Etude d'une structure d'interrupteur 4 quadrants à faibles pertes à base de transistors à forts gains

S inscrivant dans le cadre de la gestion de l énergie dans l habitat du programme SESAME du pôle de compétitivité S2E2, l objectif de cette thèse est d étudier et de proposer une structure d interrupteur commandable à l ouverture et à la fermeture, bidirectionnel en tension et en courant et à faible perte énergétique, destiné à connecter tout type de charges sur le réseau alternatif 230V/50Hz. Il n existe pas à l heure actuelle de composants interrupteurs monolithiques de ce type. La première partie du mémoire présente les interrupteurs électroniques existants. La deuxième partie, traite des interrupteurs électroniques à base de transistors MOS et des limites de cette technologie unipolaire en termes de compromis de minimisation de surface de puces et de minimisation de la dissipation de puissance. Nous montrons ensuite que l on peut repousser ces limites en adoptant des solutions à base de transistors bipolaires de puissances et notamment avec des bases fines autoprotégées (Transistors GAT). Le quatrième chapitre présente les résultats d une étude des caractéristiques à l état passant et à l état bloqué de transistors GAT et valide leur aptitude à fonctionner sur le réseau alternatif. Nous montrons plusieurs voies possibles d amélioration des caractéristiques de ces transistors avant d étudier leur comportement dans une fonction interrupteur. Nous terminons ce travail en démontrant l intérêt de la commande des transistors GAT en mode de conduction inverse, intérêt qui nous conduit ensuite à proposer une structure d interrupteur totalement novatrice, avec la réduction par deux du nombre de composants et donc une réduction accrue de la puissance dissipée dans l interrupteur.As part of the energy management for household appliances of the S2E2 competitive pole SESAME program, the objective of this thesis is to propose a bidirectional switch in current and voltage with full turn-off control and low energy loss, ensuring the control of all loads types connected to the mains. The first part of this thesis presents the advantages and disadvantages of discrete or monolithic switches. In the second part, we were interested in electronic switches composed of MOS transistors. Different associations strategies and controls will be tested to reduce the power dissipation of the switch on the one hand, and facilitate control of the device on the other hand. Then we turned to solutions based on power bipolar transistors. The last one, called GAT distinguished itself by its high current gain and its low voltage drop in the on state. By implementing around the active base heavily doped caissons which create a shielding effect, one can increase the structure performances. After the design of this component in our laboratory, the characteristics of the on state and the off state were improved to validate its functionality in AC mains. The study will then focus on different technologies to confirm its performances. Using low metallization resistance and assembly strategy intelligently defined, it has been demonstrated that the performance of this component can be increased. Finally, we proposed a new switch structure using only two transistors GAT. We show that the interesting GAT reverse mode characteristics permit to deflect the load current flowing in the diodes and delete them. So we reduced the important source of power dissipation in the switch.TOURS-Bibl.électronique (372610011) / SudocSudocFranceF

BJT application expansion by insertion of superjunction

International audienceIn this paper, some high voltage Bipolar Junction Transistors are presented and compared in order to suggest a switch for household appliances with fully turn-on, turn-off control. For the first time, a comparative theoretical study, using 2D simulations, shows that concepts like the "superjunction" improve the static behaviour of conventional BJT. These new structures are compared with a SJMOSFET and an IGBT. The new BJT exhibits lower static losses than SJMOSFET and gives up an interest in bipolar structure

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S’inscrivant dans le cadre de la gestion de l’énergie dans l’habitat du programme SESAME du pôle de compétitivité S2E2, l’objectif de cette thèse est d’étudier et de proposer une structure d’interrupteur commandable à l’ouverture et à la fermeture, bidirectionnel en tension et en courant et à faible perte énergétique, destiné à connecter tout type de charges sur le réseau alternatif 230V/50Hz. Il n’existe pas à l’heure actuelle de composants interrupteurs monolithiques de ce type. La première partie du mémoire présente les interrupteurs électroniques existants. La deuxième partie, traite des interrupteurs électroniques à base de transistors MOS et des limites de cette technologie unipolaire en termes de compromis de minimisation de surface de puces et de minimisation de la dissipation de puissance. Nous montrons ensuite que l’on peut repousser ces limites en adoptant des solutions à base de transistors bipolaires de puissances et notamment avec des bases fines autoprotégées (Transistors GAT). Le quatrième chapitre présente les résultats d’une étude des caractéristiques à l’état passant et à l’état bloqué de transistors GAT et valide leur aptitude à fonctionner sur le réseau alternatif. Nous montrons plusieurs voies possibles d’amélioration des caractéristiques de ces transistors avant d’étudier leur comportement dans une fonction interrupteur. Nous terminons ce travail en démontrant l’intérêt de la commande des transistors GAT en mode de conduction inverse, intérêt qui nous conduit ensuite à proposer une structure d’interrupteur totalement novatrice, avec la réduction par deux du nombre de composants et donc une réduction accrue de la puissance dissipée dans l’interrupteur.As part of the energy management for household appliances of the S2E2 competitive pole SESAME program, the objective of this thesis is to propose a bidirectional switch in current and voltage with full turn-off control and low energy loss, ensuring the control of all loads types connected to the mains. The first part of this thesis presents the advantages and disadvantages of discrete or monolithic switches. In the second part, we were interested in electronic switches composed of MOS transistors. Different associations strategies and controls will be tested to reduce the power dissipation of the switch on the one hand, and facilitate control of the device on the other hand. Then we turned to solutions based on power bipolar transistors. The last one, called GAT distinguished itself by its high current gain and its low voltage drop in the on state. By implementing around the active base heavily doped caissons which create a shielding effect, one can increase the structure performances. After the design of this component in our laboratory, the characteristics of the on state and the off state were improved to validate its functionality in AC mains. The study will then focus on different technologies to confirm its performances. Using low metallization resistance and assembly strategy intelligently defined, it has been demonstrated that the performance of this component can be increased. Finally, we proposed a new switch structure using only two transistors GAT. We show that the interesting GAT reverse mode characteristics permit to deflect the load current flowing in the diodes and delete them. So we reduced the important source of power dissipation in the switch

Improvement of a bidirectional switch for electric network

International audienceIn this paper, we suggest a new behaviour for a bipolar bidirectional switch for network application. We use two high current gain bipolar power transistors, based on TBSBT, one to control the forward current, and the second one to short-circuit the complementary diode, thus, for the first time, significantly decrease its power dissipation. For that, we must improve the power transistor's reverse current gain