminuer la résistance à l’état passant sans entacher les performances dynamiques du composant. Ainsi, il est donc possible d’améliorer le rendement du composant et donc d’améliorer le rendement de la chaine énergétique. Dans une première partie, les travaux de thèse se sont focalisés sur la conception et l’optimisation de composants à superjonction et à tranchées profondes dans les gammes de 600V et 1200V. L’objectif est d’obtenir le meilleur compromis tenue en tension/ résistance à l’état passant pour ces gammes de tension. L’étude théorique a permis de comprendre le comportement de la tenue en tension de différents paramètres technologiques et géométriques. La tenue en tension est très sensible à l’équilibre des charges et à la verticalité des tranchées. La résistance passante, elle, est sensible à la profondeur de diffusion autour des tranchées et, plus généralement, au ratio de conduction entre la surface de la zone N et la surface totale. La structure a donc été optimisée afin de garantir le meilleur ratio « tenue en tension/résistance à l’état passant » en vue d’une réalisation technologique. De plus, les composants à Superjonction nécessitent une protection en périphérie adaptée. En effet, les terminaisons surfaciques telles que les anneaux de garde ne permettent pas d’étaler la zone de charge d’espace à des profondeurs suffisantes. La terminaison qui est la plus adaptée à cette technologie est la Deep Trench Termination car elle permet de conserver l’équilibre des charges en périphérie et ne rajoute pas d’étapes technologiques supplémentaires. Cette terminaison a donc fait l’objet d’une optimisation aux cours de ces travaux de thèse. La seconde partie de mes travaux concerne la réalisation de la structure optimisée précédemment. L’optimisation de la diode à Superjonction est liée à certains paramètres technologiques pouvant s’avérer critiques pour obtenir les performances électriques désirées: la verticalité des tranchées, l’implantation des zones de type P sur les flancs des tranchées et la maîtrise de leur remplissage par un diélectrique. Afin d’assurer un parfait équilibre des charges entre les régions N et P, la fabrication des tranchées profondes a été optimisée afin d’obtenir des flancs de gravure les plus verticaux possible avec une rugosité de surface la plus faible possible. De plus, un procédé visant à obtenir une même profondeur de gravure quelle que soit l’ouverture a été mis en place afin de permettre un remplissage total des tranchées profondes avec du BenzoCycloButene (BCB). L’étude du remplissage des tranchées a permis de mettre au point un procédé permettant le remplissage des tranchées en un seul dépôt.

Mots-Clés / Keywords
Benzocyclobutène; Composants de puissance; Energie; Superjonction;

138433
16260
22/06/2016

Optimization of the elaboration of insulating layers for the gate structures and the passivation of MIS-HEMT transistors on GaN

R.MEUNIER

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 22 Juin 2016, 141p., Président: A.CAZARRE, Rapporteurs: Y.CORDIER, M.P.BESLAND, Examinateurs: G.TOULON, F.MEDJOUB, Directeurs de thèse: F.MORANCHO, A.TORRES , N° 16260

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01376016

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Abstract

The objective of this Ph.D. is to define the best gate dielectric material to introduce in order to create a high-performance MIS-HEMT transistor on an AlGaN/GaN heterostructure. The aim is to reduce gate leakage current as much as possible while preserving a threshold voltage as high as possible in the case of normally-on type transistors. In order to achieve this, surface treatments before the high-k deposition were, and the deposition technique in itself was investigated. The choice made was to use alumina Al2O3 deposited by PEALD(plasma enhanced atomic layer deposition). In a second time, if time is sufficient, another objective is to achieve the creation of normally-off MIS-HEMT transistors, keeping in mind applying to those transistors the results previously obtained. This was done through complete recces etching of the AlGaN barrier under the gate, integrated in the making of a MIS-HEMT structure. Objectives were achieved in both cases, with state of the art results and their presentation in 4 international conferences. a paper was also published in a scientific journal.

Résumé

La thèse a pour but de définir quel est le diélectrique de grille optimal à introduire dans le cadre de la réalisation d'un transistor MIS-HEMT sur hétérostructure AlGaN/GaN. L'objectif est de réduire les courants de fuite de grille au maximum, tout en assurant une tension de pincement la plus élevée possible dans le cas de transistors de type normally-on. Afin de réaliser cela, les traitements de surface avant dépôt ont été étudiés, ainsi que la méthode de déposition en elle-même. Le choix réalisé a été celui de l'alumine Al2O3 déposé par PEALD (Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition). Un objectif secondaire fut la réalisation de structures MIS-HEMT de type normally-off, en leur appliquant les résultats obtenus précédemment. La solution retenue a été la gravure totale de la barrière d'AlGaN sous la grille par gravure ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching) à base de BCl3 intégrée dans la réalisation d'une structure MIS-HEMT. Les objectifs ont été atteints dans les deux cas, avec des résultats à l'état de l'art et des présentations dans 4 conférences internationales. Une publication a été faite dans une revue scientifique.

137413
15744
16/11/2015

Convertisseurs DC/DC à base de HFETs GaN pour applications spatiales

G.DELAMARE

ISGE

Doctorat : INP de Toulouse, 16 Novembre 2015, 136p., Président: F.MORANCHO, Rapporteurs: F.FOREST, J.P.FERRIEUX, Examinateurs: J.EVERTS, P.MAYNADIER, Directeur de thèse: H.SCHNEIDER , N° 15744

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01499458

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Résumé

L'amélioration de la compacité et du rendement des convertisseurs à découpage est une problématique centrale en électronique de puissance; elle l'est encore plus à bord des satellites où chaque gramme et chaque watt comptent. Chacun des nombreux émetteurs et récepteurs radiofréquence qui équipent les satellites de télécommunication a besoin d'être alimenté par diverses tensions, converties de façon isolée à partir du bus principal de distribution de puissance. En raison des lourdes contraintes thermiques, de fiabilité et de résistance aux radiations qui pèsent sur les composants électroniques dans les applications spatiales, les degrés de liberté pour améliorer les alimentations sont restreints, en tout cas avec les technologies actuelles de semiconducteurs qualifiés (couteuses et très en retrait des performances de l'état de l'art). La commercialisation assez récente de transistors de puissance en nitrure de gallium (GaN) à canal normalement bloqué, présentant des caractéristiques électriques supérieures à celles des meilleurs MOSFET de puissance en silicium, est prometteuse sur ce point. En effet leur robustesse intrinsèque aux radiations semble permettre leur emploi dans des convertisseurs spatiaux. Le but de ce travail est l'évaluation des apports possibles de cette technologie dans la réalisation d'alimentations DC/DC isolées pour des équipements typiques des charges utiles des satellites de télécommunication. Le fonctionnement à des fréquences de découpage plus élevées avec ces composants plus performants doit, au premier abord, réduire l'encombrement des convertisseurs à rendement égal (voire meilleur) tout en continuant à respecter le cahier des charges spécifique à chaque application. La pertinence de cette hypothèse et l'architecture de mise en œuvre la plus adéquate ont été explorées pour l'alimentation faible puissance d'un récepteur RF, avec réalisation et comparaison de plusieurs maquettes de démonstration. Afin d'aborder des convertisseurs de plus fortes puissances, une étude théorique et expérimentale des pertes par commutation dans les jambes de pont de transistors GaN a été menée. Un programme de calcul de performances a été développé en Python et mis en œuvre pour identifier l'optimum global du dimensionnement d'un convertisseur Dual Active Bridge destiné à l'alimentation d'un amplificateur RF de puissance (250 W DC). Une maquette prototype a été réalisée et a démontré l'intérêt de la topologie et des composants GaN dans cette application, tout en mettant en évidence la prédominance des pertes haute fréquence des composants magnétiques parmi les pertes totales du convertisseur. Ce dernier point s'avère finalement être la principale limitation de l'approche, précieuse pour l'ingénierie, de dimensionnement optimal par le calcul : les modèles actuellement existants d'estimation des pertes dans les éléments magnétiques se révèlent insatisfaisants pour prédire les performances de ce type de convertisseur.

Mots-Clés / Keywords
Convertisseur DC-DC; FET GaN; HFET; Spatial; Satellite; Electrotechnique;

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