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.