Interrupteur haute-tension analogique bidirectionnel intégré avec limitation de courant et isolation galvanique

Peu importe leur terrain d’application, les systèmes incluent de plus en plus de capteurs. Ces capteurs doivent ainsi être connectés à des interfaces, souvent basse tension, qui ont besoin d’être protégées de potentiels dommages causés par des perturbations externes. Dans le contexte de solutions industrielles (automobiles par exemple) les capteurs permettant de relever différentes grandeurs physiques sont souvent placés proche de l’armature extérieure des systèmes et sont donc sujets à toutes les agressions extérieures, comme des variations importantes de température ou la foudre frappant le système. les interfaces doivent être protégées contre les surtensions et les surintensités. Ces dernières peuvent provenir aussi bien d’un défaut de la charge ou du capteur, que d’une surtension prolongée qui augmente le courant traversant la charge. Dans ce travail, nous nous intéressons à la protection contre les surintensités des interfaces électroniques, dans le cadre du projet de développement de solutions intégrées d’interfaces de capteurs présenté dans [1]. L’objectif principal de ce travail est ainsi de développer une protection versatile contre les surintensités qui peut être incluse dans tous les types d’interfaces. Le premier objectif du projet est d’intégrer la protection dans un seul boîtier afin de limiter au maximum son empreinte dans le système. Cet objectif est réalisé en développant la solution sur une seule puce de silicium, en utilisant le procédé de fabrication XFab XT018. Ce procédé est un procédé Silicon On Insulator (SOI) incluant une isolation profonde appelée Deep Trench Isolation (DTI) permettant des différences de tension internes allant jusqu’à 400 V. Le deuxième objectif est de rendre la protection la plus versatile possible afin qu’elle puisse servir dans un grand nombre d’interfaces différentes, notamment des interfaces transférant aussi bien de la puissance continue que des signaux électriques alternatifs. La protection pren- dra ainsi la forme d’un interrupteur analogique avec un circuit de régulation en courant. La régulation en courant en elle-même sera une régulation active, qui sature le courant à la valeur maximale plutôt que d’ouvrir totalement l’interrupteur. Ce mode de fonctionnement permet notamment de continuer à transférer de la puissance pour les interfaces d’alimentation, mais aussi de revenir plus rapidement à un fonctionnement normal lorsque la surintensité disparaît. La première partie de ce mémoire consiste à réaliser une revue de littérature des solutions existantes, afin de justifier d’une part le besoin pour la protection envisagée, et d’autre part pour définir une architecture cible. Cette dernière étant constituée de composants communs dans les circuits de types Solid State Relay (SSR), le design de chaque composant est dis- cuté dans une section dédiée afin de choisir les circuits les mieux adaptés à une solution versatile. L’architecture finale est proche d’un circuit SSR mais propose des fonctionnali- tés supplémentaires dans une même puce, comme la régulation en courant, la protection contre la surchauffe, ou encore une interface de commande le plus simple possible pour une implémentation simple dans de nombreux systèmes. La principale innovation au niveau de l’architecture est l’utilisation d’un lien capacitif pour transmettre à la fois une alimentation isolée à l’interrupteur bidirectionnel, mais aussi le signal de commande de cet interrupteur.

La seconde partie de ce travail est consacrée au design de la protection en elle-même, en se basant sur la revue de littérature. Les circuits implémentés sur puce sont détaillés au niveau transistor. Le circuit de régulation de courant est expliqué en détails, car ce dernier est de conception originale et ne provient pas de la littérature. Il utilise une lecture de courant à base d’un circuit SenseFET, et une comparaison en courant pour obtenir une précision de régulation maximale. Les systèmes sur puce étant complexes à tester, la conception en vue de test est détaillée pour en décrire les enjeux. La topologie de la puce est expliquée, en particulier les entrées et sorties du système. Enfin, on présentera les simulations post- implémentation du système pour en valider le bon fonctionnement. Le circuit implémenté permet notamment une régulation du courant dans les deux sens réglable entre 0 et 350 mA, avec une variation en température et procédé de fabrication inférieure à 20 % dans le pire des cas. Le temps de réaction du circuit de régulation du courant est inférieur à 100 µs et l’interrupteur peut supporter jusqu’à 200 V entre ses terminaux.

Abstract

Whatever their field of application, systems increasingly include sensors. These sensors must be connected to interfaces, often low-voltage, which must be protected from potential dam- age caused by external disturbances. In industrial solutions (e.g., automotive), the sensors used to measure various physical quantities are often placed close to the system’s external enclosure and are subject to any external aggression, such as significant temperature vari- ations or lightning striking the system. Interfaces must be protected against overvoltage and overcurrent. The latter can be caused by a load or transducer fault or a prolonged overvoltage that increases the current flowing through the load. In this work, we focus on overcurrent protection for electronic interfaces as part of the project to develop integrated sensor interface solutions presented in [1]. The main objective of this work is to develop a versatile overcurrent protection that can be included in all types of interfaces. The project’s first objective is to integrate the protection in a single package to minimize its footprint in the system. This is achieved by developing the solution on a single silicon chip using the XFab XT018 manufacturing process. This process is a Silicon-on-Insulator (SOI) process featuring Deep Trench Isolation (DTI), enabling internal voltage differences of up to 400V. The second objective is to make the protection as versatile as possible for numerous inter- faces, including those transferring DC power and AC electrical signals. The protection will, therefore, take the form of an analog switch with a current regulation circuit. The current regulation will be active, which saturates the current at the maximum value rather than fully opening the switch. This mode of operation enables power to continue to be transferred to the supply interfaces and a quicker return to regular operation when the fault disappears. The first part of this thesis consists of a literature review of existing solutions to justify the need for the envisaged protection, on the one hand, and to define a target architecture on the other. As the latter comprises components common to Solid State Relay (SSR) circuits, the design of each component is discussed in a dedicated section to select the circuits best suited to a versatile solution. The final architecture is close to that of an SSR circuit. Still, it offers additional functionalities in the same chip, such as current regulation, over-temperature protection, and the most straightforward possible control interface for easy implementation in various systems. The main architectural innovation is using a capacitive link to transmit an isolated power supply to the bidirectional switch and the control signal for this switch. The second part of this work is dedicated to the protection design itself, based on the lit- erature review. On-chip circuits are detailed at the transistor level. The current regulation circuit is explained in detail, as it is of original design and not taken from the literature. It uses current sensing based on a SenseFET circuit and current comparison to achieve max- imum control accuracy. As systems-on-chip are complex to test, the design for the test is detailed to describe the issues involved. The chip’s topology is explained, particularly the inputs and outputs of the system. Finally, post-implementation simulations of the system are presented to validate its correct operation. In particular, the implemented circuit enables current regulation in both directions, adjustable between 0 and 350mA, with a variation in temperature and manufacturing process of less than 20% in the worst case. The reaction time of the current regulation circuit is less than 100µs, and the switch can withstand up to 200V between its terminals.