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Abstract

This paper presents an original concept in which integrated over-voltage and/or over-current protections of power devices are used to produce a self-switching operation. Such a commutation is shown as a possible combination with conventional forced-switching and spontaneous-switching to simplify direct regenerative ac-dc conversion, insulating dc-ac-dc conversion and finally direct ac-ac conversion. Experimental results prove the feasibility of the concept through which the self turn-off operation is likely to offer the best practical gains.

Abstract

This paper presents a brief overview of the monolithic integration in the field of power electronics. Emphasis is mainly put on the functional integration concept. The role that this mode of integration, according to its classical definition, played to enable the monolithic integration of the power device with auxiliary elements (mainly protections and supply) for the realization of new functions dedicated for medium power applications is highlighted. At that end, some of the recent realizations are described in order to showcase some of the potentialities of this mode of integration. Furthermore, to extend further the classical integration towards a 3D "heterogeneous" functional integration, an example that highlights the improvements that should be achieved at the devices level as well as at the devices environment level, for the development of new power integrated functions for ac applications, is discussed. The last part deals with the technology process evolution for the realization of the active devices as well as the passive elements. In this part, a flexible technological process and its importance in the development of more complex functions, implemented in 3D within the silicon die volume and at the surface, is described in more detail.

Mots-Clés / Keywords

Abstract

In this paper, we present a design procedure for the integration of a new specific function based on the association of a ZVS mode thyristor and a circuit breaker dedicated to self-switching mode power converters. This function, based on the functional integration concept, monolithically associates protection, self-drive and power switch functions. This function uses an original switching mode of operation. After presenting the characteristics of the function and the function specifications, we focus on the different design steps: function optimization and cells sizing using 2D electrical and technological simulations, and mask design.

Mots-Clés / Keywords

Résumé

Nous analysons à partir de simulations 2D et 3D une structure qui intègre monolithiquement un IGBT à bandes parallèles et une diode PIN de conduction inverse. Par rapport à un IGBT classique, la face arrière de cette structure est constituée de régions dopées P+ et N+. Nous montrons à partir de la visualisation de la répartition des porteurs dans une structure, l'influence de la diffusion N+ face arrière sur la chute de tension à l'état passant. Les simulations ont été effectuées premièrement sur une seule cellule puis elles ont été réalisées sur un grand nombre de cellules en respectant le critère de rapport de surfaces N+/(N+ + P+) sur la face arrière. Dans cet article, l'application que nous visons concerne le cas où la diode intégrée assure la conduction durant un temps très court pendant la commutation.

Résumé

Nous analysons à partir de simulations 2D et 3D une structure qui intègre monolithiquement un IGBT à bandes parallèles et une diode PIN de conduction inverse. Par rapport à un IGBT classique, la face arrière de cette structure est constituée de régions dopées P+ et N+. Nous montrons à partir de la visualisation de la répartition des porteurs dans une structure, l'influence de la diffusion N+ face arrière sur la chute de tension à l'état passant. Les simulations ont été effectuées premièrement sur une seule cellule puis elles ont été réalisées sur un grand nombre de cellules en respectant le critère de rapport de surfaces N+/(N+ + P+) sur la face arrière. Dans cet article, l'application que nous visons concerne le cas où la diode intégrée assure la conduction durant un temps très court pendant la commutation.