Tesi sul tema "Électronique de puissance – Fiabilité – Conception assistée par ordinateur"

Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre de l’électrification des sous-systèmes embarqués notamment pour des véhicules électriques/hybrides. Dans ce domaine, un des objectifs permanents est la réduction des coûts et des délais lors de la conception de chaînes d’actionnement mécatroniques. Pour y parvenir, il est nécessaire de doter le concepteur de méthodologies et d’outils adaptés lui permettant de fiabiliser sa démarche de conception et de lever le maximum de risques avant de réaliser les premiers prototypes. Ces systèmes mécatroniques embarqués mobilisent des briques technologiques essentielles dont fait partie le convertisseur d’électronique de puissance. Les performances de ce système reposent sur la capacité des méthodologies de conception à considérer les contraintes pluridisciplinaires liées à son environnement, l’adéquation des technologies, des topologies et des lois de commandes. Ces travaux de thèse montrent comment nous pouvons répondre à ces exigences et besoins à travers le développement d’une méthodologie de conception multi-physique et multi-niveau de convertisseurs multicellulaires (entrelacés) prédisposés par essence à une reconfiguration aisée. Cette méthodologie, basée sur une optimisation sous contraintes multi-physiques, permet des choix systématiques d’architecture optimale et des technologies de composants à partir d’une base de données constructeurs. Elle intègre l’aspect fiabilité dans la conception dès la phase de pré-dimensionnement au même niveau que les autres contraintes (électriques, rendement, thermiques, encombrement, compatibilité électromagnétique). Afin de bien profiter des avantages de ce type de convertisseurs entrelacés, cette intégration de la fiabilité dans la conception «fiabilisation par conception» est parachevée par l’élaboration d’une architecture de commande tolérante aux défauts «fiabilisation par la commande» permettant, une fois le convertisseur conçu, d’augmenter sa disponibilité par reconfiguration matérielle ou logicielle (loi de commande)
This PhD thesis work is in the context of electric/hybrid vehicle embedded subsystems electrification. In mechatronic design field, the permanent objectives are costs and delays reducing. To achieve this, there is need of design methodologies and appropriate tools to perform a reliable design approach and leave maximum of risks before making the first prototypes. Embedded mechatronic systems mobilize technological brick keys which include the power electronic converter. Their performances are based on the capacity of the design methodologies to consider the environment multi-disciplinary constraints, the adequacy of the technologies, topologies and control laws. This thesis work shows how we can meet these requirements and needs through the development of multi-physics and multi-level design methodology for multi-level converters (interleaved) predisposed to an easy reconfiguration. This methodology, based on optimization under multi-physics constraints allows systematic choice of optimal architecture and component technologies from manufacturer database. It integrates the reliability aspect in the design since the pre-sizing process in the same level as the other constraints (electric, efficiency, thermal, volume, electromagnetic compatibility). In order take advantages of such interleaved converters, the integration of reliability in the design "reliability by design" is completed by the development of fault tolerant control architecture "reliability by control" which increase the availability by reconfiguring hardware or software (control law) of the designed converter

Ces dernières années, des avancées significatives ont été réalisées avec les transistors à haute mobilité électronique en GaN (HEMTs) contribuant à l'évolution de la prochaine génération de réseaux 5G, de systèmes radar et de communications par satellite. Cependant, pour améliorer davantage l'amplification de puissance et les performances à haute fréquence (>30 GHz), de nouvelles architectures ont été développées. Ces conceptions se caractérisent pardes structures repensées avec des longueurs de grille inférieures à 150 nm, des couches barrières réduites ou des couches épitaxiales optimisées. Plusieurs groupes de recherche ont obtenu des résultats remarquables, alliant un rendement en puissance ajoutée élevée (PAE > 50%) à une puissance de sortie élevée (POUT > 3 W/mm), couvrant des plages de fréquences allant de la bande Ka (30 GHz) à la bande W (94 GHz). Malgré ces progrès, la fiabilité des dispositifs de faibles dimensions reste un défi majeur en raison du champ électrique élevé, de l'auto-échauffement et des effets de piégeage. Cette recherche associe la fabrication et la caractérisation de dispositifs avec des simulations TCAD pour fournir des informations clés dans ce domaine. L'une des technologies les plus prometteuses, le HEMT à canal AlGaN gradué, a été analysée à travers des simulations pour mieux comprendre ce qui en fait une solution unique. De plus, grâce à une architecture de buffer optimisée reposant sur l'insertion d'une couche barrière sous le canal en AlGaN et une barrière ultra-mince en AlN, des performances en puissance à l'état de l'art à 40 GHz ont été atteintes sur les composants fabriqués. Enfin, une nouvelle architecture sans buffer dotée d'une barrière ultra-mince en AlGaN a également été étudiée, montrant des résultats prometteurs qui pourraient rivaliser avec les technologies existantes. La fiabilité à court terme de ces structures a été évaluée afin d'identifier les principaux points faibles et d'orienter les futurs développements
In recent years, significant progress has been achieved with GaN high electron mobility transistors (HEMTs) in advancing the next generation of 5G networks, radar systems, and satellite communications. However, to further enhance power amplification and high-frequency operation (>30 GHz), innovative architectures have been developed. These designs feature reengineered structures, including sub-150 nm gate lengths, thinner barrier layers, or optimized epitaxial layers. Several research groups have demonstrated impressive results, achieving high power-added efficiency (PAE > 50%) with substantial high output power (POUT > 3 W/mm), across frequency ranges from the Ka-band (30 GHz) to the W-band (94 GHz). Despite these advancements, the reliability of short devices remains a significant challenge due to high electric field, self-heating, and electron trapping effects. This research integrates device fabrication, structural and electrical characterizations, and TCAD simulations to provide cutting-edge insights in this field. One of the most promising technologies, the graded AlGaN channel HEMT has been explored through advanced simulations to better understand its unique properties. Furthermore, an optimized buffer architecture using an AlGaN back barrier and an ultra-thin AlN barrier has enabled state-of-the-art power performance at 40 GHz in fabricated devices. Finally, a novel buffer-free architecture featuring an ultra-thin AlGaN barrier has also been investigated, showing promising results that may rival existing technologies. Short-term reliability tests have been conducted to identify key shortcomings and guide future development

Cette these traite de la modelisation en regime permanent et du dimensionnement du convertisseur a resonance serie non reversible fonctionnant en mode thyristor et en mode thyristor-dual. Ce convertisseur peut etre muni de ses circuits d'aide a la commutation sur l'onduleur et sur le redresseur. L'auteur definit d'abord les differentes notations et la methode d'etude utilisees dans le memoire. Cette methode d'etude, basee sur la representation dans le plan de phase du fonctionnement du convertisseur, permet une caracterisation complete de ce dernier: caracteristiques statiques de sortie a frequence constante, courant crete dans les interrupteurs, etc. . . La connaissance de ces caracteristiques est indispensable pour aborder le dimensionnement du convertisseur. L'ensemble de ces travaux est rassemble dans un logiciel permettant de tracer les caracteristiques statiques et de dimensionner a partir d'un cahier des charges le convertisseur etudie. Ce logiciel est egalement capable de calculer a partir de l'etude dans le plan de phase, les valeurs initiales des variables d'etats lors d'une simulation numerique. Ceci permet d'acceder directement aux formes d'ondes du convertisseur en regime permanent

Ce travail traite des différents aspects de la conception des circuits micro-ondes actifs, et plus particulièrement du développement des outils d'assistance à la conception permettant de mettre en oeuvre rapidement des méthodologies avancées tout en gardant le maximum de degrés de liberté pour intégrer de nouvelles connaissances. Les deux parties de ce manuscrit concernent : - la réalisation à 40GHz en technologie pHEMT AsGa d'un driver MMIC de modulateur électro-absorbant InP pour la génération d'impulsions optiques. Une méthodologie de conception de driver de MEA a été développée permettant la prise en compte directe dans la phase de CAO hyperfréquence, du composant optique et de ses caractéristiques. Cette méthodologie a été appliquée dans le cadre d'une collaboration avec Alcatel-Opto+ à la réalisation d'un circuit driver MMIC de commande à 40 GHZ, en technologie pHEMT 0. 15 μm AsGa d'OMMIC. Cette réalisation a permis de valider la pertinence de la méthodologie utilisée et a permis de démontrer l'intérêt de la fonction driver+MEA sur InP pour la génération d'impulsions optiques très courtes et avec un fort taux d'extinction à 40 GHz. - le développement d'un outil d'assistance à la conception des circuits micro-ondes. Dans le cadre d'un programme de recherche en collaboration avec le CNES, un assistant à la conception des circuits non linéaires micro-ondes a été développé. L'objectif est de mettre à la disposition des concepteurs, un outil informatique à même de les guider efficacement dans leur démarche de conception et de leur faciliter l'implémentation de méthodes adaptées afin de leur permettre de passer plus de temps sur les problèmes de conception et le développement de solutions innovantes
This thesis deals with the various aspects of the microwave circuit design, and especially how to implement efficient EDA tools for microwave circuit design without fixing knowledge through monolithic, so as to be able to innovate unceasingly. The two parts of this manuscript concern : - the realization of a MMIC driver in pHEMT GaAs technology at 40 GHz of an electroabsorption modulator on InP for optical pulses generation. A design methodology of the EAM driver was developed, allowing to directly take into account in the phase of ultra high frequency CAD, the optical component and its characteristics. This methodology was applied within the framework of a collaboration with Alcatel-Opto+ to the realization of a MMIC driver at 40 GHZ, in 0. 15 μm GaAs pHEMT technology of OMMIC. This realization made it possible to validate the relevance of methodology used, and made it possible to show the interest of the driver + MEA on InP function for the generation of very short optical pulses with a strong extinction ratio at 40 GHz. - the development of a design assistance tool for microwave circuits. Within the framework of a research programme in collaboration with the French Space Agency, a design assistant of microwave non-linear circuits was developed. The objective is propose to designers, a capable data-processing tool to effectively guide them during each design step and to facilitate them the implementation of suited methods in order to enable them to spend more time on the design problems and the development of innovating solutions

Ce memoire traite de la modelisation des transistors bipolaires silicium en regime statique et en regime dynamique. Un nouveau modele unidimensionnel et a constante localisee de type compact est propose pour simuler le fonctionnement en commutation des transistors bipolaires de puissance. Ce modele est a la fois simple et facile a mettre en uvre par un concepteur de circuit. Son utilisation est tres avantageuse, car il ne fait intervenir que peu de parametres qui peuvent, avec des moyens informtiques legers, facilement etre identifies a partir des feuilles de specification des fabricants de composants. Le dimensionnement des elements du schema equivalent simplifie statique est realise a partir de l'expression du gain en courant collecteur. En fonctionnement dynamique, le modele est complete par une capacite base-emetteur equivalente, representant la charge stockee dans la base electrique. Le modele final, est alors bien adapte a l'etude et a la caracterisation du transistor bipolaire de puissance et permet d'en simuler le fonctionnement en commutation. La bonne concordance entre les comportements mesures et simules des echantillons testes, justifie l'approche choisie

Cette these traite de la conception automatique des convertisseurs statiques et en particulier des alimentations sans interruption (asi). L'objectif recherche est la mise au point d'un outil apportant une aide a l'analyse du cahier des charges, au choix et au dimensionnement des structures les mieux adaptees. L'etude est fondee sur la demarche utilisee habituellement par les experts sur une structure generique constituant un support pour developper une procedure automatique. Les specifications sont decrites par les performances recherchees au niveau des courants et des tensions a l'entree et a la sortie. Ces donnees sont analysees par l'emploi de methodes et de regles de conception permettant ainsi de dimensionner le filtre d'entree, le filtre de sortie, l'onduleur, le redresseur, le transformateur la caracterisation des elements constitutifs de l'asi selon differents criteres et donnees du cahier des charges se materialise par la realisation de modules d'expertise autonomes. Chacun des modules est concu et realise de facon a etre independant des autres. Les modules sont implantes a l'aide du generateur de systeme expert smeci et ont une structure unique, modelisee dans un formalisme approprie autorisant l'integration de nouvelles connaissances. Pour respecter cette modularite et prendre en compte l'interaction entre les differents modules, il nous a fallu etablir un systeme leur permettant de cooperer. Pour assurer une bonne evolutivite de ce systeme, l'implementation informatique du prototype a ete realisee autour d'une architecture de controle centralise. Cette derniere met en uvre la structuration et l'exploitation des connaissances

Le sujet de cette étude concerne la modélisation de la connectique imprimée des dispositifs de l'électronique de Puissance. Ce domaine est utile pour la prise en compte des problèmes de Compatibilité Electromagnétique (CEM). La simulation globale des cartes imprimées doit concilier le temps CPU d'une part, et la précision dans l'analyse des phénomènes physiques d'autre part. Notre voie de recherche s'est donc orientée vers le principe d'association de méthodes électromagnétiques. Le principal modèle étudié traite de la méthode des fils fins (MFF). Cette méthode est généralisée à toutes les configurations de circuits multicouches. Elle est rendue plus efficace par l'élaboration d'un critère de couplage dit de la matrice creuse et du principe de répartition non-linéaire des fils fins. Deux principales associations de méthodes électromagnétiques sont appliquées dans cette étude: l'association de la MFF avec le modèle distribué et la méthode variationnelle permet d'étendre la modélisation aux différents modes de propagation. La mise en place de relations de correspondance met en évidence les spécificités d'utilisation de la MFF et de la méthode de la matrice des lignes de transmission bidimensionnelle (TLM2D). Enfin, cette étude montre les extensions possibles du logiciel d'analyse dans la prise en compte de toutes les perturbations conduites et rayonnées. L'objectif final est de le généraliser à toutes les configurations de circuits imprimés, en adopant le principe d'association des méthodes électromagnétiques.

Afin de répondre aux nouvelles exigences des systèmes d'émission de SONAR actif, en particulier la diminution de la fréquence de travail associée à la conservation de la taille des antennes, un outil de C. A. O. A été construit. L'objectif était de donner au concepteur les moyens d'étudier et d'optimiser chaque élément de la chaîne d'émission (alimentation, générateur, transformateur, unités d'adaptation, câble, antenne électroacoustique) tout en considérant cette dernière dans son ensemble et en intégrant l'influence des interactions acoustiques dans l'antenne. Dans ce sens, des modèles compatibles SPICE ont été développés, au niveau éléments et composants, ainsi que les méthodes appropriées d'extraction de paramètres. Des essais expérimentaux ont ensuite permis de valider ces modèles
In order to face the new exigences of active SONAR transmission systems and particularly the decrease of the working frequency added to the array size conservation, a C. A. D. Tool has been built. The objectives were to give the designer the tool to study and to optimize every element of the chain (power supply, power generator, transformer, matching units, cable, electroacoustic array) while considering this last as a whole and integrating the array acoustic interaction effects. In that way, SPICE compatible models have been developped, both at the element leve! and at the component level, with the associated methods for the parameter extraction. The models have been validated by experimentation

L’innovation dans sa définition la plus générale est un moyen pour les industriels de préserver et créer de la valeur par rapport aux concurrents. Principalement technologique, l’innovation est également présente dans l’usage. Une nouvelle façon d’utiliser un produit ou un service pour répondre aux besoins du marché. Cette thèse est une innovation dans le domaine du design assisté par ordinateur des composants passifs pour l’électronique de puissance.Le domaine de l’électronique de puissance est sujet aux mêmes objectifs que toutes les recherches actuelles, c.à.d. augmenter l’efficacité énergétique des systèmes en réduisant leurs coûts et leurs temps de développement. Parmi les multitudes de solutions proposées ces dernières années, les structures multi-niveaux et multi-bras, les composants grands gaps SiC ou GaN ou les stratégies de régulation, le choix est cornélien pour le designer. Le besoin d’assistance au choix est donc clairement formulé dans le milieu industriel.Pour répondre à cette problématique, ces travaux proposent la mise en œuvre de dimensionnement par optimisation des composants passifs simulés par des modèles précis et discrets basés sur la réalité industrielle. C’est-à-dire un dimensionnement s’appuyant sur les catalogues de fournisseurs pour les dimensions et les matériaux, mais également un dimensionnement contraint par la faisabilité industrielle des solutions trouvées.Dans un premier temps le manuscrit de thèse introduit les principaux algorithmes d’optimisation ainsi que les stratégies associées. L’expérience du G2Elab ainsi que celle de Schneider Electric nous ont conduit au choix d’une stratégie adaptée au besoin défini par un cahier des charges. Les avantages et inconvénients de cette stratégie mais également des autres choix possibles sont présentés sur des exemples simples.Dans un second temps des modèles de composants passifs répondant aux besoins des algorithmes stochastiques choisis sont développés. Un important effort est fait sur la modélisation des inductances car leur dimensionnement est prépondérant comparé à celui des condensateurs. Ces efforts sont faits sur la modélisation des pertes et du comportement magnétique des matériaux poudreux et amorphes principalement utilisés chez Schneider Electric. L’expérience montre également qu’avec ces matériaux à faible densité de pertes, l’efficacité des inductances se gagne sur les conducteurs. Les modèles existant d’homogénéisation ne répondent pas au besoin de précision et de modélisation de nouveaux concepts. C’est pourquoi un nouveau modèle semi-analytique est proposé afin de rivaliser avec les méthodes de types intégrales ou éléments finis en termes de précision tout en les surpassant en termes de rapidité de calcul.Les modèles de composants présentés, le manuscrit se focalise ensuite sur la modélisation des filtres dans les structures de conversion AC/DC, DC/AC et DC/DC utilisées dans les Alimentations Sans Interruptions. Cette modélisation doit tenir compte de tous les modes de fonctionnement des ASI qui impactent fortement le comportement des filtres. Enfin les filtres utilisant des inductances couplées sont étudiés.Finalement des exemples d’applications développées pour Schneider Electric sont présentés. La mise en œuvre des méthodes d’optimisation discrète utilisant les modèles choisis sont employées pour fournir des outils d’aide à la décision lors du dimensionnement des convertisseurs. Les résultats sont validés par des mesures faites sur les prototypes issus des optimisations
Innovation in its whole definition is a way for industrial groups to preserve and create value over competitors on the market. Mainly technologic, innovation is also of use, a new way of using a product or service to answer market or user requirements. This work is an innovation for component design in power electronic systems, both in tools and user customs.Power electronic is subject to same research goals as any modern system, i.e. cost and time to market reduction, efficiency increase in the global energy save world concern and modularity of solution to answer maximum customer needs. Among the multitude of proposed solutions during the last decade, multi-legs and multi-levels converters, new SiC and GaN semiconductors or new control strategies, the choice is cornelian for the designer. The need of tool to help designers in their choices is clearly identified in industry. To answer this problem, this work proposes the implementation of passive component sizing using discrete optimization methods. The choice of accuracy and industrial constraints is done to get already purchasable solution from optimization results to suppliers.In the first part of the PhD dissertation the main optimization algorithms are introduced with the optimization strategies. G2Elab experience and Schneider electric one lead to privileged discrete optimization using stochastic algorithms and libraries of components and materials. In the second part the models for passive components are developed to match stochastic algorithms requirements. Focus is done on magnetics because their sizing is dominant compare to capacitor. The effort is done on losses computation and magnetic behavior of powder alloy and amorphous materials widely used in Schneider Electric applications. With these low loss density materials, the gain on efficiency is achieved on conductors. Thus a new semi-analytic model is developed to overcome standard models issues and to compete with integral or finite element method in terms of accuracy and overcoming them in terms of calculation speed.In the third part, filter modeling approach is introduced for AC/DC, DC/AC and DC/DC converters. This modeling takes into account all working cases of UPS impacting passive components design. Interleaved and coupled solutions are investigated.Finally some examples of developed applications for Schneider Electric are presented. The sizing of passive component using discrete optimization methods are implemented with success. Measures are achieved on prototypes to validate our approach

Ce memoire est consacre a la prise en compte de la nature distribuee de la dynamique des charges, dans la modelisation du transistor bipolaire de puissance destine a la conception assistee par ordinateur des circuits. Pour cela, nous proposons une methode de resolution analogique de l'equation de diffusion ambipolaire dans la zone de stockage de charge, basee sur une representation spectrale de la repartition des porteurs. Cette methode nous conduit a traiter un systeme de n equations differentielles du premier ordre, qui peut etre traduit sous forme de circuit electrique equivalent du type ligne rc serie. Ces lignes rc, a parametres variables dans le temps, representent le noyau de calcul du modele a partir duquel nous deduisons les grandeurs physiques internes responsables du comportement externe du dispositif. Ce noyau est complete par la representation des regions de base physique et d'emetteur traitees de maniere localisee, ainsi que l'influence du courant de deplacement, de la charge des porteurs en transit et du profil de dopage. Enfin, une comparaison simulation experience dans un environnement circuit simple mais realiste, mettant en evidence les interactions composant-circuit, montre le bien fonde de cette approche

L’innovation dans sa définition la plus générale est un moyen pour les industriels de préserver et créer de la valeur par rapport aux concurrents. Principalement technologique, l’innovation est également présente dans l’usage. Une nouvelle façon d’utiliser un produit ou un service pour répondre aux besoins du marché. Cette thèse est une innovation dans le domaine du design assisté par ordinateur des composants passifs pour l’électronique de puissance.Le domaine de l’électronique de puissance est sujet aux mêmes objectifs que toutes les recherches actuelles, c.à.d. augmenter l’efficacité énergétique des systèmes en réduisant leurs coûts et leurs temps de développement. Parmi les multitudes de solutions proposées ces dernières années, les structures multi-niveaux et multi-bras, les composants grands gaps SiC ou GaN ou les stratégies de régulation, le choix est cornélien pour le designer. Le besoin d’assistance au choix est donc clairement formulé dans le milieu industriel.Pour répondre à cette problématique, ces travaux proposent la mise en œuvre de dimensionnement par optimisation des composants passifs simulés par des modèles précis et discrets basés sur la réalité industrielle. C’est-à-dire un dimensionnement s’appuyant sur les catalogues de fournisseurs pour les dimensions et les matériaux, mais également un dimensionnement contraint par la faisabilité industrielle des solutions trouvées.Dans un premier temps le manuscrit de thèse introduit les principaux algorithmes d’optimisation ainsi que les stratégies associées. L’expérience du G2Elab ainsi que celle de Schneider Electric nous ont conduit au choix d’une stratégie adaptée au besoin défini par un cahier des charges. Les avantages et inconvénients de cette stratégie mais également des autres choix possibles sont présentés sur des exemples simples.Dans un second temps des modèles de composants passifs répondant aux besoins des algorithmes stochastiques choisis sont développés. Un important effort est fait sur la modélisation des inductances car leur dimensionnement est prépondérant comparé à celui des condensateurs. Ces efforts sont faits sur la modélisation des pertes et du comportement magnétique des matériaux poudreux et amorphes principalement utilisés chez Schneider Electric. L’expérience montre également qu’avec ces matériaux à faible densité de pertes, l’efficacité des inductances se gagne sur les conducteurs. Les modèles existant d’homogénéisation ne répondent pas au besoin de précision et de modélisation de nouveaux concepts. C’est pourquoi un nouveau modèle semi-analytique est proposé afin de rivaliser avec les méthodes de types intégrales ou éléments finis en termes de précision tout en les surpassant en termes de rapidité de calcul.Les modèles de composants présentés, le manuscrit se focalise ensuite sur la modélisation des filtres dans les structures de conversion AC/DC, DC/AC et DC/DC utilisées dans les Alimentations Sans Interruptions. Cette modélisation doit tenir compte de tous les modes de fonctionnement des ASI qui impactent fortement le comportement des filtres. Enfin les filtres utilisant des inductances couplées sont étudiés.Finalement des exemples d’applications développées pour Schneider Electric sont présentés. La mise en œuvre des méthodes d’optimisation discrète utilisant les modèles choisis sont employées pour fournir des outils d’aide à la décision lors du dimensionnement des convertisseurs. Les résultats sont validés par des mesures faites sur les prototypes issus des optimisations
Innovation in its whole definition is a way for industrial groups to preserve and create value over competitors on the market. Mainly technologic, innovation is also of use, a new way of using a product or service to answer market or user requirements. This work is an innovation for component design in power electronic systems, both in tools and user customs.Power electronic is subject to same research goals as any modern system, i.e. cost and time to market reduction, efficiency increase in the global energy save world concern and modularity of solution to answer maximum customer needs. Among the multitude of proposed solutions during the last decade, multi-legs and multi-levels converters, new SiC and GaN semiconductors or new control strategies, the choice is cornelian for the designer. The need of tool to help designers in their choices is clearly identified in industry. To answer this problem, this work proposes the implementation of passive component sizing using discrete optimization methods. The choice of accuracy and industrial constraints is done to get already purchasable solution from optimization results to suppliers.In the first part of the PhD dissertation the main optimization algorithms are introduced with the optimization strategies. G2Elab experience and Schneider electric one lead to privileged discrete optimization using stochastic algorithms and libraries of components and materials. In the second part the models for passive components are developed to match stochastic algorithms requirements. Focus is done on magnetics because their sizing is dominant compare to capacitor. The effort is done on losses computation and magnetic behavior of powder alloy and amorphous materials widely used in Schneider Electric applications. With these low loss density materials, the gain on efficiency is achieved on conductors. Thus a new semi-analytic model is developed to overcome standard models issues and to compete with integral or finite element method in terms of accuracy and overcoming them in terms of calculation speed.In the third part, filter modeling approach is introduced for AC/DC, DC/AC and DC/DC converters. This modeling takes into account all working cases of UPS impacting passive components design. Interleaved and coupled solutions are investigated.Finally some examples of developed applications for Schneider Electric are presented. The sizing of passive component using discrete optimization methods are implemented with success. Measures are achieved on prototypes to validate our approach

Ce travail de thèse concerne la modélisation comportementale des systèmes RF MIMO. L'objectif est la prédiction des performances systèmes d'un amplificateur de puissance qui intègre des sous circuits passifs représentés par des paramètres S. L'approche présenté se base sur les techniques de Vector Fitting qui permettant l'approximation rationnelle efficace de donnés fréquentielles. La première application concerne la synthèse équivalente d'un sous circuit passif décrits par des [S] à partir d'éléments simples R, L et C. Cette approche permet dans un simulateur de niveau circuit, d'apporte une alternative aux problèmes de convergence en transitoire d'enveloppe et d'accéder aux performances du circuit face à un stimulus réel. La deuxième application concerne la modélisation et l'implémentation de ces modèles comportementaux dans un environnement système Scilab/Scicos qui permet la résolution de systèmes implicites. La méthode permet d'intégrer des modèles en enveloppe quelque soit le nombre d'accès considérés. Ces modèles permettant d'envisager l'implémentation du modèle topologique d'amplificateur de puissance dans un environnement systèmes
This work concerns the behavioural modelisation of MIMO RF systems. The objective is to predict the power amplifier system performance that integrates into sub-"passive circuits" in which they are presented in S-parameters. This approach is based on Vector Fitting technique permits the effective rational approximation of frequency data. The first application concerns the equivalent synthesis of a sub passive circuit described from [S] parameters and simulated using simple R, L, C elements. This approach allows us to have an alternative solution of the transient envelop convergence problems and to have an access to circuit performances in the presence of real stimulus. The second application concerns the modelisation and implementation of behavioural models in a "Scilab/Scicos" environment, in which, solving an implicit systems becomes a doable task, also, it takes into account the integration of the model nomatter what the number of accesses is. These models permit to implement a power amplifier's topological model in a system environment (Scicos)

L’industrie automobile est un marché en pleine croissance pour les circuits intégrés de puissance. Les circuits intégrés de puissance sont des systèmes électroniques miniatures qui apportent de nouvelles fonctionnalités aux véhicules. La robustesse et la fiabilité des produits électroniques embarqués dans les véhicules sont des enjeux majeurs. Il arrive pourtant que des défaillances dues au couplage par le bruit de substrat se produisent après la fabrication. L’origine de ce bruit de substrat vient de l’injection de porteurs majoritaires (trous) et minoritaires (électrons). Dans la première partie de cette thèse, nous étudions une nouvelle technique de modélisation proposée par un groupe de recherche à l’EPFL. Cette modélisation permet d’extraire les composants parasites du substrat en tenant compte des porteurs majoritaires et minoritaires. Un outil de CAO (AUTOMICS) a été développé par notre équipe à l’UPMC et est utilisé pour extraire le réseau des composants parasites de substrat s’appuyant sur les modèles de l’EPFL. Dans la deuxième partie de ce travail, nous introduisons une nouvelle méthodologie pour la conception des circuits intégrés de puissance et l’analyse des défaillances avec l’outil AUTOMICS. Nous mettons en évidence les défaillances dues à un couplage par les porteurs minoritaires dans le substrat (électrons). La méthodologie proposée est validée sur un cas d’étude industriel. Ce cas d’étude a été conçu par l’entreprise ams et validé par l’entreprise Valeo. Ce cas d’étude a un problème latch-up. Ce problème n’a pas été identifié par des simulations électriques SPICE classiques. Grâce à notre méthode, nous sommes parvenus à reproduire le phénomène de latch-up dans l’environnement de simulation SPICE. La troisième partie de ce travail présente le fonctionnement et la conception au niveau circuit d’un convertisseur de tension DC-DC. Le circuit a été fabriqué en utilisant la technologie HVCMOS 0.35μm. Nous avons modélisé l’effet du couplage par les courants de substrat entre l’agresseur et la victime et présentons des résultats de simulation cohérents avec les mesures
Automotive industry is a growing market for smart power integrated circuits (ICs). The smart power ICs miniaturize the electronic systems and improve their functionality for the vehicles. Product robustness and reliability in smart power ICs are vital aspects in automotive applications. However, failures due to substrate noise coupling are still reported in tests after fabrication. The sources of this noise are the injection of majority and minority carriers in the substrate. The majority carriers’ propagation is well modeled, however, the minority carriers’ propagation cannot be modeled by the conventional modeling techniques. In the first part of this work, we explore a new modeling technique proposed by a research group in EPFL. It relies on models that are capable of maintaining the minority carriers’ concentration and gradient. It allows the substrate parasitic extraction taking into account both majority and minority carriers. A CAD tool (AUTOMICS) is developed by our team at UPMC and is used to extract the substrate parasitic network encapsulating the new modeling technique. In the second part of this work, we introduce a new methodology for smart power ICs design and failure analysis using the tool. It focuses on failures due to minority carriers coupling. The proposed methodology is validated on an industrial test case (AUTOCHIP1). This test case was designed in ams and validated by Valeo. This test case suffers from a latch-up problem. This problem is not recognized by conventional simulations. Using our methodology, we manage to reproduce the behavior in simulation environment. The third part of this work presents system and circuit level design for a DC-DC buck converter. This system is considered as a complex system to validate our proposed methodology. The circuit was fabricated using 0.35 µm HVCMOS technology. The high voltage switches serve as aggressors injecting minority carriers in the substrate. An analog sensitive circuit, which is the bandgap, is considered as a victim. The effect of the substrate coupling is studied and simulation results show acceptable consistency with the measurements

L’industrie automobile est un marché en pleine croissance pour les circuits intégrés de puissance. Les circuits intégrés de puissance sont des systèmes électroniques miniatures qui apportent de nouvelles fonctionnalités aux véhicules. La robustesse et la fiabilité des produits électroniques embarqués dans les véhicules sont des enjeux majeurs. Il arrive pourtant que des défaillances dues au couplage par le bruit de substrat se produisent après la fabrication. L’origine de ce bruit de substrat vient de l’injection de porteurs majoritaires (trous) et minoritaires (électrons). Dans la première partie de cette thèse, nous étudions une nouvelle technique de modélisation proposée par un groupe de recherche à l’EPFL. Cette modélisation permet d’extraire les composants parasites du substrat en tenant compte des porteurs majoritaires et minoritaires. Un outil de CAO (AUTOMICS) a été développé par notre équipe à l’UPMC et est utilisé pour extraire le réseau des composants parasites de substrat s’appuyant sur les modèles de l’EPFL. Dans la deuxième partie de ce travail, nous introduisons une nouvelle méthodologie pour la conception des circuits intégrés de puissance et l’analyse des défaillances avec l’outil AUTOMICS. Nous mettons en évidence les défaillances dues à un couplage par les porteurs minoritaires dans le substrat (électrons). La méthodologie proposée est validée sur un cas d’étude industriel. Ce cas d’étude a été conçu par l’entreprise ams et validé par l’entreprise Valeo. Ce cas d’étude a un problème latch-up. Ce problème n’a pas été identifié par des simulations électriques SPICE classiques. Grâce à notre méthode, nous sommes parvenus à reproduire le phénomène de latch-up dans l’environnement de simulation SPICE. La troisième partie de ce travail présente le fonctionnement et la conception au niveau circuit d’un convertisseur de tension DC-DC. Le circuit a été fabriqué en utilisant la technologie HVCMOS 0.35μm. Nous avons modélisé l’effet du couplage par les courants de substrat entre l’agresseur et la victime et présentons des résultats de simulation cohérents avec les mesures
Automotive industry is a growing market for smart power integrated circuits (ICs). The smart power ICs miniaturize the electronic systems and improve their functionality for the vehicles. Product robustness and reliability in smart power ICs are vital aspects in automotive applications. However, failures due to substrate noise coupling are still reported in tests after fabrication. The sources of this noise are the injection of majority and minority carriers in the substrate. The majority carriers’ propagation is well modeled, however, the minority carriers’ propagation cannot be modeled by the conventional modeling techniques. In the first part of this work, we explore a new modeling technique proposed by a research group in EPFL. It relies on models that are capable of maintaining the minority carriers’ concentration and gradient. It allows the substrate parasitic extraction taking into account both majority and minority carriers. A CAD tool (AUTOMICS) is developed by our team at UPMC and is used to extract the substrate parasitic network encapsulating the new modeling technique. In the second part of this work, we introduce a new methodology for smart power ICs design and failure analysis using the tool. It focuses on failures due to minority carriers coupling. The proposed methodology is validated on an industrial test case (AUTOCHIP1). This test case was designed in ams and validated by Valeo. This test case suffers from a latch-up problem. This problem is not recognized by conventional simulations. Using our methodology, we manage to reproduce the behavior in simulation environment. The third part of this work presents system and circuit level design for a DC-DC buck converter. This system is considered as a complex system to validate our proposed methodology. The circuit was fabricated using 0.35 µm HVCMOS technology. The high voltage switches serve as aggressors injecting minority carriers in the substrate. An analog sensitive circuit, which is the bandgap, is considered as a victim. The effect of the substrate coupling is studied and simulation results show acceptable consistency with the measurements

Les circuits Smart Power, utilisés dans l’industrie automobile, se caractérisent par l’intégration sur une puce des parties de puissance avec des parties analogiques&numériques basse tension. Leur principal point faible vient de la commutation des structures de puissance sur des charges inductives. Celles-ci injectent des courants parasites dans le substrat, pouvant activer des structures bipolaires parasites inhérentes au layout du circuit, menant à une défaillance ou la destruction du circuit intégré.Ces structures parasites ne sont pas actuellement modélisées dans les outils CAO ni simulées par les simulateurs de type SPICE. L'extraction de ces structures à partir du layout et leur intégration dans les outils CAO est l’objectif du projet européen AUTOMICS, dans le cadre duquel cette thèse a été réalisée.La caractérisation du couplage substrat sur deux cas d’études a permis de valider les modèles théoriques et de les comparer aux simulations utilisant le nouveau modèle de couplage substrat
Smart Power circuits, used in the automotive industry, are characterized by the integration on one chip of the power parts with low voltage analog and digital parts. Their main weak point comes from the switching of power structures on inductive loads. These inject parasitic currents in the substrate, capable of activating the bipolar parasitic structures inherent in the layout of the circuit, leading to failure or destruction of the integrated circuit.These parasitic structures are not currently integrated into CAD tools nor simulated by SPICE simulators. The extraction of these structures from the layout and their integration into the CAD tools is the objective of the European AUTOMICS project, in which this thesis is carried out.The characterization of the substrate coupling of 2 case study was used to validate theoretical models and compare them to simulations using the new substrate coupling model

Les diodes à avalanche à photon unique (SPAD) sont utilisées pour les capteurs à temps de vol afin de déterminer la distance d'une cible. Cependant, ils sont sujets à des déclenchements parasites par des porteurs de charge générés de manière parasitaire, quantifiés en tant que taux de comptage dans l’obscurité (DCR), ce qui peut compromettre la précision de la distance mesurée. Pour résoudre ce problème, une méthodologie de simulation a été mise en place pour évaluer le DCR. Cela est réalisé en simulant la probabilité de claquage d'avalanche, intégrée avec le taux de génération de porteurs de charge à partir de défauts. Cette méthodologie permet d'identifier les sources potentielles de DCR avant stress. Pour garantir l'intégrité des mesures de distance sur une longue période, il est nécessaire de prédire le niveau de DCR dans diverses conditions d'exploitation. La méthodologie de simulation susmentionnée est utilisée pour identifier les sources potentielles de DCR après stress. Pour un modèle cinétique précis de dégradation de type porteurs chauds (HCD), il est essentiel de considérer non seulement la distribution d'énergie des porteurs, mais également la distribution de l'énergie de dissociation de la liaison Si-H à l'interface Si/SiO2. La probabilité de dissociation d'ionisation d'impact est utilisée pour modéliser le processus de création de défauts, qui présente une dépendance temporelle sous-linéaire en raison de l'épuisement progressif des précurseurs de défauts. Une mesure précise de la distance nécessite de distinguer le signal du bruit ambiant et du plancher de DCR. L'impact de DCR peut être estimé en considérant la réflectance de la cible et les conditions d'éclairage ambiant. En résumé, ce travail utilise une méthodologie de caractérisation et de simulation approfondie pour prédire le DCR dans les dispositifs de type SPAD le long de sa durée de vie, permettant ainsi d'évaluer son impact sur les mesures de distance
Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) are used for Time-of-Flight (ToF) sensors to determine distance from a target by measuring the travel time of an emitted pulsed signal. These photodetectors work by triggering an avalanche of charge carriers upon photon absorption, resulting in a substantial amplification which can be detected. However, they are subject to spurious triggering by parasitic generated charge carriers, quantified as Dark Count Rate (DCR), which can compromise the accuracy of the measured distance. Therefore, it is crucial to identify and eliminate the potential source of DCR. To tackle this issue, a simulation methodology has been implemented to assess the DCR. This is achieved by simulating the avalanche breakdown probability, integrated with the carrier generation rate from defects. The breakdown probability can be simulated either in a deterministically, based on electric-field streamlines, or stochastically, by means of drift-diffusion simulation of the random carrier path. This methodology allows for the identification of the potential sources of pre-stress DCR by comparing simulation results to experimental data over a wide range of voltage and temperature. To ensure the accuracy of distance range measurements over time, it is necessary to predict the DCR level under various operating conditions. The aforementioned simulation methodology is used to identify the potential sources of post-stress DCR by comparing simulation results to stress experiments that evaluate the principal stress factors, namely temperature, voltage and irradiance. Furthermore, a Monte-Carlo study has been conducted to examine the device-to-device variation along stress duration. For an accurate Hot-Carrier Degradation (HCD) kinetics model, it is essential to consider not only the carrier energy distribution function but also the distribution of Si−H bond dissociation energy distribution at the Si/SiO2 interface. The number of available hot carriers is estimated from the carrier current density according to the carrier energy distribution simulated by means of a full-band Monte-Carlo method. The impact-ionization dissociation probability is employed to model the defect creation process, which exhibits sub-linear time dependence due to the gradual exhaustion of defect precursors. Accurate distance ranging requires distinguishing the signal from ambient noise and the DCR floor, and ensuring the target’s accumulated photon signal dominates over other random noise sources. An analytical formula allows to estimate the maximum distance ranging using the maximum signal strength, ambient noise level, and confidence levels. The impact of DCR can be estimated by considering the target’s reflectance and the ambient light conditions. In a nutshell, this work makes use of a in-depth characterization and simulation methodology to predict DCR in SPAD devices along stress duration, thereby allowing the assessment of its impact on distance range measurements

La complexité croissante des dispositifs en électronique de puissance nécessite l'intervention de la conception assistée par ordinateur. Le développement de systèmes électriques/électroniques est effectué à l'aide du prototypage virtuel dans lequel les logiciels de simulation sont utilisés pour prédire le comportement des composants. De ce fait, le prototypage virtuel permet une économie de temps et d'argent pour la réalisation de prototypes. La demande croissante d'appareils à faible puissance et à haut rendement a obligé les concepteurs à analyser précisément les pertes de chaque composant constituant du système. Les composants magnétiques constituent une partie importante des appareils en électronique, par conséquent la modélisation précise des matériaux magnétiques est nécessaire afin de prédire leur comportement réaliste dans des conditions de fonctionnement variables selon l'application. Notre travail s'inscrit dans ce contexte et propose un modèle dynamique non linéaire de composants magnétiques pour une utilisation dans des simulateurs de circuits électriques. Ce modèle de composant magnétique inclut le comportement d'hystérésis non linéaire du matériau et permet une modélisation précise des pertes fer et des pertes joule avec de plus la prise en considération des effets thermiques qui, généralement, ne sont pas pris en compte par les modèles existants. Le modèle est basé sur le principe de la séparation des contributions statiques et dynamiques des pertes fer et s'appuie sur la théorie de Bertotti. Le langage de programmation VHDL-AMS est utilisé en raison de sa fonctionnalité de modélisation multidomaines, permettant un couplage avec un modèle thermique. Le modèle de composant magnétique est mis en oeuvre dans le logiciel de simulation de circuit "Simplorer". Il est ensuite testé dans une application de convertisseur de puissance, le convertisseur abaisseur qui permet de fournir une excitation non-conventionnelle. Le modèle est validé pour différents noyaux d'inductances, différentes ondulations de courant et niveaux de charge, différentes températures et une large gamme de fréquence
The increasing complexity of power electronic devices requires the intervention of computer-aided design in electrical engineering. Development of electric/electronic systems nowadays is carried out by the help of virtual prototyping, in which simulation software are used to predict components behavior without investing time and money to build physical prototypes. The increasing demand of low power, high efficiency devices forced designers to precisely analyze losses in each component constituting the system. Magnetic components constitute a major part of electronics devices. Therefore accurate modeling of magnetic materials is mandatory in order to predict their realistic behavior under variable operating conditions. Our work takes place in this context by proposing a non-linear dynamic model of magnetic components for use in circuit simulators. It includes the material nonlinear hysteretic and dynamic behaviors with accurate modeling of winding and core losses in addition to thermal effects that are not taken into account by existing models. The model is based on the principle of separation of static and dynamic contributions as well as Bertotti’s theory. VHDL-AMS is used as a modeling language due to its multi-domain modeling feature, allowing coupling with a thermal model. The magnetic component model is implemented in circuit simulation software “Simplorer” It is then tested in a widely used power converter application, the buck converter, to ensure non conventional excitation. The model is validated for different core inductors, different current ripples, different loads, different temperatures and a wide frequency range