De nos jours, les énergies renouvelables remplacent les énergies fossiles. Pour assurer une l’interconnexion entre toutes ces installations électriques, l’électronique de puissance est nécessaire. Les principales spécifications de la prochaine génération de convertisseur de puissances sont un rendement et une densité de puissance élevés, fiabilité et faibles coûts. L’intégration PCB des composants actifs et/ou passifs est perçue comme une approche prometteuse, peu onéreuse et efficace. Les délais ainsi que les coûts de fabrication des convertisseurs de puissance peuvent considérablement réduits. L’intégration permet également d’améliorer les performances des convertisseurs. Dans ce but, un concept original d’inductance 3D pliable utilisant la technologie PCB est présenté. Il permet un coût faible pour une production en série, ainsi qu’une excellente reproductibilité. Un usinage partiel de la carte PCB est utilisé, permettant le pliage et la conception des enroulements de l’inductance. Différents prototypes sont développés par le biais d’une procédure d’optimisation. Des tests électriques et thermiques sont réalisés pour valider l’applicabilité du concept au sein de convertisseurs de puissance.Le développement d’une procédure d’optimisation appliqué aux convertisseurs hautement intégrés utilisant l’enterrement PCB est présenté. Tous les choix importants, facilitant l’intégration PCB, e.g. réduction des composants passifs, sont présentés. Cela inclut la sélection de la topologie adéquate avec la modulation associée. La procédure de design et les modèles analytiques sont introduits. Il en résulte un convertisseur comprenant quatre pont-complet entrelacés avec des bras fonctionnant à basse (50 Hz) et haute (180 kHz) fréquences. Cette configuration autorise une variation de courant importante dans les inductances, assurant ainsi la commutation des semi-conducteurs à zéro de tension (ZVS), et ceux sur une période complète du réseau. L’impact de la forte variation de courant sur le filtre CEM est compensé par l’entrelacement. Deux prototypes d’un convertisseur AC/DC bidirectionnel de 3.3 kW sont présentés, les résultats théorique et pratique sont analysés.Pour augmenter la densité de puissance du system, un filtre actif de type “Buck” est étudié. La procédure d’optimisation est adaptée à partir de la procédure implémentée pour le convertisseur AC/DC. L’approche utilisée, mène à un convertisseur opérant également en ZVS durant une période compète du réseau, et ce, à fréquence de commutation fixe. Les technologies sélectionnées, condensateur céramique et inductance compatible avec la technologie PCB sont favorable à l’intégration et sont implémenté sur le prototype. / Nowadays, the green energy sources are replacing fossil energies. To assure proper interconnections between all these different electrical facilities, power electronics is mandatory. The main requirements of next generation converters are high efficiency, high power density, high reliability and low-cost. The Printed Circuit Board (PCB) integration of dies and/or passives is foreseen as a promising, low-cost and efficient approach. The manufacturing time and cost of power converters can be drastically reduced. Moreover, integration allows the converter performances to be improved. For this purpose, an original 3D folded power inductor concept using PCB technology is introduced. It is low cost for mass production and presents good reproducibility. A partial milling of the PCB is used to allow bending and building the inductor winding. Prototypes are designed through an optimisation procedure. Electrical and thermal tests are performed to validate the applicability in power converters. The development of an optimisation procedure for highly integrated converters, using PCB embedding, is presented. All important choices, facilitating the PCB integration, e.g. reduction of passive components, are presented. It includes the selection of the suitable converter topology with the associated modulation. The design procedure and implemented analytical models are introduced. It results in four interleaved full-bridges operating with low (50 Hz) and high (180 kHz) frequency legs. The configuration allows high current ripple in the input inductors inducing zero voltage switching (ZVS) for all the semiconductors, and for a complete grid period. The impact of high current ripple on the EMI filter is compensated by the interleaving. Two prototypes of a 3.3 kW bidirectional AC/DC converters are presented, theoretical and practical results are discussed. To further increase the power density of the overall system, a Buck power pulsating buffer is investigated. The optimisation procedure is derived from the procedure implemented for the AC/DC converter. The result favours an original approach, where the converter also operates with ZVS along the entire main period at a fixed switching frequency. The selected technologies for prototyping are integration friendly as ceramic capacitors and PCB based inductors are implemented in the final prototype.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont dédiés à l'étude des composants passifs pour l'électronique de puissance à haute température. Des condensateurs et des matériaux magnétiques sont sélectionnés et caractérisés jusqu'à environ 250°C. Les caractéristiques électriques et électromagnétiques montrent, pour certains de ces composants et matériaux, des dépendances significatives en fonction de la température, mais également des non-linéarités et des phénomènes d'hystérésis. Les caractérisations sont ensuite exploitées pour la conception d'un filtre CEM d'entrée d'un onduleur de tension de 2kW. Une démarche et des considérations liées au dimensionnement d'un filtre sont détaillées. Un démonstrateur de filtre CEM est testé en charge et à haute température (200°C). Les résultats montrent une dépendance relativement faible des perturbations conduites entre 150kHz et 30MHz en fonction de la température (environ +6dBµA entre 25°C et 200°C selon la norme DO-160F). Le fonctionnement à haute température de composants passifs au sein d'un filtre CEM pour l'électronique de puissance a été démontré. En complément du filtre à composant discret et pour répondre aux besoins d'atténuation à haute fréquence qui seront accrus pour les convertisseurs à base de semi-conducteurs à grand gap (SiC et GaN) qui commutent plus rapidement que des interrupteurs de type IGBT en Si, nous avons proposé l'intégration de condensateurs de mode commun au sein d'un module de puissance. Les résultats simulés et expérimentaux ont montré une réduction des perturbations conduites grâce à l'intégration de ces condensateurs. Cette solution, compatible avec un fonctionnement à haute température, est positionnée comme une solution alternative à un filtre d'entrée complexe (multi-niveaux) et s'inscrit dans la tendance actuelle des IPEM (Intelligent/Integrated Power Electronics Module) qui recherche l'intégration de fonctions dans le module de puissance. L'ensemble de ces travaux souligne par ailleurs l'importance du packaging pour l'électronique de puissance à haute température. / The study, which is described in this dissertation, is dedicated to passive components in order to be integrated into high temperature power electronic converters. Capacitors and magnetic materials are selected and characterized up to 250°C. Electrical and electromagnetic characteristics are measured. Some components show a significant temperature deviation, but also a non-linear behavior with a hysteresis phenomenon. Based on these characteristics, a high temperature EMI filter for a 2kW voltage inverter is designed. The design procedure and some practical considerations are discussed. Then, the experimental results from the prototype at 200°C under full load conditions are given. The variation of the conducted emissions, from 150kHz and 30MHz, with the temperature is low (about +6dBµA between 25°C and 200°C into a DO-160F setup). The feasibility of a working EMI filter for high temperature power electronics is demonstrated. To meet the high frequency EMI requirements, with wide-band gap semi-conductors devices which are faster than Si IGBT, a solution based on integrated common mode capacitors into the power module is proposed. With this solution, operation at high temperature is also doable. Experimental results show a reduction of the conducted emissions thanks to these integrated capacitors. We consider this solution as an alternative against an increased complexity of the EMI input filter. It follows the present trends toward the integration of functions into a power module, close to the power switches. Moreover, packaging issues are highlighted and remains as a major limitation for high temperature power electronics.

Les composants actifs en électronique de puissance sont principalement à base de Silicium. Or, le silicium a des limites en termes de température d’utilisation, fréquence de commutation et de tenue en tension. Une alternative au Si peut être les semi-conducteurs à grand gap tels que le SiC-4H. Grâce aux travaux de plusieurs équipes de chercheurs dans le monde, les performances s’améliorent d’année en année. Le laboratoire AMPERE conçoit, réalise et caractérise des composants de puissance en SiC-4 H. Cette thèse s’inscrit dans les projets SiCHT2 et VHVD du laboratoire. Le travail réalisé au cours de cette thèse repose sur la conception la fabrication et la caractérisation électrique de composantes haute tension en SiC-4H. Les paramètres de protection pour la diode bipolaire 6500V sont optimisés à l’aide des simulations à base d'éléments finis. Les paramètres du SiC pour les modèles utilisés pour la simulation sont développés par des travaux précédents. Ensuite, le masque est dessiné. La diode est réalisée chez IBS. La première caractérisation est effectuée avant le recuit post-métallisation en directe et inverse sans passivation finale. Après le recuit post-métallisation la résistance de contact est plus faible. La caractérisation de la tenue en tension a été effectuée à AMPERE puis à l’ISL à très haute tension. A l’aide de simulations à base d'éléments finis, les paramètres tels que la résistance de contact et la durée de vie des porteurs ont été affinés à partir des caractérisations électriques obtenues par l’expérience. Les autres travaux portent sur la conception, les optimisations et les fabrications des diodes 10 kV et transistors 6500 V. / The power devices are mainly based on silicon. Silicon devices have limitations in terms of operating temperature, switching frequency and breakdown voltage. An alternative can be semiconductor wide band gap devices such as 4H-SiC. Through the work of several teams of researchers around the world, the performance of the power devices in 4H-SiC improve year by year. At ampere laboratory, design, fabrication and electrical tests of 4H-SiC devices are performed. The work done in this thesis is the design, fabrication and electrical characterization of 4H-SiC power devices with a high breakdown voltage. The parameters of the edge termination are optimized using simulations based on finite elements method. The parameters of 4H-SiC during the simulation are based on previous works. Then the mask is drawn. The diodes are manufactured by IBS. First the characterization in forward and reverse mode is done before the ohmic contact annealing. The diode passivation is a single SiO2 layer. After ohmic contact annealing, the contact resistance is lower. The characterization of the breakdown voltage is performed at AMPERE and at ISL for very high voltage. Parameters such as contact resistance and carrier lifetime are estimated by fitting measured electrical characteristics with results of finite element simulation. The design of the diodes 10 kV and bipolar junction transistor 6500 V is also part of this work. This work has been performed for 2 different projects VHVD with ANR for the financial support and SiCHT2 with DGCIS for the financial support.

Les composants de puissance grand gap présentent d'ores et déjà des caractéristiques statiques et dynamiques supérieures à leurs homologues en silicium. Mais ces composants d'un nouvel ordre s'accompagnent de différences susceptibles de modifier le fonctionnement de la cellule de commutation. Les travaux qui furent menés au cours de cette thèse se sont intéressés aux composants grand gap et à leur commande au sein d'un convertisseur de puissance synchrone robuste, haut rendement et haute densité de puissance. En particulier deux points critiques ont été identifiés et étudiés. Le premier est la grande sensibilité des composants grand gap aux composants parasites. Le second est l'absence de diode parasite interne entre le drain et la source de nombreux transistors grand gap. Pour répondre aux exigences de ces nouveaux composants et en tirer le meilleur profit, nous proposons des solutions innovantes, robustes, efficaces et directement intégrables aux circuits de commande. Des circuits de commande entièrement intégrés ont ainsi été conçus spécifiquement pour les composants grand gap. Ceux-ci permettent entre autres le contrôle précis des formes de commutation par l'adaptation de l'impédance de grille, et l'amélioration de l'efficacité énergétique et de la robustesse d'un convertisseur de puissance à base de composants grand sans diodes par une gestion dynamique et locale de temps morts très courts. / Wide band gap devices already demonstrate static and dynamic performances better than silicon transistors. Compared to conventional silicon devices these new wide band gap transistors have some different characteristics that may affect power converter operations. The work presented in this PhD manuscript deals with a specific gate drive circuit for a robust, high power density and high efficiency wide band gap devices-based power converter. Two critical points have been especially studied. The first point is the higher sensitivity of wide band gap transistors to parasitic components. The second point is the lack of parasitic body diode between drain and source of HEMT GaN and JFET SiC. In order to drive these new power devices in the best way we propose innovative, robust and efficient solutions. Fully integrated gate drive circuits have been specifically developed for wide band gap devices. An adaptive output impedance gate driver provides an accurate control of wide band gap device switching waveforms directly on its gate side. Another gate drive circuit improves efficiency and reliability of diode-less wide band gap devices-based power converters thanks to an auto-adaptive and local dead-time management.

L’utilisation des semi-conducteurs à large bande interdite (wide bandgap ou WBG) tels que le carbure de silicium SiC, le nitrure de gallium GaN, le diamant, etc… s’est répandue dans le domaine de l’électronique de puissance ces dernières décennies. Leurs caractéristiques électroniques et mécaniques font des WBGs des solutions alternatives pour remplacer le traditionnel silicium. Cependant, des études supplémentaires sont indispensables pour améliorer la tenue en tension, les pertes statiques et dynamiques et les performances en fonctionnement à haute température des composants WBGs. Dans ce cadre, deux bancs expérimentaux OBIC (Optical Beam Induced Current) spécifiques « en cours de développement » sont mis en place pendant cette thèse. L’OBIC consiste à éclairer avec un faisceau laser de longueur d’onde appropriée une jonction polarisée en inverse, des porteurs de charge sont alors créés par absorption photonique. On peut alors mesurer un courant induit par faisceau optique (OBIC) lorsque les porteurs sont générés dans la zone de charge d’espace. Après une première phase de préparation et d’adaptation de l’environnement expérimental, des essais ont mené à la démonstration du principe de génération multi-photonique en éclairant une jonction SiC avec un faisceau vert (532 nm). L’analyse des différentes mesures OBIC nous a permis de construire une image du champ électrique à la surface de la diode : une analyse non destructive pour étudier l’efficacité des protections périphériques des jonctions et pour détecter les défauts dans la structure cristalline. Egalement, la durée de vie des porteurs minoritaires a été déduite par l’analyse de la décroissance du courant OBIC au bord de la jonction. Les coefficients d’ionisation sont également déterminés par la méthode OBIC, ces coefficients sont des paramètres clés pour la prévision de la tension de claquage des composants. Nous avons réalisé des mesures OBIC dans le GaN, et nous avons observé un effet d’absorption bi-photonique dans le diamant avec un faisceau UV (349 nm). / In the last few decades, the use of wide bandgap (WBG) semiconductors (silicon carbide SiC, gallium nitride GaN, diamond, etc…) has become popular in the domain of power electronics. Their electronic and mechanical characteristics made of the WBGs a good alternative to the traditional silicon. However, additional studies are mandatory to improve the breakdown voltage, static and dynamic losses, and the performance at high temperature of the WBG devices. In this context, two specific experimental benches OBIC (Optical Beam Induced Current) -under development- are set up during this thesis. OBIC method consists to generate free charge carriers in a reverse biased junction by illuminating the device with an appropriate wavelength. An OBIC signal is measured if the charge carriers are generated in the space charge region. After a first phase of preparation and adaptation of the experimental environment, OBIC measurements led to demonstrate the multi-photonic generation by illuminating a SiC junction with a green laser (532 nm). OBIC measurements allowed giving an image of the electric field at the surface of the diode: OBIC presents a non-destructive analysis to study the efficiency of the peripheral protection and to detect the defects in the semi-conductor. Minority carrier lifetime was also deduced by studying the OBIC decrease at the edge of the space charge region. Ionization rates were extracted using OBIC method; these coefficients are key parameters to predict the breakdown voltage of the devices. OBIC measurements were also realized on the GaN, and two-photon generation was highlighted by measuring an OBIC current in the diamond when illuminating it with a UV laser beam (349 nm).