Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration entre les laboratoires G2ELAB et IMEP-LAHC en lien avec le projet BQR WiSiTUDe (Grenoble-INP). Le but de cette thèse concerne la conception, modélisation et caractérisation du gate driver intégré pour transistors de puissance à base d’un transformateur sans noyau pour le transfert isolé d'ordres de commutation. La thèse est composée de deux grandes parties : - Une partie de la conception, la modélisation et la caractérisation du transformateur intégré dans deux technologies CMOS 0.35 µm bulk et CMOS 0.18 µm SOI. - Une partie de la conception, la simulation et la mise en œuvre de deux circuits de commande intégrée dans ces deux technologies. Ainsi, l’aspect du système du convertisseur de puissance sera étudié en proposant une nouvelle conception couplée commande/puissance à faible charge. Les résultats de ce travail de thèse ont permis de valider les approches proposées. Deux modèles fiables (électrique 2D et électromagnétique 3D) du transformateur ont été établis et validés via une réalisation CMOS 0.35 µm standard. De plus, un driver CMOS bulk, intégrant l’ensemble du transformateur sans noyau avec plusieurs fonctions de pilotage de la commande rapprochée a été caractérisé et validé. Finalement, un gate driver générique a été conçu en technologie CMOS SOI, intégrant dans une seule puce les étages de commande éloignée, l’isolation galvanique et la commande rapprochée pour transistors de puissance. Ce gate driver présente nombre d’avantages en termes d’interconnexion, de la consommation de la surface de silicium, de la consommation énergétique du driver et de CEM. Les perspectives du travail de thèse sont multiples, à savoir d’une part l’assemblage 3D entre le gate driver et le composant de puissance et d’autre part les convertisseurs de multi-transistors. / This thesis work focuses on the design, modelling and the implementation of integrated gate drivers for power transistors based on CMOS coreless transformer. The main objectives of thesis are the design, modeling and characterization of coreless transformer in two technologies CMOS 0.35 µm bulk and CMOS 0.18 µm SOI, as well as the design and the characterization of two integrated gate drivers in these two technologies. The results of thesis allow us to validate our proposal models for coreless transformer: 2D electrical model and 3D electromagnetic model. Moreover, one CMOS bulk isolated gate driver which monolithically integrates the coreless transformer, the secondary side control circuit for power transistors has been fabricated and validated for both high side and low side configuration in a Buck converter. Finally, a CMOS SOI isolated gate driver is designed; integrates in one single chip the external control, the coreless transformer and the close gate driver circuit for power transistors. This one-chip solution presents a numerous advantages in term of interconnect parasitic, energy consumption, silicon surface consumption, and EMI with a high level of galvanic isolation. The perspectives of this SOI gate driver are multiple, on the one hand, are the 3D assemblies between gate driver/power transistors and on the other hand, are the multiple-switch converter.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration entre les laboratoires G2ELAB et IMEP-LAHC en lien avec le projet BQR WiSiTUDe (Grenoble-INP). Le but de cette thèse concerne la conception, modélisation et caractérisation du gate driver intégré pour transistors de puissance à base d’un transformateur sans noyau pour le transfert isolé d'ordres de commutation. La thèse est composée de deux grandes parties : - Une partie de la conception, la modélisation et la caractérisation du transformateur intégré dans deux technologies CMOS 0.35 µm bulk et CMOS 0.18 µm SOI. - Une partie de la conception, la simulation et la mise en œuvre de deux circuits de commande intégrée dans ces deux technologies. Ainsi, l’aspect du système du convertisseur de puissance sera étudié en proposant une nouvelle conception couplée commande/puissance à faible charge. Les résultats de ce travail de thèse ont permis de valider les approches proposées. Deux modèles fiables (électrique 2D et électromagnétique 3D) du transformateur ont été établis et validés via une réalisation CMOS 0.35 µm standard. De plus, un driver CMOS bulk, intégrant l’ensemble du transformateur sans noyau avec plusieurs fonctions de pilotage de la commande rapprochée a été caractérisé et validé. Finalement, un gate driver générique a été conçu en technologie CMOS SOI, intégrant dans une seule puce les étages de commande éloignée, l’isolation galvanique et la commande rapprochée pour transistors de puissance. Ce gate driver présente nombre d’avantages en termes d’interconnexion, de la consommation de la surface de silicium, de la consommation énergétique du driver et de CEM. Les perspectives du travail de thèse sont multiples, à savoir d’une part l’assemblage 3D entre le gate driver et le composant de puissance et d’autre part les convertisseurs de multi-transistors. / This thesis work focuses on the design, modelling and the implementation of integrated gate drivers for power transistors based on CMOS coreless transformer. The main objectives of thesis are the design, modeling and characterization of coreless transformer in two technologies CMOS 0.35 µm bulk and CMOS 0.18 µm SOI, as well as the design and the characterization of two integrated gate drivers in these two technologies. The results of thesis allow us to validate our proposal models for coreless transformer: 2D electrical model and 3D electromagnetic model. Moreover, one CMOS bulk isolated gate driver which monolithically integrates the coreless transformer, the secondary side control circuit for power transistors has been fabricated and validated for both high side and low side configuration in a Buck converter. Finally, a CMOS SOI isolated gate driver is designed; integrates in one single chip the external control, the coreless transformer and the close gate driver circuit for power transistors. This one-chip solution presents a numerous advantages in term of interconnect parasitic, energy consumption, silicon surface consumption, and EMI with a high level of galvanic isolation. The perspectives of this SOI gate driver are multiple, on the one hand, are the 3D assemblies between gate driver/power transistors and on the other hand, are the multiple-switch converter.

Le projet de thèse s'inscrit dans le consortium industriel académique MEGAN (More Electric Gallium Nitride) réunissant de nombreux industriels français, grands groupes et PME (Renault, Schneider Electric, Safran, IDMOS, Valeo...) et académiques (G2Elab, Ampère, SATIE...) et le CEA. Le projet consiste à introduire de nouvelles technologies de composants de puissance à base de matériaux en GaN afin d'augmenter les performances des convertisseurs statiques pour divers types d'applications. La thèse est intégralement focalisée sur la partie Driver intégré de composants GaN à base d'une technologie CMOS SOI XFAB XT018 pour favoriser l'utilisation des systèmes à haute fréquence et haute température. La thèse consiste à étudier des architectures des drivers et des fonctionnalités innovantes permettant de limiter les problèmes inhérents à la haute fréquence et la haute température (Compatibilité ÉlectroMagnétique- CEM, pertes de commande par courant de fuites, limites fonctionnelles...). Suite à l'étude des architectures à l'échelle du bras d'onduleur à base de composants discrets, un circuit intégré est conçu en collaboration avec les partenaires du projet. Le circuit intégré est alors réalisé avant d'être caractérisé puis mis en œuvre dans des démonstrateurs dans le cadre du projet. En particulier, des caractéristiques de réponses en fréquence et de tenue en température seront proposées. La mise en œuvre est conduite au sein même du module de puissance intégrant les composants de puissance en GaN, au plus près de ceux-ci pour favoriser les fonctionnements à haute fréquence. Le démonstrateur final peut servir plusieurs types d'applications de part sa versatilité. Le travail de thèse est alors plus spécifiquement orienté sur l'étude du comportement haute fréquence du driver et de l'ensemble interrupteurs avec fortes vitesses de commutation / drivers d’un bras d'onduleur. / This Ph.D work is part of the industrial academic project MEGaN (More Electric Gallium Nitride) involving many French companies (Renault, Schneider Electric, Safran, ID MOS, Valeo, ...), academic institutions (G2Elab, Ampere, SATIE ...) and CEA. MEGaN project aims are to introduce a new technology of the power components based on GaN materials, to increase the performance of the static converters for various applications.This research is highly focused on the integrated driver and other power device peripheral units for GaN-based components. This is done in SOI CMOS XFAB XT018 technology to promote performing in high-frequency and high temperature applications. It involves examining driver's architectures and features, innovative methods to limit problems inherent in high frequency and high temperature (conducted EMI perturbation, delay mismatch, functional limitations ...). After studying the architecture at the scale of the discrete circuits, the integrated circuits are designed in collaboration with the project partners. The integrated circuit is manufactured by foundry XFAB before being characterized and implemented.In particular, the characteristics at high frequency response and high temperature compliance are proposed. The final implementation is conducted in the hybrid power module power with the power components GaN, as close as possible to those for operation at high frequency which is presented in the end of this thesis. The final demonstrator serves several kinds of applications because of its versatility. The thesis is specifically focused on the study of high frequency behavior of the driver and power switches with high switching speed / the driver’s components of an inverter leg.

Ces travaux de thèse proposent une approche de réalisation d'intégration d'isolation galvanique optique plus performante entre la partie de commande éloignée et la partie de puissance d'un convertisseur d'énergie. Ce mémoire de thèse est composé de trois chapitres. Après une étude bibliographique et un positionnement de l'approche dans le premier chapitre, la conception de la puce de commande, les différentes fonctions développées seront vus en détail, et les résultats pratiques et les performances des réalisations effectuées seront présentés, avec plusieurs études de photodétecteurs et circuits de traitement intégrés en technologie CMOS. Dans le dernier chapitre de la thèse, un autre aspect sera abordé, en intégrant une alimentation flottante isolée générée par voie optique. Les avantages résultant de cette approche seront également discutés. Les puces de commande sont fabriquées en technologie CMOS standard C35 AMS pour les premiers prototypes et transférées en technologie CMOS SOI Xfab 018 afin de tester nos fonctions à haute température. La mise en œuvre du circuit de commande par voie optique dans un convertisseur de puissance sera réalisée afin de valider le fonctionnement de notre « gate driver ». / This works proposes an approach of optical galvanic isolation between the control parts on one side and the power transistors and their associated drivers on the other side. This thesis consists of three chapters. After a literature review and the proposition of our approach in the first chapter, the design of the control chip and the different developed functions will be seen in detail in the second chapter. The practical results and performance achievements will be presented with several integrated photodetectors and signal processing circuit in CMOS technology. In the last chapter of the thesis, an integrated optically floating power supply will be investigated. The benefits of this approach will be discussed. These fabricated chips are manufactured in standard CMOS AMS C35 technology for first prototypes and transferred in SOI Xfab 018 CMOS technology to test these functions at high temperature. The implementation of the optically control circuit in a power converter will be presented to validate the operation of our "gate driver".