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Thèse - Approche de modélisation distribuée appliquée aux composants semi-conducteurs bipolaires de puissance en VHDL-AMS. Application à la diode PIN de puissance et à l'IGBT

semi-conducteurs bipolaires
Hneine, Adnan
Sous la direction du : Austin, Patrick . Massol, Jean-LucEcole doctorale: Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS) - CNRS
Mots-clés libres : VHDL-AMS - Modélisation physique - Composants semi-conducteur de puissance - Diode PIN de puissance - Transistor IGBT - Questa-ADMS
Sujets : Electricite, électronique, automatique

Table des matières

1 Electronique de puissance et prototypage virtuel  

1.1 Introduction  

1.2 Problématique de la conception en électronique de puissance  

1.2.1 L’intégration en électronique de puissance  
1.2.1.1 L’intégration hybride  
1.2.1.2 L’intégration monolithique 
1.2.1.3 Synthèse  
1.2.2 Effets Thermiques  

1.3 Les interrupteurs de puissance  

1.3.1 Les composants de puissance unipolaires 
1.3.2 Les composants de puissance bipolaires 
1.3.2.1 Schématisation des structures bipolaires  
1.3.2.2 La diode de puissance PIN  
1.3.2.3 Principe de fonctionnement de la diode PIN 
1.3.2.4 L’Insulated Gate Bipolar Transistor  
1.4 La modélisation  
1.4.1 Objectifs de la modélisation 
1.4.2 Les différentes approches de modélisation [Bonnet 03] 
1.4.2.1 Modélisation comportementale  
1.4.2.2 Modélisation physique 
1.4.2.3 Modélisation à éléments finis [Austin 03] 

1.5 Les langages descriptifs et outils de simulation 

1.5.1 Outils de constructeurs 
1.5.1.1 IPOSIM-Infineon  
1.5.1.2 MELCOSIM-Mitsubishi 
1.5.2 Les différents langages de modélisation 
1.5.2.1 SysML 
1.5.2.2 Mast 
1.5.2.3 Modelica  
1.5.2.4 VHDL-AMS 
1.5.2.5 Verilog-AMS  
1.5.3 Le choix du langage de modélisation 
1.5.3.1 Comparaison des différentes langages descriptifs  
1.5.3.2 Choix du VHDL-AMS  
1.5.4 Outils de simulation 
1.5.4.1 SPICE 
1.5.4.2 Questa-ADMS 
1.5.4.3 SystemVision 
1.5.4.4 Simplorer  
1.6 Objectifs de la thèse  
1.6.1 Bibliothèque des sous modèles  
1.7 Conclusion 

2 Présentation de la bibliothèque des sous modèles  

2.1 Introduction  

2.2 Approche distribuée de la modélisation des structures bipolaires 

2.2.1 Hypothèses simplificatrices/Approche unidimensionnelle 
2.2.2 Comportement électrique de la région de base  

2.3 L’équation de diffusion ambipolaire  

2.3.1 Principe de résolution de l’équation de diffusion ambipolaire 
2.3.2 Représentation à l’aide de lignes RC [Gillet 95]  
2.3.3 Calcul de la concentration des porteurs aux frontières 
2.3.4 Évolution des frontières par asservissement  
2.3.4.1 Régime de saturation 
2.3.4.2 Régime de désaturation [Austin 03, De Maglie 07] 
2.3.5 Troncatures des lignes ; limitation du nombre de cellules  

2.4 Modélisation des différents régions électriques 

2.4.1 Les émetteurs  
2.4.1.1 Les émetteurs classiques fortement dopés 
2.4.1.2 Les émetteurs minces fortement dopés  
2.4.1.3 Les émetteurs associés à une couche tampon 
2.4.1.4 Présentation du code VHDL-AMS de l’émetteur classique  
2.4.2 Les zones de charge d’espace 
2.4.2.1 Description comportementale  
2.4.2.2 Présentation du code VHDL-AMS des zones de charge d’espace  
2.4.3 Section MOS 
2.4.3.1 Description comportementale  
2.4.3.2 Présentation du code VHDL-AMS de la section MOS  
2.4.4 Caisson P/P+ 
2.4.4.1 Prise en compte des courants latéraux et verticaux 
2.4.4.2 Claquage par avalanche  
2.4.4.3 Présentation du code VHDL-AMS du caisson P/P+  

2.5 Influence de la température. Présentation des paramètres thermosensibles. 

2.5.1 Concentration intrinsèque  
2.5.2 Mobilité des porteurs  
2.5.3 Vitesse limite des porteurs 
2.5.4 Durée de vie des porteurs 
2.5.5 Paramètres de recombinaison surfacique  
2.5.6 Paramètres du MOS  
2.5.6.1 Tension de seuil  
2.5.6.2 Facteur de pente 
2.6 Conclusion 

3 Mise en oeuvre et exploitation de la bibliothèque  

3.1 Mise en oeuvre 
3.1.1 Règles élémentaires de la modélisation en VHDL-AMS  
3.1.1.1 Représentation des grandeurs analogiques 
3.1.1.2 Attributs  
3.1.1.3 Alternatives 
3.1.1.4 Discontinuités  
3.1.1.5 Domaine de simulation  
3.1.2 Assemblage des différentes zones physiques / Sous modèles  
3.1.2.1 Continuité des courants aux interfaces 
3.1.2.2 Calcul de la chute de tension totale entre électrodes 
3.1.3 Méthode d’implémentation sous VHDL-AMS 
3.1.4 Modèle de la diode PIN de puissance  
3.1.4.1 Description du modèle de la diode PIN 
3.1.4.2 Problématique de modélisation par sous-modèles 
3.1.4.3 Présentation du code VHDL-AMS de la diode PIN  
3.1.5 Modèles de l’IGBT-NPT et IGBT-PT planar 
3.1.5.1 Description du modèle de l’IGBT à contrôle d’injection (non punch through) ou NPT  
3.1.5.2 Description du modèle de l’IGBT à limitation de charge d’espace (punch through) ou PT 
3.1.5.3 Implantation par approche régionale  
3.1.5.4 Implantation par approche globale  
3.2 Exploitation  
3.2.1 Simulation de la diode PIN de puissance 
3.2.1.1 Présentation du circuit électrique  
3.2.1.2 Présentation des différents composants testés  
3.2.1.3 Présentation du code VHDL-AMS du circuit de test de la diode PIN (testbench) 
3.2.1.4 Résultats de simulation du modèle VHDL-AMS de la diode PIN sous Questa-ADMS. Configuration redresseur  
3.2.1.5 Résultats de simulation du modèle VHDL-AMS de la diode PIN sous Questa-ADMS. Configuration roue libre 
3.2.1.6 Influence du nombres de cellules sur les formes d’ondes 
3.2.1.7 Conclusion 
3.2.2 Simulation statique de l’IGBT-NPT 
3.2.2.1 Présentation du circuit électrique  
3.2.2.2 Présentation du code VHDL-AMS du circuit de test de l’IGBT-NPT 
3.2.2.3 Résultats de simulation du modèle VHDL-AMS de l’IGBTNPT sous Questa-ADMS 

3.3 Simulation dynamique de l’IGBT-NPT  

3.4 Conclusion 
Conclusion générale et perspectives  
Bibliographie  
 A Les interrupteurs de puissance  
A.1 Les composants de puissance unipolaires  
A.1.1 Le MOSFET de puissance 
A.1.1.1 Fonctionnement à l’état passant  
A.1.1.2 Fonctionnement à l’état bloqué 
A.1.2 Le transistor VDMOS  
A.1.3 Le transistor LDMOS 
A.1.4 Le transistor MOS de puissance à superjonction  
B Codesmodèles VHDL-AMS  
B.1 La diode PIN de puissance  
B.1.1 Modèle de l’émetteur P+  
B.1.2 Modèle de la zone de charge d’espace 
B.1.3 Modèle de la base large et peu dopée  
B.1.4 Modèle de zone de drift  
B.1.5 Modèle de l’émetteur N+ 
B.1.6 Modèle de la diode PIN 
B.1.7 Modèle du générateur pulse  
B.1.8 Modèle de l’interrupteur (Switch)  
B.1.9 Modèle du signal Clock  
B.1.10 Modèle du diode idéale  
B.1.11 Modèle du circuit de test (testbench) de la diode PIN  
B.2 Le transistor IGBT-NPT 
B.2.1 Calcul de l’équation de diffusion ambipolaire et des lignes RC  
B.2.2 Calcul des paramètres de l’IGBT-NPT  
B.2.3 Modèle de l’IGBT-NPT  
Listes des publications  


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Ditulis oleh: younes younes - mercredi 7 novembre 2012

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