Le projet de cette thèse est de réaliser un convertisseur DC/DC isolé à haute fréquence de découpage basé sur la mise en œuvre de composants en GaN. Le but est d'augmenter très fortement les densité de puissance commutées par rapport aux solutions actuelles. Cette thèse mets en oeuvre les composants GaN afin de déterminer les meilleurs conditions de fonctionnement possible. Une fois les points critiques mis en avant, on étudie les structures de circuit de commande adapté pour les HEMT GaN d'EPC et un circuit intégré pour la commande est étudié et mis en oeuvre. Le layout global de la carte a un rôle important en termes d'intégration et d'optimisation CEM, il est donc discuté et des règles de routage sont proposées. Enfin, on étudie plusieurs structures de puissance et on les met en oeuvre pour vérifier le bon fonctionnement et le respect du cahier des charges. / This study consist in the development of a high frequency insulated DC/DC converter based on GaN power devices. The goal is to increase significantly the power density in comparison with actual converter solutions. This thesis evaluate the GaN components performances to determine the best working conditions. Once the critical points highlighted, gate circuit topologies suitable for EPC GaN HEMT are studied and an integrated IC is designed and implemented. The overall layout of the card has an important role in terms of integration and EMC optimization, so it is discussed and routing rules are proposed. Finally, we study several power structures and implement them to verify proper operation and their compliance with specifications.

L'augmentation des débits à 10Gbps et 40Gbps dans les télécommunications<br />optiques couplée à des besoins de portées supérieures à 150 km privilégie l'emploi de la<br />modulation externe, et en particulier, des modulateurs électro-optiques. Les circuits de<br />commande des modulateurs optiques apparaissent alors comme un élément clé de ces<br />systèmes de transmission.<br />Les premiers chapitres permettent, suite à une présentation des systèmes et architectures les<br />plus couramment utilisés, de définir les spécifications en performances requises pour les<br />circuits de commande de modulateurs externes et en particulier des modulateurs électrooptiques.<br />Une étude complète des amplificateurs distribués, et de leurs différentes<br />configurations, est menée. Ces amplificateurs, par leur produit gain-bande passante élevé,<br />répondent en effet au mieux aux exigences définies. Les amplificateurs conçus ont été réalisés<br />à partir de transistors PHEMT sur arséniure de gallium, de 0.15 μm de longueur de grille.<br />Afin de simplifier la mise en boîtier et de résoudre les désagréments de la polarisation<br />classique des amplificateurs distribués, deux nouveaux circuits de polarisation intégrés ont été<br />développés. Tout d'abord une nouvelle charge active, tenant lieu de terminaison de la ligne de<br />sortie de l'amplificateur distribué, permet de polariser et de conserver l'adaptation en sortie de<br />l'amplificateur distribué lors d'une variation du courant de polarisation, pour d'un contrôle de<br />gain par exemple. Egalement un dispositif intégré de sources de courant connectés à la ligne<br />de sortie de l'amplificateur distribué, appelé té de polarisation actif, a été étudié. La<br />réalisation d'un circuit de commande, par le report et la mise en boîtier d'un amplificateur<br />distribué utilisant le té de polarisation actif, a été validée par des mesures de paramètres [S] et<br />des diagrammes de l'oeil électriques et optiques.

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire s'inscrit dans l'objectif général d'étudier la faisabilité de filtres monolithiques radiofréquences (RF) à capacités commutées pour la radiocommunication mobile, et de pouvoir procéder à l'analyse et à la conception de ces filtres en technologie standard BiCMOS 0,35 μm. L'analyse comportementale de ces filtres a nécessité la mise au point d'un algorithme original basé sur le formalisme des matrices de conversion, dont le principe général consiste à effectuer une linéarisation des éléments non-linéaires autour du point de fonctionnement grand signal. Cette méthode d'analyse, spécialement utilisée pour l'analyse du bruit de phase des oscillateurs, semble à ce jour parmi les plus rigoureuses et les plus efficaces en terme de temps de calcul pour l'analyse de ce type de filtres. Traditionnellement, à basse fréquence la commande de ces filtres est réalisée à l'aide d'un registre à décalage. Cependant, cette technique n'est pas envisageable en RF. Une solution originale qui consiste à commander le filtre à partir d'un oscillateur en anneau contrôlé en tension et de portes logiques " ou exclusif " a été proposée. Grâce à cette solution, il a été montré que l'association d'un tel circuit de commande appliqué à ce type de filtre présente des avantages importants et par conséquent devrait le rendre beaucoup plus attractif pour les concepteurs. Pour répondre aux spécifications de la radiocommunication mobile, la structure classique du filtre a été optimisée pour réduire le facteur du bruit et augmenter la dynamique, ainsi une nouvelle architecture (filtre LC à capacités commutées) a été proposée. Des simulations ont été réalisées sur l'ensemble du circuit afin de prévoir les dégradations éventuelles qui peuvent être générées par ces circuits lors d'une transmission numérique (ex. p/4-DQPSK) et d'étudier ainsi l'impact du bruit de phase (gigue temporelle) généré par le circuit de commande sur le comportement du filtre. Parallèlement, un prototype composé d'un filtre LC à capacités commutées et de son circuit de commande a été fabriqué en technologie standard BiCMOS 0,35 mm, sur une puce de taille de 1,1 x 1,75 mm². Ce premier circuit a permis de prouver la faisabilité de cette architecture dans le domaine des RF. Les résultats expérimentaux confirment les simulations et sont susceptibles de rendre cette architecture originale attractive pour des applications radiofréquences.

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.