Brevet FR3036897A1 — publié le 20161202

BLOC CONVERTISSEUR CONTINU-CONTINU, CONVERTISSEUR CONTINU-CONTINU LE COMPRENANT ET SYSTEME DE SUIVI D'ENVELOPPE ASSOCIE La présente invention concerne le domaine des convertisseurs continu-continu, et porte en particulier sur un bloc convertisseur continu-continu forte puissance et hautes fréquences pour la technique de suivi d'enveloppe, sur un convertisseur continu-continu le comprenant et sur un système de suivi d'enveloppe associé. L'augmentation constante des débits de communication sans fil nécessite l'utilisation de modulations complexes à efficacité spectrale élevée telles que l'OFDM (multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence), ces modulations présentant des facteurs de crête importants (rapport entre la puissance crête et la puissance moyenne du signal). Les amplificateurs de puissance RF qui sont alimentés par une tension d'alimentation continue fournissent un rendement maximal uniquement lorsqu'ils travaillent à la compression, c'est-à-dire à la puissance crête du signal à émettre. Cependant, la plupart du temps, l'amplificateur fournit une puissance bien inférieure à sa puissance maximale, proche de la puissance moyenne du signal à émettre, le rendement de l'amplificateur étant dans ces conditions bien inférieur à son rendement maximal. La technique de suivi d'enveloppe (en anglais, « Envelope Tracking ») est une technique d'alimentation pour améliorer le rendement des amplificateurs de puissance RF, celle-ci remplaçant l'alimentation constante continue de l'amplificateur par une alimentation dynamique continue qui suit l'amplitude du signal RF à émettre. La technique de suivi d'enveloppe permet d'ajuster dynamiquement la 3036897 2 tension d'alimentation de l'amplificateur de puissance RF afin que celui-ci fonctionne toujours en compression et donc à son rendement maximal, quel que soit le niveau de puissance de l'enveloppe du signal RF, cette technique 5 permettant pour les formats de modulation modernes d'améliorer significativement le rendement des amplificateurs de puissance RF tout en répondant aux exigences des normes en termes de linéarité. Dans le cas d'un amplificateur de puissance RF 10 suivi d'enveloppe, la tension d'alimentation est par définition constamment réajustée afin de s'assurer que l'amplificateur fonctionne toujours à la compression et donc à son rendement maximal, quel que soit le niveau de puissance souhaité à l'émission. 15 La tension d'alimentation d'un amplificateur de puissance RF à suivi d'enveloppe est généralement générée par un convertisseur continu-continu hybride (également appelé modulateur de polarisation) permettant de générer un signal de commande continu large bande. Le convertisseur 20 continu-continu hybride comprend une partie convertisseur continu-continu à fort rendement en commutation pure fonctionnant à basses fréquences et une partie amplification linéaire permettant de suivre les variations rapides du signal d'enveloppe. Cependant, la partie 25 amplification linéaire qui présente un faible rendement dégrade fortement le rendement global du convertisseur continu-continu hybride. En outre, plus la bande passante couverte par la partie amplification linéaire est importante, plus le rendement global est impacté par le 30 faible rendement de la partie amplification linéaire. Une autre technique connue communément utilisée pour générer un signal de commande continu de suivi d'enveloppe s'appuie uniquement sur l'utilisation seule 3036897 3 d'un convertisseur continu-continu en commutation, celui-ci devant être suffisamment rapide afin de répondre aux exigences en termes de bande passante étant donné qu'il s'appuie sur un signal de découpe de type PWM (modulation 5 d'impulsions en largeur) ou sigma-delta. Cependant ce type de convertisseur s'avère relativement limité en bande passante pour supporter la technique de suivi d'enveloppe. Des architectures de convertisseur continu-continu en commutation de type multi-phase permettent d'améliorer les 10 bandes passantes des convertisseurs sans pour autant atteindre une rupture technologique en termes de rendement et bande passante. La conversion continu-continu large bande et fort rendement repose sur des convertisseurs à découpage 15 quel que soit le type de modulateur : hybride ou a commutation seule. Ces convertisseurs s'appuient directement sur des topologies et des technologies utilisées traditionnellement pour la conversion de tension d'alimentation. 20 Ces convertisseurs, basés principalement sur des architectures de type abaisseur de tension (en anglais, « Buck ») ou amplificateur de tension (en anglais, « Boost »), utilisent des transistors de type MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur) 25 en technologie au silicium qui présentent l'avantage d'être largement éprouvés et d'être disponibles en technologies complémentaires (à canal N ou P), les grilles des transistors MOSFET étant généralement pilotées par des circuits intégrés sur silicium mettant en oeuvre la 30 technique de « Bootstrap » (d'amorçage). Cependant, les transistors MOSFET en technologie au silicium s'avèrent très limités en fréquence de commutation pour des applications de forte puissance. La 3036897 4 réponse à cette problématique passe nécessairement par l'utilisation de nouveaux matériaux tels que le nitrure de gallium (GaN). Pour un tel matériau, des transistors de type HEMT (transistor à haute mobilité d'électrons) a 5 enrichissement (normalement ouverts) ou HEMT à déplétion (normalement fermés) existent à partir de processus de fabrication différents. Ils permettent d'atteindre des fréquences de fonctionnement plus importantes mais utilisent des dispositifs de pilotage de grille de type 10 « Bootstrap » toujours en technologie au silicium. Par ailleurs, l'utilisation de transistors HEMT à déplétion (normalement fermés) conjointement à un dispositif de pilotage de grille de type « Bootstrap » pose un problème évident lors de la phase de démarrage du circuit, le 15 dispositif de pilotage de grille de type « Bootstrap » imposant de continuellement commuter les transistors. Les fabricants d'alimentations à découpage se tournent donc vers des transistors de type HEMT enrichissement en technologie GaN pilotés par des 20 dispositifs de pilotage de type « Bootstrap » au silicium, ce type de transistor étant développé spécialement pour les applications de conversion de tension d'alimentation et permettant d'améliorer significativement les performances vis-à-vis des transistors MOSFET au silicium sans pour 25 autant rivaliser avec les transistors HEMT à déplétion utilisés traditionnellement dans des applications d'amplification à très hautes fréquences. L'augmentation constante des bandes passantes de modulation nécessite donc, quelle que soit l'architecture 30 du modulateur de polarisation utilisée, de disposer de convertisseurs continu-continu capables de fonctionner des fréquences de commutation très élevées, ces fréquences étant bien supérieures à ce que les technologies 3036897 5 disponibles de convertisseurs continu-continu peuvent permettre, notamment dans le cas d'applications de forte puissance. Les transistors HEMT à déplétion (normalement 5 fermés) en technologie GaN, généralement utilisés pour des applications d'amplification en hyperfréquences, permettent d'atteindre potentiellement des fréquences de fonctionnement très élevées. Cependant, ni les dispositifs de pilotage de grille de type « Bootstrap » au silicium, ni 10 les topologies existantes des convertisseurs continu-continu ne permettent d'utiliser réellement ce type de composant pour des applications d'alimentation à découpage ou au sein de convertisseurs continu-continu très hautes fréquences de type abaisseur de tension pour la technique 15 de suivi d'enveloppe. La présente invention vise à résoudre les inconvénients de l'état antérieur de la technique, en proposant un bloc convertisseur continu-continu forte puissance et hautes fréquences pour la technique de suivi 20 d'enveloppe pour des applications d'amplification radiofréquence et/ou hyperfréquence de forte puissance afin de permettre une rupture technologique concernant la limitation rendement-bande passante imposée par les convertisseurs continu-continu existants qui rendait 25 jusqu'à maintenant la technique de suivi d'enveloppe difficilement applicable pour les applications de forte puissance avec des débits élevés, ledit bloc convertisseur continu-continu selon la présente invention comprenant un circuit de puissance abaisseur de tension avec au moins un 30 transistor HEMT à déplétion et un circuit de pilotage avec des transistors HEMT à déplétion, le circuit de puissance étant alimenté par deux tensions d'alimentation positives et non nulles. 3036897 6 La présente invention propose également un convertisseur continu-continu comprenant le bloc convertisseur continu-continu et un système pour la technique de suivi d'enveloppe comprenant un convertisseur 5 continu-continu pour la technique de suivi d'enveloppe selon la présente invention et un amplificateur radiofréquence (RF) de puissance. La présente invention a donc pour objet un bloc convertisseur continu-continu forte puissance et hautes 10 fréquences pour la technique de suivi d'enveloppe comprenant un circuit de puissance abaisseur de tension dont la sortie constitue la sortie du bloc convertisseur continu-continu, le circuit de puissance abaisseur de tension comprenant au moins un transistor HEMT (à haute 15 mobilité d'électrons) à déplétion, le bloc convertisseur continu-continu comprenant en outre un circuit de pilotage de grille de l'au moins un transistor HEMT à déplétion du circuit de puissance abaisseur de tension, caractérisé par le fait que le circuit de pilotage comprend des transistors 20 HEMT à déplétion configurés pour piloter la grille de l'au moins un transistor HEMT à déplétion du circuit de puissance abaisseur de tension, et par le fait que le circuit de puissance abaisseur de tension est alimenté par deux tensions d'alimentation positives et non nulles, à 25 savoir une première tension d'alimentation et une seconde tension d'alimentation, la première tension d'alimentation étant supérieure à la seconde tension d'alimentation. Par forte puissance, on entend des puissances supérieures à 1W. 30 Par hautes fréquences, on entend des fréquences de commutation supérieures à 10MHz. Ainsi, le bloc convertisseur continu-continu est spécialement approprié pour la technique de suivi 3036897 7 d'enveloppe, les transistors hyperfréquences de type HEMT déplétion (dits normalement fermés) étant spécifiquement appropriés pour des applications de forte puissance avec des fréquences de commutation élevées. 5 Différentes technologies de semi-conducteurs peuvent être utilisés pour la réalisation des transistors HEMT à déplétion, ces matériaux étant principalement le nitrure de gallium (GaN) et l'arséniure de gallium (GaAs) mais aussi tout autre matériau semi-conducteur à base de 10 matériaux du groupe III-V tels que AlGaN, AIN, InAlN, InAlGaN, etc. L'utilisation de transistors RF et hyperfréquence de type HEMT à déplétion offre un fort potentiel en termes de fréquence de fonctionnement de par leurs très faibles 15 capacités parasites, ce type de transistors permettant traditionnellement d'adresser des fonctions d'amplification de puissance jusqu'à plusieurs dizaines de gigahertz, ce type de transistor offrant en outre les avantages d'être disponible suivant différents développements de grille et 20 d'être très facilement intégrable dans des circuits monolithiques MMIC (circuits intégrés monolithiques hyperfréquences). De plus, les très faibles capacités parasites de ces transistors HEMT à déplétion associées à des tensions 25 de claquage élevées rendent ce type de composants particulièrement adapté aux applications de conversion continu-continu large bande de forte puissance (> 1W). Les transistors HEMT à déplétion présentent en outre l'avantage d'être utilisables en conduction directe 30 et inverse. Ils ne nécessitent donc pas nécessairement de diodes Schottky placées en parallèle pour la gestion des courants inverses, ce qui permet de rendre minimales les 3036897 8 capacités parasites et donc d'atteindre des fréquences de commutation plus importantes. Le circuit de pilotage de grille est intégré au bloc convertisseur continu-continu dans la même 5 technologie, c'est-à-dire comprenant des transistors HEMT déplétion, ce qui permet d'obtenir un circuit de pilotage de grille ultra rapide et à faible consommation. L'architecture du bloc convertisseur continu-continu avec un circuit de puissance de type abaisseur de 10 tension est particulièrement optimisée pour la technique de suivi d'enveloppe à travers l'utilisation de deux tensions d'alimentation qui bornent la tension générée par le bloc convertisseur continu-continu, ce qui permet de rendre significativement minimales les pertes lors des phases de 15 commutation du bloc convertisseur continu-continu, la première tension d'alimentation devant être supérieure à la seconde tension d'alimentation afin de veiller au bon fonctionnement du bloc convertisseur continu-continu. De plus, l'utilisation d'un circuit de puissance 20 de type abaisseur de tension présente également l'avantage d'une simplicité de pilotage dans le cas d'une utilisation pour la technique de suivi d'enveloppe. En effet, le circuit de puissance de type abaisseur de tension est plus simple à commander qu'un circuit de puissance de type 25 amplificateur de tension car aisément utilisable sans chaîne de contre-réaction même dans le cas où il est confronté à des variations d'impédance de charge ou pire à l'absence de charge. Selon un premier mode de réalisation de 30 l'invention, le circuit de puissance abaisseur de tension est de type asynchrone et comprend un transistor de puissance HEMT à déplétion et une diode de puissance Schottky, la borne d'entrée de conduction du transistor de 3036897 9 puissance étant connectée à la première tension d'alimentation, l'anode de la diode de puissance étant connectée à la seconde tension d'alimentation, la sortie du circuit de puissance abaisseur de tension étant connectée à 5 la borne de sortie de conduction du transistor de puissance et à la cathode de la diode de puissance, et la grille du transistor de puissance étant connectée au circuit de pilotage du bloc convertisseur continu-continu, de telle sorte que la tension de sortie du circuit de puissance 10 abaisseur de tension du bloc convertisseur continu-continu est bornée par les première et seconde tensions d'alimentation. Les transistors de puissance HEMT peuvent fonctionner en conduction directe (quadrant (Vols, Ids) > 0) 15 ou inverse (quadrant (Vds, Ids) 0 ou (Vu, Iu) REVENDICATIONS1 - Bloc convertisseur continu-continu forte puissance et hautes fréquences pour la technique de suivi 5 d'enveloppe comprenant un circuit de puissance abaisseur de tension dont la sortie constitue la sortie du bloc convertisseur continu-continu, le circuit de puissance abaisseur de tension comprenant au moins un transistor HEMT (à haute mobilité d'électrons) à déplétion (T3 ; T6), le 10 bloc convertisseur continu-continu comprenant en outre un circuit de pilotage de grille de l'au moins un transistor HEMT à déplétion (T3 ; T6) du circuit de puissance abaisseur de tension, caractérisé par le fait que le circuit de pilotage comprend des transistors HEMT 15 déplétion (T1, T2 ; T4, T5) configurés pour piloter la grille de l'au moins un transistor HEMT à déplétion (T3 ; T6) du circuit de puissance abaisseur de tension, et par le fait que le circuit de puissance abaisseur de tension est alimenté par deux tensions d'alimentation positives et non 20 nulles, à savoir une première tension d'alimentation (VDD1) et une seconde tension d'alimentation (VDD2), la première tension d'alimentation (VDD1) étant supérieure à la seconde tension d'alimentation (VDD2). 2 - Bloc convertisseur continu-continu selon la 25 revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de puissance abaisseur de tension est de type asynchrone et comprend un transistor de puissance HEMT à déplétion (T3) et une diode de puissance Schottky (D1), la borne d'entrée de conduction du transistor de puissance (T3) étant 30 connectée à la première tension d'alimentation (VDD1), l'anode de la diode de puissance (D1) étant connectée à la seconde tension d'alimentation (VDD2), la sortie (OUT) du circuit de puissance abaisseur de tension étant connectée à 3036897 34 la borne de sortie de conduction du transistor de puissance (13) et à la cathode de la diode de puissance (D1), et la grille du transistor de puissance (13) étant connectée au circuit de pilotage du bloc convertisseur continu-continu, de telle sorte que la tension de sortie (VouT) du circuit de puissance abaisseur de tension du bloc convertisseur continu-continu est bornée par les première et seconde tensions d'alimentation (VDD1, VDD2). 3 - Bloc convertisseur continu-continu selon la 10 revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de puissance abaisseur de tension est de type synchrone et comprend un premier transistor de puissance HEMT déplétion (13) et un second transistor de puissance HEMT déplétion (16), la borne d'entrée de conduction du premier 15 transistor de puissance (13) étant connectée à la première tension d'alimentation (VDD1), la borne de sortie de conduction du second transistor de puissance (T6) étant connectée à la seconde tension d'alimentation (VDD2), la sortie (OUT) du circuit de puissance abaisseur de tension 20 étant connectée à la borne de sortie de conduction du premier transistor de puissance (13) et à la borne d'entrée de conduction du second transistor de puissance (16), et les grilles des premier (13) et second (16) transistors de puissance étant connectées au circuit de pilotage du bloc 25 convertisseur continu-continu, de telle sorte que la tension de sortie (VouT) du circuit de puissance abaisseur de tension du bloc convertisseur continu-continu est bornée par les première et seconde tensions d'alimentation (VDD1, VDD2). 30 4 - Bloc convertisseur continu-continu selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des condensateurs de découplage d'alimentation (Cl, C2) respectivement disposés en 3036897 35 parallèle des première et seconde tensions d'alimentation (VDD1, VDD2). 5 - Bloc convertisseur continu-continu selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que 5 le circuit de pilotage comprend, pour chaque grille de transistor HEMT à déplétion (13 ; 16) du circuit de puissance abaisseur de tension à piloter, un premier transistor de pilotage HEMT à déplétion (T1 ; 14), un second transistor de pilotage HEMT à déplétion (12 ; 15), des première, seconde et troisième résistances (R1, R2, R3 ; R4, R5, R6), une diode Schottky (D2 ; D3) et une tension d'alimentation auxiliaire (VAuxi ; VAux2), la source du premier transistor de pilotage (T1 ; 14) étant connectée la masse, le drain du premier transistor de pilotage 15 (T1 ; 14) étant connecté à l'une des bornes de la première résistance (R1 ; R4) et à l'une des bornes de la seconde résistance (R2 ; R5), la grille du premier transistor de pilotage (T1 ; 14) étant connectée à une entrée (VIN' ; ViN2) correspondante du circuit de pilotage, la grille du second 20 transistor de pilotage (12 ; 15) étant connectée à l'autre des bornes de la première résistance (R1 ; R4), la source du second transistor de pilotage (12 ; 15) étant connectée à l'autre des bornes de la seconde résistance (R2 ; R5), la cathode de la diode Schottky (D2 ; D3) et à l'une des 25 bornes de la troisième résistance (R3 ; R6), l'anode de la diode Schottky (D2 ; D3) étant connectée à la tension d'alimentation auxiliaire (VAuxi ; VAux2), l'autre des bornes de la troisième résistance (R3 ; R6) étant connectée à la grille du transistor HEMT à déplétion (13 ; 16) du circuit 30 de puissance abaisseur de tension à piloter correspondant, le drain du second transistor de pilotage (12 ; 15) étant connecté à la première tension d'alimentation (VDD1) si celle-ci est connectée à la borne d'entrée de conduction du 3036897 36 transistor HEMT à déplétion (13 ; 16) du circuit de puissance abaisseur de tension à piloter correspondant ou étant connecté à la seconde tension d'alimentation (VDD2) si celle-ci est connectée à la borne de sortie de 5 conduction du transistor HEMT à déplétion (13 ; 16) du circuit de puissance abaisseur de tension à piloter correspondant, la tension d'alimentation auxiliaire (VAuxi ; VAux2) étant supérieure à la tension de pincement du second transistor de pilotage (12 ; 15), et la seconde tension 10 d'alimentation (VDD2) étant supérieure à la tension d'alimentation auxiliaire (VAuxi ; VAux2) plus la tension de pincement du transistor HEMT à déplétion (13 ; 16) du circuit de puissance abaisseur de tension à piloter correspondant. 6 - Bloc convertisseur continu-continu selon la revendication 5, caractérisé par le fait que chaque tension d'entrée (VIN' ; ViN2) au niveau d'une entrée correspondante du circuit de pilotage est négative et comprise entre 0 V et -Vp, Vp étant la tension de pincement du transistor de pilotage dont la grille est connectée à ladite entrée correspondante du circuit de pilotage, ladite tension d'entrée (ViNi : ViN2) étant délivrée par un circuit d'interface relié à un circuit numérique de commande PWM (modulation d'impulsions en largeur) ou sigma-delta. 7 - Bloc convertisseur continu-continu selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé par le fait que, lorsque le circuit de puissance abaisseur de tension est de type synchrone, les deux tensions d'entrée (V 1Ni r ViN2) du circuit de pilotage sont complémentaires. 8 - Bloc convertisseur continu-continu selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les tailles de grille des transistors HEMT à déplétion (T1, 12, 14, 15) du circuit de pilotage sont inférieures à 3036897 37 celles du ou des transistors HEMT à déplétion (13, 16) du circuit de puissance abaisseur de tension. 9 - Bloc convertisseur continu-continu selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que 5 tous les composants du bloc convertisseur continu-continu sont des composants discrets montés sur une carte à circuits imprimés ou liés à celle-ci par des fils de liaison. 10 - Bloc convertisseur continu-continu selon 10 l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que tous les composants du bloc convertisseur continu-continu sont intégrés de manière monolithique dans un circuit intégré. 11 - Bloc convertisseur continu-continu selon 15 l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que les transistors HEMT (13, 16) du circuit de puissance abaisseur de tension et les transistors HEMT (T1, 12 ; 14, 15) du circuit de pilotage sont en l'un quelconque parmi le nitrure de gallium (GaN), l'arséniure de gallium (GaAs) ou 20 en tout autre matériau semi-conducteur à base de matériaux de type III-V. 12 - Bloc convertisseur continu-continu selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que les diodes (D1, D2, D3) sont de type Schottky en 25 technologie Si, SiC, GaAs, GaN ou en tout autre matériau semi-conducteur à base de matériaux de type III-V. 13 Convertisseur continu-continu forte puissance et hautes fréquences pour la technique de suivi d'enveloppe, caractérisé par le fait qu'il comprend un bloc 30 convertisseur continu-continu selon l'une des revendications 1 à 12 et un filtre de sortie connecté à la sortie du circuit de puissance abaisseur de tension du bloc convertisseur continu-continu, le filtre étant de 3036897 38 préférence à base de condensateurs et d'inductances, la sortie du filtre de sortie constituant la sortie du convertisseur continu-continu forte puissance et hautes fréquences. 5 14 - Convertisseur continu-continu forte puissance et hautes fréquences pour la technique de suivi d'enveloppe de type multi-phase, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins deux convertisseurs continu-continu selon la revendication 13 montés en parallèle et alimentés 10 par les mêmes tensions d'alimentation (VDD1) et (VDD2). 15 - Système pour la technique de suivi d'enveloppe comprenant un convertisseur continu-continu pour la technique de suivi d'enveloppe selon la revendication 13 ou un convertisseur continu-continu pour 15 la technique de suivi d'enveloppe de type multiphase selon la revendication 14, un amplificateur radiofréquence (RF) de puissance et un circuit numérique de traitement de suivi d'enveloppe, le circuit numérique de traitement de suivi d'enveloppe commandant le convertisseur continu-continu et 20 l'amplificateur RF de puissance, et la sortie du convertisseur continu-continu étant reliée à l'entrée de tension d'alimentation de l'amplificateur RF de puissance.