L'Institut franco-allemand de recherche de Saint-Louis (ISL) développe des alimentations de forte puissance pour des applications d'électronique impulsionnelle. En vue de réduire les pertes, l'encombrement et le poids de ces systèmes, des thyristors en carbure de silicium pourraient à l'avenir remplacer les interrupteurs en silicium actuels. C'est dans le cadre de la collaboration entre le laboratoire Ampère et l'ISL que s'inscrit cette thèse sur ce thème de recherche. Les propriétés physiques du carbure de silicium et les composants réalisés par différents laboratoires universitaires et industriels ont démontré les aptitudes de ce matériau pour les fortes puissances. Le travail réalisé au cours de cette thèse a permis de concevoir de réaliser et de caractériser des thyristors optiques en carbure de silicium. Dans un premier temps, le travail de conception, basé sur des simulations éléments finis, a permis d'optimiser deux protections périphériques, la JTE multiple gravée et la JTE assistée par anneaux gravée, toutes deux robustes vis à vis des incertitudes technologiques sur la gravure, et ayant la particularité de ne pas recourir à l'implantation ionique. Deux séries de thyristors optiques ont ainsi été fabriquées. Le premier lot avait pour but de valider la faisabilité du déclenchement optique de thyristor avec des diodes électroluminescentes UV. Le deuxième lot a permis de mettre en œuvre la JTE assistée par anneaux. Une tenue en tension maximale de 6,3 kV a été mesurée sur ces thyristors. Ces composants sont aussi destinés à évaluer les possibilités en termes d'impulsion de courant des thyristors SiC. A ce titre, deux premières caractérisations ont été effectuées et les dispositifs ont été capables de passer un courant crête de 156 A (soit une densité de courant de 15,6 kA.cm-2) sur une impulsion de 10 μs de large et 40 A (4 kA.cm-2) sur une impulsion de 650 microsecondes de large. Ces résultats montrent une progression significative par rapport aux précédents travaux réalisés sur le thyristor SiC au laboratoire. Ils valident également la bonne stabilité de la technologie de fabrication de l'ISL (gravure, contact ohmique). Cependant, le rendement de fabrication devra être amélioré par le travail mené actuellement par l'ISL, sur la passivation des composants. / In order to reduce the losses, the weight and the volume of the power supply of its pulse power systems, the French German research institute of Saint-Louis (ISL) intends to replace the currently used silicon switches by silicon carbide thyristors. This work, in the frame of the collaboration between Ampere laboratory and ISL, deals with the design the fabrication and the characterization of light triggered thyristors in silicon carbide. In the first place, two device terminations, the graded etched JTE and the guard ring assisted etched JTE, have been optimized using finite element simulation. These two structures are tolerant to technological uncertainties and don’t need ion implantation. Two series of light triggered thyristors were also fabricated. Concerning the first run, the light triggering of SiC thyristor with UV light-emitting diodes was demonstrated. The guard ring assisted etched JTE was tested on the second run. The best blocking voltage measured on devices with this termination was 6.3 kV. These devices also aim at assessing the pulse current capabilities of silicon carbide thyristors. To this end, two characterizations were performed and a peak current of 156 A (15.6 kA/cm2) was reached with a pulse width of 10 IJS and 40 A (4 kA/cm2) with a pulse width of 650 IJS. These results show a significant progress compared to previous achievements of the laboratory on silicon carbide thyristor. They also validate the good stability of the fabrication technology of the ISL cleanroom (Etching process, ohm le contact). However, the fabrication yield needs to be improved by the optimization of the device passivation, which is currently under progress at ISL.

Cette thèse se place dans le cadre du projet Diamonix, qui vise à établir une filière diamant en France. La thèse porte sur des travaux de dimensionnement de protection périphérique, structure nécessaire au bon fonctionnement des composants d’électronique de puissance. Le développement de protections périphériques applicables aux diodes Schottky sur diamant monocristallin nécessite plusieurs étapes. Après un premier chapitre détaillant l’état de l’art de l’utilisation de diamant en électronique de puissance, nous nous attardons sur la conception de protection périphérique basée sur une plaque de champ à l’aide de divers diélectriques et ensuite à l’aide d’un matériau semi-résistif dans le chapitre 2. Ces simulations sont réalisées à l’aide du logiciel SENTAURUS TCAD. Le troisième chapitre essaie de répondre aux problèmes technologiques posés par le chapitre 2. Nous avons ainsi développé une nouvelle technique de gravure basée sur une succession d’étapes utilisant Ar/O2 puis CF4/O2. Puis, dans un deuxième temps, nous avons réalisé des capacités Métal/Diélectrique/Diamant afin de qualifier le comportement des diélectriques sur le matériau diamant. Leur comportement est problématique mais il s’agit à notre connaissance de la première étude poussée de capacités sur diamant. Le chapitre 4 revient sur la fabrication et la caractérisation de diodes Schottky protégées à l’aide de plaques de champ sur divers diélectriques, les résultats obtenus étant mitigés. Enfin, la conclusion revient sur les résultats importants de simulation, de gravure, de caractérisation des capacités et des diodes Schottky pour ensuite s’élargir et donner des perspectives de travail. / This thesis work is part of the Diamonix project, which is about forming a France-based supply and fabrication of diamond electronics devices. Work in this thesis is centered upon designing a peripheral junction protection suitable for diamond Schottky diodes, a vital structure for the right behavior of power electronics components. Such design on monocristalline diamond substrates needs several steps. After a first chapter dealing with diamond state of the art in power electronics, emphasis is brought upon the design of a field plate protection using several dielectric materials and a semi-resistive component in the second chapter. Those simulations are carried out using SENTAURUS TCAD software suite. The third chapter tries to answer any technological difficulties met in the second chapter. For instance, a new etching technique based upon a succession of steps has beeen developped. Then, Metal/Dielectric/Diamond capacitors were made to determine the electrical behavior of those dielectrics on diamond. Their behavior is problematic but it is to our knowledge the first time such devices are characterized in such extent. The fourth chapter deals with the processing and characterizing of diamond Schottky diodes protected using field plates on several dielectrics, which measurements results are a bit disappointing. Finally, the conclusion insists on the main results of the thesis and then opens up to a discussion over the perspectives of future works around diamond.

L’introduction des composants grand gap dans le domaine de l’électronique de puissance requiert une optimisation de son environnement (packaging). En effet, les températures auxquelles peuvent être utilisés ce type de composants sont bien souvent plus grandes que celles supportables par le reste du module. De nouvelles techniques d’assemblage sont à l’étude et notamment certaines à base de frittage d’argent. Ces procédés présentent l’avantage de réaliser l’assemblage à une température modérée (similaire à celle d’une brasure), mais toutefois inférieure à celle de fusion de l’argent. La température de fusion du joint d’attache reste celle du matériau massif (plus de 900°C pour l’argent). Cette technique permet donc de réaliser des attaches pouvant fonctionner à très haute température. Ce travail de thèse a porté sur la mise en oeuvre d’une attache de puce par frittage d’argent. Après une étude des paramètres du procédé permettant d’obtenir la meilleure tenue mécanique (cisaillement), nous avons mis en évidence l’effet prépondérant de la finition des pièces à joindre. Lorsque la finition du substrat est de l’argent, aucun problème d’interface n’est observé et les assemblages sont fiables à t0 et en vieillissement. Généralement, la finition standard pour l’électronique de puissance est constituée d’une couche de nickel et d’or. Pour cette finition, le mécanisme semble différent selon l’épaisseur d’or présente sur le substrat ainsi que l’atmosphère utilisée pour le traitement thermique ou encore la charge appliquée. Globalement, plus l’épaisseur d’or est importante, moindre est l’accroche. Ce comportement semble fortement lié à la diffusion extrêmement rapide de l’argent en surface de l’or (et dans l’or). Cette diffusion a pour conséquence la formation d’une couche de solution solide or-argent. Cette couche a pour source de matière les grains d’argent qui permettent l’adhérence du joint d’argent fritté sur le substrat. Lorsque le volume d’or disponible pour la formation de cette couche est grand, la croissance de celle-ci est favorisée (en termes de surface et d’épaisseur). Cette croissance engendre une consommation des « piliers » d’argent et donc un affaiblissement de l’attache. L’application de pression semble augmenter fortement la concentration de piliers et améliore les résultats, tandis que sous azote, la diffusion de l’argent en surface de l’or semble inhibée, permettant l’obtention de bons résultats (à t0 et après cyclage). Ces résultats ont été mis en pratique pour la réalisation de plusieurs prototypes, dont l’un a été testé électriquement et ce de façon fonctionnelle à plus de 300°C. / Use of wide band gap chip in the power electronic industry requires an optimization of the close environment (packaging). Indeed, the can often sustain lower temperature than the die, especially the solder that are used to bond the parts of the module. Consequently, new bonding methods are investigated to enhance the performance of the packages. Silver sintering bonding technique is one the most promising. This method allow to bond parts at moderate temperature and the formed joint to operate at very high temperature (until the melting point of silver). This work is focused on the development of this bonding technique in the case of bonding a dies on a substrate. A study of the influence of the different parameters on the strength of the formed bond has been done. It revealed a major influence of the finishes of the bonded parts. Bonding on silver finished substrate results in good mechanical strength of the bond even after ageing. Furthermore, no interface issues are observed. However, the most used finish for power electronic is not silver but nickel-gold. Regarding this type of finish, the bond quality depends on the gold thickness, sintering profile and also sintering atmosphere. A solid solution of silver and gold seems to develop on the surface of the substrate, decreasing the section of the silver grains in contact with the substrate. Thus the mechanical strength of the assembly is decreased. This effect should be limited by the gold available for the Au-Ag solid solution growth. When sintering under nitrogen, the diffusion of silver on the gold surface is much lower than under air. Good results have been obtained with these configurations and even after ageing. Adding pressure during the thermal treatment seems also to minimize the phenomenon, probably by increasing the number of silver grains in contact with the substrate surface and so reducing the free surface for Au-Ag layer formation. Those results have been used to build prototypes, one of whom has been electrically tested with success at temperatures up to 300°C.

Cette thèse s’intéresse à la commande et l’observation d’une classe de systèmes linéaires à commutations (SLC). La classe considérée regroupe les systèmes pouvant être représentés par un modèle Hamiltonien à ports. Récemment, plusieurs travaux ont utilisé la théorie des systèmes dynamiques hybrides pour traiter les problèmes de stabilité, de commandabilité et d’observabilité des systèmes linéaires à commutations. Cependant, certains verrous scientifiques demeurent et nécessitent d’être levés tels que la synthèse d’observateurs pour des SLC présentant des modes de fonctionnement inobservables ou la commande hybride de systèmes possédant un nombre réduit d’entrées de commutations et un nombre élevé de variables d’état à contrôler. Dans ce travail, nous nous intéressons à la synthèse d’observateurs s’appuyant sur la modélisation moyenne et la modélisation hybride de SLC ayant une topologie Hamiltonienne à ports particulière. Ce formalisme possède les outils nécessaires pour établir des preuves de stabilité des erreurs d’observation. Dans un premier temps, nous proposons un observateur non linéaire reposant sur le modèle moyen de la classe des SLC considérée. Ensuite, nous traitons le problème de synthèse d’un observateur hybride où nous proposons un observateur commuté prenant en compte les modes de fonctionnement inobservables. Le problème de la commande des SLC est abordé par la suite. Au départ, la théorie de Lyapunov est utilisée pour proposer deux lois de commandes : La première est synthétisée à partir du modèle moyen et la deuxième exploite le modèle hybride. Une commande optimale hybride est élaborée en utilisant le principe du maximum de Pontryagin et une approche utilisant la recherche d’arcs singuliers. Finalement, une commande prédictive hybride est établie à partir d’un modèle discrétisé du système. Des résultats de simulation et une mise en œuvre expérimentale sur un convertisseur DC-DC SEPIC sont donnés pour montrer l’efficacité des méthodes proposées. L’étude d’un tel circuit est motivée par sa topologie particulière qui contient à la fois un mode de fonctionnement observable et un mode de fonctionnement inobservable. En outre, il possède une seule entrée de commutations et quatre variables d’état ce qui lui vaut la réputation être difficile à commander. / This thesis is dedicated to the control and the observation of a class of switched linear systems (SLS). This class contains the systems that can be represented by a port-Hamiltonian model. A lot of works have been studied SLS for several years using an average modeling approach. Recently, various works have shown that hybrid system theory allows to cope with stabilization, controllability, and observability problems of switched linear systems. However, several problems are still open and need more development such as the design of hybrid observers for SLS that have unobservable modes or the control of systems with reduced number of switching inputs and numerous variable states to control. In this work, we are interested in the design of state observers for a particular class of SLS using both the average and the hybrid port-Hamiltonian models. This formalism has the necessary tools to study and establish the stability of the observation errors. At the beginning, a nonlinear observer based on the average modeling is proposed. Next, a hybrid observer is designed for switched linear systems. This observer takes into account the unobservable operating modes of the system. The second point of our work concerns the design of control laws for the considered class of SLS. At first, two Lyapunov-based control laws have been established using either an average model or a hybrid model of the system. A hybrid optimal control based on the maximum principle of Pontryagin and the computation of singular arcs has been also proposed. Finally, a hybrid predictive control based on a discrete model of the system is synthesized. Simulation results and an experimental implementation on a SEPIC converter are given to show the efficiency of the proposed methods. Our motivation to study such a converter is mainly due to its particular topology that includes observable and unobservable subsystems. It is also known to be difficult to be controlled because only one switching input is used to control four state variables.

Nous avons pour objectif de jeter les bases d’une technologie en totale rupture avec celles existantes pour la fabrication d’une nouvelle génération de composants électroniques à base du Carbure de Silicium pour les applications à très hautes températures (jusqu’à 600°C). Cette nouvelle technologie est basée sur l'emploi d'une nouvelle génération de matériaux pour les contacts ohmiques haute température. Nous avons ciblé la phase Ti3SiC2, qui est une phase céramique/métallique, pour former un bon contact ohmique stable et fiable à haute et très haute température. A savoir que l’aspect céramique est nécessaire pour assurer une bonne stabilité thermique à haute température, et l’aspect métallique est nécessaire pour obtenir des bonnes propriétés électriques (bonne conductivité électrique, faible résistance électrique…). Dans le but d’élaborer le Ti3SiC2 sur SiC, un film mince de 200 nm d’un alliage TixAl1-x a été déposé sur SiC-4H suivit d’un recuit sous Ar. Dans cette étude, on a fait varier la concentration du Ti et d’Al dans le dépôt métallique (Ti20Al80, Ti30Al70, Ti50Al50 et Ti), et on a aussi varié la température de recuit de 900°C à 1200°C. Des analyses structurales comme le DRX, MET, MEB et XPS ont été effectuées après recuit. Pour caractériser électriquement la couche Ti3SiC2 synthétisée sur SiC, des motifs TLM ont été réalisés. Des caractérisations électriques à température ambiante et à très haute température (jusqu’à 600°C) ont été mis en œuvre pour chaque type de dépôt et par conséquence la hauteur de barrière de potentielle a été également déterminée. Enfin, pour étudier la stabilité thermique du Ti3SiC2 sur SiC, des tests de vieillissement ont été réalisé à 600°C sous Ar. / The growth of Ti3SiC2thin films was studied onto 4H-SiC (0 0 0 1) 8◦and 4◦-off substrates by thermalannealing of TixAl1−x(0.5 ≤ x ≤ 1) layers. The annealing time was fixed at 10 min under Argon atmosphere.The synthesis conditions were also investigated according to the annealing temperature (900–1200◦C)after deposition. X-Ray Diffraction (XRD) and Transmission Electron Microscope (TEM) show that thelayer of Ti3SiC2is epitaxially grown on the 4H-SiC substrate. In addition the interface looks sharp andsmooth with evidence of interfacial ordering. Moreover, during the annealing procedure, the formationof unwanted aluminum oxide was detected by using X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS); this layercan be removed by using a specific annealing procedure. Using TLM structures, the Specific Contact Resistance (SCR) at room temperature of all contacts was measured. The temperature dependence up to 600°C of the SCR of the best contacts was studied to understand the current mechanisms at the Ti3SiC2/SiC interface. Experimental results are in agreement with the thermionic field emission (TFE) theory. With this model, the barrier height of the contact varies between 0.71 to 0.85 eV.

Le silicium a atteint sa limite d’utilisation dans de nombreux domaines tels que l’aéronautique. Un verrou concerne la conception de composants de puissance pouvant fonctionner en haute température et/ou en haute tension. Le recours à des matériaux à large bande interdite tels que le carbure de Silicium (SiC) apporte en partie une solution pour répondre à ces besoins. Le packaging doit être adapté à ces nouveaux types de composants et nouveaux environnements de fonctionnement. Or, il s’avère que l’intégration planaire (2D), composé de fils de câblage et de report de composants par brasure, ne peut plus répondre à ces attentes. Cette thèse a pour objectif de développer un module de puissance tridimensionnel pour la haute température de type bras d’onduleur destiné à l’aéronautique. Une nouvelle structure 3D originale constituée de deux puces en carbure de silicium, d’attaches par frittage d’argent et d’une encapsulation par du parylène HT a été mise au point. Ses différents éléments constitutifs, les raisons de leur choix, ainsi que la réalisation pratique de la structure sont présentés dans ce manuscrit. Nous nous intéressons ensuite à un mode de défaillance particulier aux attaches d’argent fritté : La migration d’argent. Une étude expérimentale permet de définir les conditions de déclenchement de cette défaillance. Elle est prolongée et analysée par des simulations numériques. / Silicon has reached its usage limit in many areas such as aeronautics. One of the challenges is the design of power components operable in high temperature and/or high voltage. The use of wide bandgap materials such as silicon carbide (SiC) provides in part a solution to meet these requirements. The packaging must be adapted to these new types of components and new operating environnement. However, it appears that the planar integration (2D), consisting of wire-bonding and soldered components-attach, can not meet these expectations. This thesis aims to develop a three dimensional power module for the high temperature aeronautics applications. A new original 3D structure made of two silicon carbide dies, silver-sintered die-attaches and an encapsulation by parylene HT has been developed. Its various constituting elements, the reason for their choice, and the pratical realization of the structure are presented in this manuscript. Then, we focus on a failure mode specific to silver-sintered attaches : The silver migration. An experimental study allows to define the triggering conditions of this failure. It is extended and analyzed by numerical simulations.

Les appareils multimédias portables nécessitent toujours plus d'innovation pour satisfaire les besoins des utilisateurs. Les fabricants de système-sur-puces font donc face à une forte demande en capacité de calcul jusqu'à lors réservée aux ordinateurs de bureau. Ce transfert de performance se répercute inévitablement sur la consommation de ces appareils alors que dans le même temps la capacité des batteries n'est pas en mesure de répondre à cet accroissement. De nombreux compléments matériels et logiciels sont mis en places afin d'économiser l'énergie au maximum sans toutefois dégrader les performances. La modulation de la fréquence de fonctionnement et de la tension d'alimentation est certainement la plus efficace mais reste néanmoins limitée par les coûts et les contraintes d'encombrement exigées par la taille des appareils. La réponse à un tel problème passe nécessairement par l'intégration d'une partie de l'alimentation dans la puce. La conversion DC-DC basée sur des convertisseurs à capacités commutées est prometteuse car elle permet de garder un maximum de compatibilité avec les process CMOS actuels. Cette thèse explore donc la conception d'une architecture d'alimentation utilisant des convertisseurs à capacités commutées. Un étage de puissance avec une tension d'entrée est de 1.8 V et des ratios programmables permet d'obtenir le rendement maximum pour une plage de tension de sortie allant de 0.3 à 1.2 V. La tension de sortie peut varier en fonction du point de fonctionnement requit par le système. Afin d'assurer le maximum de compatibilité avec la conception du circuit numérique à alimenter, une architecture modulaire basée sur les capacités MIM est privilégiée. Les capacités sont placées au dessus de la fonction numériques et les interrupteurs de puissance sont insérés à sa périphérie. Cette architecture permet également d'entrelacer les cellules de conversion afin de réduire l'ondulation de la tension de sortie. La fréquence de commutation du convertisseurs est communément utilisée pour réguler la tension de sortie et des stratégies de contrôles linéaires et non linéaires sont donc explorées. Un prototype de convertisseur présentant une densité de puissance de 310mW/mm2 pour un rendement de 72.5% a été fabriqué dans la technologie 28nm FDSOI de STMicroelectronics. La surface requise pour le convertisseur nécessite que 11.5% de la surface du circuit à alimenter. La méthodologie de conception du convertisseur a finalement été appliquée à un régulateur de tension dans le domaine négatif pour des applications de polarisation de caisson à basse consommation. / Mobile and multimedia devices offer more innovations and enhancements to satisfy user requirements. Chip manufacturers thus propose high performances SoC to address these needs. Unfortunately the growth in digital resources inevitably increases the power consumption while battery life-time does not rise as fast. Aggressive power management techniques such as dynamic voltage and frequency scaling have been introduced in order to keep competitive and relevant solutions. Nonetheless continuing in this direction involves more disruptive solutions to meet space and cost constraints. Fully integrated power supply is a promising solution. Switched-capacitor DC-DC converters seem to be a suitable candidate to keep compatibility with the manufacturing process of digital SoCs. This thesis focuses on the design of an embedded power supply architecture using switched-capacitor DC-DC converters.Addressing a large range of output power with significant efficiency leads to consider a multi-ratio power stage. With respect to the typical digital SoC, the input voltage is 1.8 V and the converter is specified to deliver an output voltage in the 0.3-1.2 V range. The reference voltage is varying according to typical DVFS requirements. A modular architecture accommodates the digital design flow where the flying capacitors are situated above the digital block to supply and the power switches are located as an external ring. Such an architecture offers high flexibility. Interleaving strategy is considered to mitigate the output voltage ripple. Such a converter admits the switching frequency as a control variable and linear regulation and hysteretic control are analyzed. A prototype has been fabricated in 28nm FDSOI technology by STMicroelectronics. A power density of 310 mW/mm2 is achieved at 72.5% peak efficiency with a silicon area penalty of 11.5% of the digital block area. The successful design methodology has been also applied to the design of a negative SC converter for body-biasing purpose in FDSOI. Simulation results demonstrate a strong interest for low power application.

La diode Schottky SiC est un composant qui peut potentiellement remplacer la diode PiN Si dans les applications de puissance. Effectivement, la tenue en tension élevée, la faible résistivité, ainsi que l’indépendance de la température du courant de recouvrement rendent cette diode idéale pour les convertis- seurs de puissance DC/DC. Cependant, face à l’abondance des composants Si sur le marché, la diode Schottky rencontre une certaine réticence. Malgré les nombreuses démonstrations de systèmes électroniques de puissance réalisés, la fiabilité de cette technologie n’arrive pas à convaincre. Cette étude porte sur la caractérisation en régime statique sur une large gamme de températures et l’évaluation de la fiabilité en surcharge des diodes Schottky et JBS SiC-4H. La caractérisation en température a permis de proposer des modèles de la carac- téristique directe et inverse sur une gamme étendue de températures. Les tests en surcharge ont permis de comparer la fiabilité de diodes expérimentales et commerciales à fin de montrer la maturité de cette technologie. / The SiC Schottky diode can potentially replace the PiN diode in power appli- cations. As a matter of fact, high blocking voltage, low resistivity as well as temperature independence of the reverse recovery current make this diode ideal for DC/DC power converters. Nevertheless, Schottky diodes meet some reluc- tance before the abundance of PiN Si diodes. Despite the numerous demons- trations of power electronics systems, there are still some reliability aspects to improve. This study focuses on static characteristic in a large temperature range and reliability assessment of repetitive surge test of Schottky and JBS diodes. The measurements of forward and reverse characteristics yielded new models in a wide temperature range. Repetitive surge tests enabled us to com- pare the reliability of experimental and commercial diodes in order to prove the maturity of this technology.

Les énergies fossiles (Pétrole, Charbon, …) représentent 80 % des énergies consommés. Malheureusement pour l’environnement, elles sont les plus polluantes. Le remplacement actuel des énergies fossiles permet au marché de l’électronique de puissance de grandir d’année en année. L’électronique de puissance permet d’adapter l’énergie électrique à son utilisation finale. Dans la pratique, l’adaptation de l’énergie électrique utilise des convertisseurs. En plus de respecter le volume, l’efficacité et la fiabilité imposés par le cahier des charges pour chaque application, l’électronique de puissance doit aussi permettre de réduire sensiblement les coûts. Le convertisseur doit assurer le fonctionnement électrique du circuit, le support mécanique des composants et la gestion thermique. Le package utilisé par les nouveaux composants à grand gap limite leurs performances. L’intégration des convertisseurs doit développer des méthodes d’interconnexion permettant d’éliminer ce package. L’objectif de la recherche sur l’intégration des convertisseurs est de repousser les limites imposées par un cahier des charges standard tout en assurant ces 3 fonctions principales. Parmi les nombreuses techniques d’intégration, le circuit imprimé (PCB) est mature industriellement, permet la fabrication collective et un assemblage automatisé. L’intégration utilisant le PCB a développé la technique d’enfouissement de puce avec laquelle la puce est directement enfouie dans le PCB sans son package. Cette thèse va étudier la méthode d’enfouissement pour les autres composants nécessaires à la réalisation d’un convertisseur (Condensateurs, Composants Magnétiques). Une optimisation du convertisseur qui doit être réalisé permet de prendre en compte les avantages de cette nouvelle technologie. Un prototype de convertisseur intégré a été réalisé avec des composants utilisant cette technologie. / With the endangering of the environment due to the use of fossil fuels, the power electronics market is growing through the years. The number of applications is increasing in numerous field as, for example, transport (electric car, "more electric" aircraft) or energy (photovoltaic, smart grid). Beyond meeting the volume, efficiency and reliability specifications for each application, power electronics should also reduce substantially costs. Today, the managing of the electric energy uses power electronic converters. The conception of a converter is a multiphysic problem. The converter has to ensure electrical functionality, mechanical support and proper thermal management.The new wide-band gap components are limited in performance by their package. The integration of a converter should use new interconnection methods to avoid the use of packaged components. The trend is to integrate the maximum of components into a single system. This integration can offer benefits such as size and weight reduction, cost saving and reliability improvement by managing the complexity and the high density of interconnection. Among many integration technologies available, Printed Circuit Board (PCB) is well known in the industry, allowing mass production with automated manufacturing and assembly. The PCB integration was developed with the “Die Embedding” technology in which a bare die in embedded directly in the PCB to not use package. This thesis studied the embedding technology on others components necessary to the realization of a converter (Capacitors, Magnetics, …). An optimization of the converter is done taking into account the advantages of this new technology. A prototype of an AC/DC bidirectional converter fully integrated using this technology was realized.

Depuis le début des années 2000, les composants en carbure de silicium (SiC) sont présents sur le marché principalement sous la forme de diodes Schottky et de transistors FET. Ces nouveaux semi-conducteurs offrent des performances en commutation bien supérieures à celles des composants en silicium (Si) ce qui se traduit par une diminution des pertes et une réduction de la température de fonctionnement à système de refroidissement identique. L’utilisation de composants SiC ouvre donc la possibilité de concevoir des convertisseurs plus compacts ou à une fréquence de commutation élevée pour une même compacité. C’est avec cet objectif d’augmentation de la fréquence de commutation qu’a été menée cette étude axée sur l’utilisation de composants SiC au sein d’un onduleur triphasé. Le convertisseur sur lequel se base l’étude accepte une tension d’entrée de 450V et fournit en régime nominal un courant de sortie efficace par phase de 40 A. Le choix des composants SiC s’est porté sur des transistors JFET Normally-Off et des diodes Schottky SiC car ces composants étaient disponibles à la vente au début de ces travaux et offrent des pertes en commutation et en conduction inférieures aux autres structures en SiC. Les transistors FET possèdent une structure et des propriétés bien différentes des IGBT habituellement utilisés pour des convertisseurs de la gamme considérée notamment par leur capacité à conduire un courant inverse avec ou sans diode externe. De ce fait, il est nécessaire de développer de nouveaux outils d’aide au dimensionnement dédiés à ces composants SiC. Ces outils de calculs sont basés principalement sur les paramètres électriques et thermiques du système et sur les caractéristiques des composants SiC. Les premiers résultats montrent qu’en autorisant la conduction d’un courant inverse au sein des transistors, il est possible de diminuer le nombre de composants. Basées sur ces estimations, une maquette de bras d’onduleur a été développée et testée. Les premiers thermiques montrent que pour une puissance de 12kW, il est possible d’augmenter la fréquence de commutation de 12 kHz à 100 kHz. / Since 2000, Silicon Carbide (SiC) components are available on the market mainly as Schottky diodes and FET transistor. These new devices provide better switching performance than Silicon (Si) components that leads to a reduction of losses and operating temperatures at equivalent cooling system. Using SiC components allows to a better converter integration. It is in this context that ECA-EN has started this thesis dedicated to using SiC devices in a three-phase inverter at high switching frequency. The converter object of this study is supply by a input voltage of 450V and provides a current of 40A per phase. The components used for these study are SiC Normally-Off JFET and Schottky Diodes because these devices were commercialized at the begining of this thesis and offer better switching performance than others SiC components. FET transistors have a different structure compared to traditionnal IGBT especially their capability to conduct a reverse current with or without body diode. So it is necessary to develop new tools dedicated to the design of converters built with SiC components. These tools are based on the electrical properties of the converters and the statics and dynamics characteristics of the transistor and the diode. The results show that when the transistors conduct a reverse current, the number of components/dies can be reduced. According to data, a PCB board of an inverter leg has been built and tested at ECA-EN. The thermal measurement based on the heatsink shows that the switching frequency of an inverter leg can be increased from 12 to 100 kHz for an ouput power of 12kW.