Dissertations / Theses on the topic 'Systèmes électroniques – Fiabilité'

Mise au point de methodes, utilisant aussi bien l'analyse theorique, que la simulation ou les essais, permettant de determiner le comportement des convertisseurs statiques en regime perturbe, notamment en vue d'ameliorer leur fiabilite au niveau de la conception

Ce travail se situe dans le cadre des études de fiabilité de systèmes complexes à l'aide de simulations électroniques. La complexité des systèmes industriels modernes nécessite de disposer d'outils rapides et conviviaux permettant de modéliser ces systèmes et de les analyser afin de déterminer leurs points faibles, la valeur de leur probabilité de défaillance, leur sensibilité par rapport à la défaillance de leurs composants élémentaires. La recherche entreprise a conduit au développement du prototype d'un nouveau simulateur entièrement configurable par ordinateur présentant des performances en vitesse au moins égales à celles des simulateurs cables existants (ESCAF), mais ne nécessitant plus d'opérations manuelles de cablage de la simulation. Le prototype, périphérique d'un micro-ordinateur, est considéré comme un coprocesseur de fiabilité. Ses capacités de traitement ont été étendues par rapport à celles des outils comparables existants, notamment dans le traitement des défaillances de cause commune.

Les vibrations aléatoires sont les sollicitations les plus représentatives à celles qui se trouvent dans l'environnement réel. Elles sont souvent rencontrées dans l'environnement de fonctionnement automobile, aéronautique, spatial, ferroviaire et d'autres. La particularité des vibrations aléatoires est l'utilisation de son analyse par fatigue. Grâce aux propriétés statistiques des signaux aléatoires que les méthodes spectrales permettent d'estimer la moyenne du dommage d'une façon efficace et économique mais avec certaines limitations. Une étude numérique sur un système électronique embarqué accompagnée des essais expérimentaux ont été mis en place dans cette thèse pour présenter une démarche complète d'une analyse spectrale des vibrations aléatoires. Une modélisation par éléments finis a été réalisée ainsi qu'une technique du 'zoom structural' en analyse spectrale des vibrations aléatoires a été proposée dans ce travail avec la présentation des équations de cette technique. Une application numérique a montré la validité de la technique proposée en appliquant une étude de l'endommagement par fatigue par l'approche temporelle et par l'approche spectrale. Les résultats numériques de cette application mènent à une estimation d'un temps à l'initiation de la fissure très proche du temps de défaillance observé dans les résultats des essais expérimentaux. Cette technique montre la performance et l'efficacité des méthodes spectrales dans l'estimation du dommage par fatigue aléatoire. Une étude de l'optimisation d'un système soumis aux sollicitations aléatoires a été développée. L'objectif de cette étude est de rechercher la conception optimale du système soumis aux vibrations aléatoires en posant des limitations sur le dommage qui en résulte. Ce dommage estimé par les méthodes spectrales de Dirlik et de Single Moment ne doit pas dépasser un dommage cible pour assurer la fiabilité du système étudié
Random vibrations are the most representative excitations that can be found in the real environment. They are often encountered in the automotive, aeronautical, space, railway and other operating environments. The special feature of the random vibrations is their important role in damage fatigue analysis. The spectral methods allow to estimate efficiently and economically the mean of the damage using the statistical properties of the random signals. A numerical study on an embedded electronic system with experimental tests was set up in this thesis to present a complete spectral analysis of random vibrations methodology. A finite element model was performed as well as submodelling technique in spectral analysis of random vibrations with associated equations was proposed in this work. A numerical application has shown the validity of the proposed technique by applying the fatigue damage study using the time-domain approach and the spectral approach. The numerical results of this application lead to the estimation of a crack initiation time very close to the failure time observed in the experimental tests. This technique shows the performance and efficiency of spectral methods in the estimation of random fatigue damage. The optimization of a system subjected to random excitations has been developed in this work. The objective of this study is to retrieve the optimal design of the system subjected to random vibrations with limitations on the resulting damage. This damage estimated by Dirlik and Single Moment spectral methods must not exceed defined target damage in order to insure the reliability of the studied system

Aujourd’hui, les exigences croissantes en termes de compétitivité requièrent la conception de systèmes électronique de puissance ayant un encombrement minimal tout en gardant une bonne fiabilité. La combinaison de ces deux caractéristiques est absolument requise au niveau d’un système aussi bien qu’au niveau d’un composant. On cite notamment le cas des condensateurs d’aluminium à électrolyte liquide, qui sont largement utilisés comme réservoir de stockage de l’énergie électrostatique. Cette fonction est nécessaire dans les systèmes électroniques de puissance pour fournir l’énergie aux différentes parties à chaque appel de courant. D’après la littérature, l’étude et l’évaluation de la fiabilité de ces systèmes reposent fortement sur celle des condensateurs d’aluminium à électrolyte liquide ainsi que sur d’autres composants identifiés comme critiques (Transistors MOS de découpage, isolants dans les transformateurs, …etc.). Le premier chapitre débute par une présentation de la technologie des condensateurs est détaillée en indiquant les différents paramètres qui les caractérisent et les différents travaux réalisés dans la littéraire sur l’étude et l’évaluation de la fiabilité de ces composants. Dans le deuxième chapitre, les essais de vieillissement sont élaborés en se basant sur le profil de mission du système. Ensuite, les évolutions des caractéristiques ayant une dégradation significative sont modélisées. Le troisième chapitre porte sur la caractérisation physico-chimique du condensateur afin de comprendre et expliquer les modes de défaillance enregistré pendant les essais de vieillissement. Le dernier chapitre est consacré à la réalisation des essais de vieillissement sur système simulant la dissipation de la chaleur des composants adjacents aux condensateurs. Des mesures électriques sont faites en temps réel afin de superviser la tension à leurs bornes. Enfin, un essai de stress mécanique est réalisé afin de permettre d’évaluer l’impact des vibrations sur la connectique des condensateurs neufs et vieillis
Today, the increasing demands in terms of competitiveness require the design of electronic power systems having a minimal bulk while maintaining a good reliability. The combination of these two features is required at a system level as well as at a component level. It is particularly the case of liquid electrolyte aluminum capacitors, which are widely used as storage tanks forelectrostatic energy. This function is necessary in electronic power systems to provide energy to the different parts with each current draw. According to the literature, the study and the evaluation of the reliability of these systems rely heavily on that of liquid electrolyte aluminum capacitors as well as on other components identified as critical (MOS switching transistors, insulators in transformers, etc.). The first chapter begins with a detailed presentation of the technology of capacitors by indicating the various parameters that characterize them and the different work done in the literary on the study and evaluation of the reliability of these components. In the second chapter, aging tests are developed based on the mission profile of the system. Then, the evolutions of characteristics having a significant degradation are modeled. The third chapter deals with the physico-chemical characterization of the capacitor in order to understand and to explain the failure modes recorded during the aging tests. The last chapter is devoted to performing aging tests on a system which is simulating the heat dissipation of components adjacent to capacitors. Electrical measurements are realized in real time to monitor the voltage at their terminals. Finally, a mechanical stress test is carried out to evaluate the impact of vibrations on the connection of new and aged capacitors

Ce memoire presente des travaux et resultats concernant la caracterisation, la formalisation et la modelisation des interactions entre composants materiels et logiciels de systemes tolerants aux fautes, aussi bien sur le plan theorique que sur le plan pratique. Chaque composant materiel ou logiciel est modelise par un reseau de petri stochastique generalise appele reseau de composant. Les interactions entre ces composants sont modelisees par des reseaux de petri stochastiques generalises appeles reseaux de dependances, construits a partir de regles de constructions rigoureuses definies de facon formelle. Une methode efficace et rapide de construction des modeles de plusieurs architectures d'un systeme tolerant aux fautes est ensuite proposee. Cette methode basee sur la reutilisation consiste a representer chaque architecture par un modele de haut-niveau, appele modele-bloc, compose de blocs de composants et de blocs de dependances. Les blocs sont generiques et reutilisables d'une architecture a l'autre. Chaque bloc est ensuite remplace par un reseau de composant ou de dependance construit d'apres le formalisme defini lors de la formalisation des interactions. Cette methode de modelisation est appliquee a l'evaluation comparative de la surete de fonctionnement de dix-sept architectures possibles pour le systeme de controle de la navigation aerienne. Ces evaluations permettent de choisir une architecture optimale pour la disponibilite de la future version de ce systeme

Les circuits intégrés ne sont pas à l'abri d'interférences naturelles ou malveillantes qui peuvent provoquer des fautes transitoires conduisant à des erreurs (Soft errors) et potentiellement à un comportement erroné. Ceci doit être maîtrisé surtout dans le cas des systèmes critiques qui imposent des contraintes de sûreté et/ou de sécurité. Pour optimiser les stratégies de protection de tels systèmes, il est fondamental d'identifier les éléments les plus critiques. L'évaluation de la criticité de chaque bloc permet de limiter les protections aux blocs les plus sensibles. Cette thèse a pour objectif de proposer des approches permettant d'analyser, tôt dans le flot de conception, la robustesse d'un système numérique. Le critère clé utilisé est la durée de vie des données stockées dans les registres, pour une application donnée. Dans le cas des systèmes à base de microprocesseur, une approche analytique a été développée et validée autour d'un microprocesseur SparcV8 (LEON3). Celle-ci repose sur une nouvelle méthodologie permettant de raffiner les évaluations de criticité des registres. Ensuite, une approche complémentaire et plus générique a été mise en place pour calculer la criticité des différents points mémoires à partir d'une description synthétisable. L'outil mettant en œuvre cette approche a été éprouvé sur des systèmes significatifs tels que des accélérateurs matériels de chiffrement et un système matériel/logiciel basé sur le processeur LEON3. Des campagnes d'injection de fautes ont permis de valider les deux approches proposées dans cette thèse. En outre, ces approches se caractérisent par leur généralité, leur efficacité en termes de précision et de rapidité, ainsi que leur faible coût de mise en œuvre et leur capacité à ré-exploiter les environnements de validation fonctionnelle
Integrated circuits are not immune to natural or malicious interferences that may cause transient faults which lead to errors (soft errors) and potentially to wrong behavior. This must be mastered particularly in the case of critical systems which impose safety and/or security constraints. To optimize protection strategies of such systems, it is essential to identify the most critical elements. The assessment of the criticality of each block allows limiting the protection to the most sensitive blocks. This thesis aims at proposing approaches in order to analyze, early in the design flow, the robustness of a digital system. The key criterion used is the lifetime of data stored in the registers for a given application. In the case of microprocessor-based systems, an analytical approach has been developed and validated on a SparcV8 microprocessor (LEON3). This approach is based on a new methodology to refine assessments of registers criticality. Then a more generic and complementary approach was implemented to compute the criticality of all flip-flops from a synthesizable description. The tool implementing this approach was tested on significant systems such as hardware crypto accelerators and a hardware/software system based on the LEON3 processor. Fault injection campaigns have validated the two approaches proposed in this thesis. In addition, these approaches are characterized by their generality, their efficiency in terms of accuracy and speed and a low-cost implementation. Another benefit is also their ability to re-use the functional verification environments

Certains dysfonctionnements du système de pilotage des fonctions véhicule qui peuvent être observés ou qui sont redoutés actuellement peuvent avoir pour origine l'incomplétude de leurs spécifications. Par complétude de la spécification d'un système, on entend couverture de la réalisation de ce système vis-à-vis de toutes les valeurs possibles de ses entrées en tout état. Obtenir cette complétude garantit la robustesse de la solution vis-à-vis de l'occurrence d'évènements rares ou inobservés et qui résultent de combinaisons de circonstances qu'il était quasi-impossible à envisager lors de l'établissement du cahier des charges. Ces cas surviennent particulièrement lors de la réutilisation de fonctionnalités dans des versions différentes d'une gamme de véhicules, ou lors de la construction de prestations inter-systèmes émettant de nouvelles séquences de signaux aux fonctionnalités qu'elles associent. La contribution de notre thèse est de proposer une démarche et un outil qui permettent d'identifier, dès la conception d'un système, toutes les situations qui peuvent produire des dysfonctionnements ayant comme origine l'incomplétude de ses spécifications, et ce sur la base d'une modélisation à états finis du comportement de ce système et de l'abstraction booléenne de ses valeurs d'entrées et sorties. Dans le cadre de cette démarche, notre contribution porte sur le développement d'une technique d'analyse de la complétude ainsi que d'une technique de réalisation de la consistance de la spécification.

La premiere etape de la methode a permis d'etudier d'une part le systeme et son environnement et d'autre part les differents types de defaillances survenues et les differents types d'erreurs contenues dans le logiciel. La quasi proportionnalite entre nombre d'erreurs contenues dans un composant et volume de ce composant (resultat obtenu dans plusieurs publications recentes) est confirmee. La seconde etape de la methode consiste a realiser un pre-traitement des donnees collectees, puis a appliquer certains modeles de fiabilite du logiciel. Le pre-traitement des donnees a mis en evidence differentes tendances dans les donnees collectees. On a pu remarquer notamment une constance de fiabilite durant une longue periode pour terminer avec une tres forte croissance intervenant durant le debut de la vie operationnelle du logiciel. Plusieurs modeles de croissance de fiabilite ont ete appliques ; parmi eux, le modele hyperexponentiel a ete utilise pour estimer les taux de defaillance en vie operationnnelle du logiciel global et selon les differents modes de defaillances. Une verification de coherence d'un modele structurel a enfin ete realisee

Aujourd'hui, les exigences des équipements d'électronique de puissance sont fortes, tant sur le plan des performances que sur celui de la qualité et de la fiabilité. Paradoxalement, les coûts doivent être de plus en plus réduits pour répondre aux lois du marché. Pour satisfaire à son attente de fiabilité et de performances bon marché, de nombreux composants très standard sont développés. Par contre, la réalisation de produits spécifiques se heurte au dilemme suivant : soit on fait produire les composants spéciaux, avec les problèmes de délai, de surcoût et éventuellement de qualité et de fiabilité, soit on utilise des composants standard dans une typologie adaptée. C'est cette dernière façon innovante de concevoir l'électronique de puissance qu'a adoptée le CEA de Pierrelatte pour le développement de ces convertisseurs impulsionnels haute tension. La technique consiste à utiliser des composants de grande série couramment utilisés et à les associer en grand nombre. Les structures matricielles réalisées constituent des macro interrupteurs haute tension où les paramètres électriques se répartissent entre les composants pilotés de façon synchronisée. Cette étude porte sur la fiabilité de ces structures. Elle a permis de mettre en évidence l'aspect fiabilisant des associations matricielles de MOSFETs
Nowadays, power electronic equipment requirements are important, concerning performances, quality and reliability. On the other hand, costs have to be reduced in order to satisfy market rules. To provide cheap, reliability and performances, many standards components with mass production are developed. But the construction of specific products must be considered following these two different points : on one hand you can produce specific components, with delay, overcost problems and eventuality quality and reliability problems, in the other hand you can use standard components in an adapted topology. The CEA of Pierrelatte has adopted this last technique of power electronic conception for the development of these high voltage pulsed power converters. The technique consists in using standard components and to associate them in series and in parallel. The matrix constitutes high voltage macro-switch where electrical parameters are distributed between the syncchronized components. This study deals with the reliability of these structures. It brings up the high reliability aspect of MOSFETs matrix associations

Ces travaux de thèse décrivent le développement et la mise en oeuvre d'une méthodotologie d'estimation de la fiabilité à long terme d'une technologie stabilisée de diode laser à contre-réaction réparie (DFB) 1,55 um à couche active InGaAsP sur substrat InP pour des applications de télécommunication. Elle est basée sur la mesure de caractéristiques électriques et optiques analysées après l'application de contraintes de vieillissement combinant différents facteurs d'accélération. Une méthode de reconstruction statistique de distributions de durée de vie, basées sur les tirages de Monte-Carlo, a été mise en oeuvre pour palier à la faible population de composants et aux faibles variations paramétriques induites par les tests accélérés. Enfin, l'interaction composant-système est analysée par l'intermédiaire de simulations d'une laison de télécommuncation 4 canaux utilisant le multiplexage de longueurs d'onde (WDM) avec un débit 2,5 Gbits/s par canal. Ces simulations ont permis d'évaluer l'impact des dérives expérimentales sur les performances de ce type de liaison, en conditions opérationnelles, en prévision de futures architectures de réseaux métropolitains et locaux

Ce travail s'intègre dans les domaines de l'analyse et de la prédiction de la fiabilité des assemblages Multi-Chip Module. Il présente l'étude de fiabilité de microcâblages filaires (wire bonding) en très haute température à partir d'essais de vieillissement et d'analyses expérimentales. Les résultats permettent d'identifier les mécanismes de dégradation et d'évaluer les températures limites d'utilisation de ces interconnexions. Il développe une étude du comportement thermomécanique des joints collés à partir d'essais de caractérisation mécanique, d'essais de vieillissement accéléré et de simulations numériques par éléments finis. Ces méthodes permettent d'évaluer la criticité des assemblages dès la phase de conception
This work is performed in analysis and prediction areas of Multi-Chip Module package reliability. It presents a reliability study on wire bonding in high temperature environment from aging tests and experimental analyzes. Results permit to identify degradation mechanisms and evaluate temperature limits of these interconnections. It develops a study of the thermomechanical behavior of adhesive joints from mechanical characterization tests, accelerated aging tests and finite element simulations. These methods are used to assess the criticality of packages from the design phase

Les travaux présentés dans ce manuscrit se placent du point de vue de la fiabilité des dispositifs MOS embarqués dans les applications spatiales, face à la contrainte radiative exercée par les ions lourds. L’approche novatrice de cette étude est symbolisée par la prise en compte de la réponse du matériau à l’irradiation, afin d’apporter des éléments de réponse utiles à la compréhension des phénomènes physiques qui conduisent à l’apparition d’effets qui peuvent altérer le fonctionnement des dispositifs, avec en particulier la diminution de la durée de vie des composants. Les travaux entrepris ont permis de proposer une origine physique à la formation de défauts latents, induits par les ions lourds. En effet, au travers d’expériences en recuit thermique et en stress électrique, nous avons montré que les modifications structurelles observées dans du dioxyde de silicium après une irradiation par des ions lourds pourraient agir comme une contribution supplémentaire qui conduit au déclenchement prématuré du claquage de l’oxyde de grille dans les dispositifs MOS irradiés par des ions lourds. Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude peuvent avoir des répercussions sur les transistors MOS de puissance, en termes d’assurance radiation et de procédures de qualification
Heavy ion effects on the reliability of on-board satellite MOS devices have been investigated in this PhD dissertation. In order to give some elements to understand better the physical mechanisms leading to electrical effects, such as the reduction of the device lifetime, this new approach is based on the material response to heavy ion irradiation. The obtained results led to find out a physical origin to latent defects formation that is known to result in a device lifetime decrease. Using both thermal annealing experiments and electrical stress procedures, structural modifications induced by heavy ions in silicon dioxide have been shown to possibly act as an extra contribution leading to premature gate oxide breakdown of MOS devices. Those results could have implications on MOSFET devices, in terms of radiation assurance and for tests standards

Wireless sensor networks (WSNs) have introduced a new paradigm of communication between devices, which are applied to different scenarios. These applications demand three important performance parameters: the end-to-end reliability, the end-to-end delay and the overall energy consumption. Due to the fundamentality of reliability in many applications, we consider it in this thesis as a hard constraint, and the other two performance criteria, i. E. , energy and delay are exploited as a couple of competing criteria. Meanwhile, since unreliability is an inherent property of wireless channels, unreliable links are efficiently exploited to improve the energy-delay performance. We propose a metric for energy efficiency: mean energy distance ratio per bit and a metric for mean delay: mean delay distance, which are combine with the unreliable link model. Using these two metrics and a realistic unreliable link model, the lower bounds and the Pareto front of energy-delay trade-off are derived for three kinds of communication schemes: traditional multi-hop communications, opportunistic communications and cooperative MIMO (CMIMO) communications in three different channels: Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel, Rayleigh block fading channel and Rayleigh flat fading channel. The close-form expression of these low bounds are obtained and verified by the simulations in 2-dimension Poisson networks. Furthermore, these results are applied to optimise the parameters of a network including physical and protocol layers. Finally, the lower bounds of the above three communication schemes are compared in different channels respectively. The results show that in order to achieve better energy-delay performance, the corresponding communication scheme should be adopted for different channels: traditional multi-hop communications for AWGN channel, opportunistic communications for Rayleigh block fading channel and CMIMO for Rayleigh flat fading channel
Les réseaux de capteurs sans fil représentent un nouveau paradigme dans les réseaux de communication qui permet de développer de nombreuses applications allant de la surveillance de l’environnement aux applications militaires. Les performances de ces réseaux peuvent être caractérisées par trois fonctions objectives caractérisant les transmissions de bout en bout: la fiabilité, le délai et la consommation d’énergie. Cette thése a pour but de trouver les param¨¨tres optimaux afin d’améliorer les performances de la couche physique, la couche MAC ainsi que la couche protocolaire des réseaux de capteurs. Dans ce travail, nous considérons la fiabilité comme un critère prépondérant et la traitons comme une contrainte dure. La consommation d’énergie et le délai de transmission sont considérés comme des contraintes secondaires concurrentes. Comme dans tous les réseaux radio, dans les réseaux de capteurs sans fil, les canaux radios ne sont pas fiables. Pour assurer la fiabilité bout-en-bout, la plupart des travaux existants, excluent les liens radios non fiables de la communication et se focalisent sur la sélection des liens fiables. Nous nous différencions par rapport à ces travaux par la prise en compte aussi bien des liens fiables que des liens non fiables. Nous démontrons aussi que les performances telles que la consommation d’énergie et le délai de transmission sont considérablement améliorées en exploitant efficacement les liens non fiables dans les réseaux, et tout en garantissant une fiabilité de bout en bout importante. Dans une première partie de la thèse, nous analysons le compromis entre la consommation d’énergie et le délai dans les réseaux multi-saut classiques. Nous proposons deux métriques. La première exprime l’efficacité énergétique sous la forme du rapport moyen énergie-distance par bit. La seconde exprime le délai sous la forme du rapport moyen délai-distance par bit. En utilisant ces deux métriques et un modèle réaliste de liaison radio à erreur, nous déduisons l’ensemble des solutions de compromis Energie-Délai sous la forme du front de Pareto à partir des performances d’une transmission à un saut, et obtenons une formule exprimant le compromis Energie-Délai. Ces résultats sont étendus aux transmissions multi-sauts. Ensuite, nous validons la limite inférieure à l’aide de simulations, sur des réseaux 2-D, issues d’une distribution Poissonnienne. Les analyses théoriques et les simulations montrent que les liens non-fiables dans les transmissions multi-sauts contribuent à améliorer l’efficacité énergétique du système ix évanouissements rapides de Rayleigh et le canal à évanouissements de Rayleigh par blocs. Sur la base de l’expression de la borne inférieure du compromis Energie-Délai, un cadre multi-couche est fourni pour optimiser les param¨¨tres des couches physique, MAC et routage sous contrainte de délai. Dans la seconde partie de la thèse, nous abordons après la non-fiabilité, une autre caractéristique importante des canaux sans fil, qui a trait à la nature diffusante des communications radio. Les communications opportunistes exploitent ces deux propriétés pour améliorer la performance du réseau. Nous analysons les performances d’énergie et de délai des communications opportunistes ainsi que l’optimisation des paramètres connexes. D’abord, nous proposons un cadre de conception pour évaluer l’efficacitè énergétique des communications opportunistes. Ce dernier fournit une méthode pour optimiser les différents mécanismes opportunistes. Ensuite, nous déduisons la borne inférieure du compromis Energie-Délais dans les communications opportunistes, tout en tenant compte du mécanisme de sélection des candidats pour une transmission optimale. La fromule exprimant la borne inférieure est obtenue sous l’hypothèse d’un nombre fixe de candidats à retransmettre. Un algorithme de recherche du nombre optimal de candidats est également proposé. Selon les analyses théoriques obtenues, nous proposons un nouvel algorithme opportuniste pour minimiser la consommation d’énergie face à une limite de délai moyen et intégrant les couches MAC et routage. Les résultats des simulations sur les mécanismes opportunistes proposés dans un réseau issu d’une distribution Poissonnienne correspondent à la limite inférieure théorique du compromis Energie-Délai. Enfin, nous discutons l’optimisation des paramètres de la couche physique. Dans la troisième partie de la thèse, nous considérons l’aspect coopératif des transmissions. Dans les communications opportunistes, seule la coopération de réception est réalisée, tandis que dans les communications coopératives prennent en compte une coopération des deux côtés : récepteur et émetteur. Dans cette partie, nous considérons l’approche CMIMO (cooperative multiple input multiple output). D’abord, nous analysons la baisse liée au compromis Energie-Délai de CMIMO par l’exploitation d’un modèle de liaison non fiable lorsque le nombre d’émetteurs et de récepteurs coopératifs est fixe. Ensuite, nous fournissons un algorithme de recherche du nombre optimal de noeuds coopératifs de chaque côté. Enfin, nous comparons les limites inférieures de ces trois schémas de communication dans les différents canaux respectivement. Les résultats obtenus montrent que pour parvenir à une meilleure performance Energie-Délai, les mécanismes de communication suivants devraient être adoptés selon le type de canal : les communications multi-saut traditionnelles sont les plus performantes pour le canal à bruit additif blanc Gaussien, alors que les communications opportunistes le sont pour les canaux à évanouissements de Rayleigh par blocs et enfin le CMIMO pour les canaux à évanouissements rapides de Rayleigh

L'introduction des systemes electroniques embarques et miniaturises dans des nouveaux dispositifs apporte des avantages qui sont ressentis essentiellement comme une reduction des couts reels et une augmentation de la performance. Les impacts les plus importants concernent la reduction de la complexite mecanique (reduction du cablage par exemple), une meilleure operation (par l'augmentation de la flexibilite des fonctionnalites) et une maintenance plus efficace (par une meilleure connaissance de l'etat de vieillissement du systeme). L'electronique etant maitrisee, la competitivite tient dans une conception, qui soit rapide, sans faute, robuste et realisable. Les efforts doivent s'orienter vers la recherche de methodologies et techniques qui puissent supporter l'integration, principal defi propose par la conception de ces nouveaux systemes repartis, communicants et pluridisciplinaires. Cette these presente les modeles et les outils developpes pour aider a la conception de micro systemes, avec des points forts tels que : la conception amont, les systemes asynchrones, la fiabilite et l'integration au systeme de conception structuree descendante. Ces modeles et outils sont bases sur sdl, sa-rt et les reseaux de petri.

La récupération d'énergie thermique basée sur les générateurs thermoélectriques (TEG) est utilisée dans de nombreuses applications telles que les dispositifs médicaux auto-alimentés. La sûreté de fonctionnement et la continuité de service de ces systèmes sont aujourd'hui des préoccupations majeures. Ainsi, toute défaillance au niveau d'un des interrupteurs commandables de la circuiterie électronique d'interface peut provoquer de graves dysfonctionnements du système. Tout défaut non détecté et non compensé peut mettre en danger l'ensemble du système et interrompt l'alimentation en énergie de la charge. Par conséquent, la mise en œuvre d'une compensation de défaut efficace et rapide est impérative afin d'assurer la continuité de service. Dans ces travaux de recherche, nous étudions la continuité de service d'une interface électronique pour TEG basée sur une conversion à deux étages Buck/Buck-Boost cascadés. Une modélisation électrique générique (modèle de Thévenin) du TEG sous différentes conditions de fonctionnement et prenant en compte l'ensemble des résistances thermiques de contact est tout d'abord présentée. Ensuite, une méthode de compensation de défaut de type circuit-ouvert au niveau de l'interrupteur commandable de l'un des deux convertisseurs DC-DC est également proposée. Nous présentons une topologie originale de convertisseur DC-DC à tolérance de pannes, sans redondance matérielle classique. Cette topologie permet d'assurer la continuité de service du système de récupération d'énergie en mode nominal. Les études théoriques ont été validées par simulation et par des tests expérimentaux
Thermal energy harevsting based on thermoelectric generators is used in many applications such as self-powered medical devices. The reliability and continuity of service of these systems are now major concerns. Furthermore, any failure in the controllable switch of the electronic interface circuitry can cause serious system malfunctions. Any undetected and uncompensated fault can endanger the entire system and interrupt the power supply to the load. Therefore, the implementation of an efficient and rapid fault compensation is imperative in order to ensure the continuity of service. In this research, we study the continuity of service of an electronic interface for TEG, based on a two-stage conversion cascaded Buck/Buck-Boost. A generic electrical modeling of the TEG model under different operating conditions and with taking into account all the thermal contact resistances is first presented. Next, an open-circuit fault compensation method of the controllable switch of one of the two DC-DC converters is also proposed. We present an original fault-tolerant DC-DC converter topology with no conventional hardware redundancy. This topology ensures the continuity of service of the energy recovery system in nominal mode. Theoretical studies were validated by simulation and experimental tests

La récupération d'énergie thermique basée sur les générateurs thermoélectriques (TEG) est utilisée dans de nombreuses applications telles que les dispositifs médicaux auto-alimentés. La sûreté de fonctionnement et la continuité de service de ces systèmes sont aujourd'hui des préoccupations majeures. Ainsi, toute défaillance au niveau d'un des interrupteurs commandables de la circuiterie électronique d'interface peut provoquer de graves dysfonctionnements du système. Tout défaut non détecté et non compensé peut mettre en danger l'ensemble du système et interrompt l'alimentation en énergie de la charge. Par conséquent, la mise en œuvre d'une compensation de défaut efficace et rapide est impérative afin d'assurer la continuité de service. Dans ces travaux de recherche, nous étudions la continuité de service d'une interface électronique pour TEG basée sur une conversion à deux étages Buck/Buck-Boost cascadés. Une modélisation électrique générique (modèle de Thévenin) du TEG sous différentes conditions de fonctionnement et prenant en compte l'ensemble des résistances thermiques de contact est tout d'abord présentée. Ensuite, une méthode de compensation de défaut de type circuit-ouvert au niveau de l'interrupteur commandable de l'un des deux convertisseurs DC-DC est également proposée. Nous présentons une topologie originale de convertisseur DC-DC à tolérance de pannes, sans redondance matérielle classique. Cette topologie permet d'assurer la continuité de service du système de récupération d'énergie en mode nominal. Les études théoriques ont été validées par simulation et par des tests expérimentaux
Thermal energy harevsting based on thermoelectric generators is used in many applications such as self-powered medical devices. The reliability and continuity of service of these systems are now major concerns. Furthermore, any failure in the controllable switch of the electronic interface circuitry can cause serious system malfunctions. Any undetected and uncompensated fault can endanger the entire system and interrupt the power supply to the load. Therefore, the implementation of an efficient and rapid fault compensation is imperative in order to ensure the continuity of service. In this research, we study the continuity of service of an electronic interface for TEG, based on a two-stage conversion cascaded Buck/Buck-Boost. A generic electrical modeling of the TEG model under different operating conditions and with taking into account all the thermal contact resistances is first presented. Next, an open-circuit fault compensation method of the controllable switch of one of the two DC-DC converters is also proposed. We present an original fault-tolerant DC-DC converter topology with no conventional hardware redundancy. This topology ensures the continuity of service of the energy recovery system in nominal mode. Theoretical studies were validated by simulation and experimental tests

Depuis plus de trente ans, la micro-électronique subit une évolution continue permettant de répondre à une demande croissante en terme de rapidité et de complexité des circuits intégrés. Cette évolution a été rendue possible grâce à la miniaturisation des composants, qui atteint aujourd'hui les limites physiques des matériaux utilisés en technologie CMOS. Parmi les nombreux problèmes et limitations liés à la réduction de la longueur de canal et de l'épaisseur de l'oxyde (effets de canal court, effets quantiques, déplétion de grille, claquage, quasi-claquage, SILC ¿), nous nous sommes centrés sur la structure PMOS (grille dopée bore), et en particulier sur la réduction de la pénétration du bore depuis la grille vers le substrat, responsable des instabilités de la tension de seuil, et sur l'amélioration de la fiabilité de l'isolant de grille ultra-mince, qui définit sa durée de vie. Un premier chapitre est consacré à une étude bibliographique portant sur les solutions technologiques actuelles répondant à ce problème, et il apparaît intéressant d'utiliser d'une part une grille déposée amorphe, et d'autre part d'introduire de l'azote à l'interface grille/oxyde. A partir de là, nous proposons une alternative technologique qui consiste à développer une grille de 200 nm d'épaisseur à base de silicium dopé azote (NIDOS) déposé amorphe à partir de disilane Si2H6 et d'ammoniac NH3. Un second chapitre concerne l'élaboration des films de NIDOS de 200nm, ainsi qu'à leur caractérisation électrique et mécanique. Nous montrons que la grille doit être composée d'une structure bi-couche comprenant 5nm de NIDOS et 195 nm de silicium afin de minimiser la résistivité totale de la grille. Dans un troisième chapitre, nous sommes intéressés au dopage bore par implantation ionique, et nous avons mis en évidence une forte réduction de la diffusion du bore dans les films de NIDOS. A partir de là, le NIDOS se présente comme une s olution intéressante afin de préserver l'intégrité de l'oxyde, et par là même la pénétration du bore dans le substrat. La fiabilité d'une structure capacitive polySi (P+)/NIDOS(5nm)/SiO2(4.5nm)/Si est étudiée dans un quatrième chapitre. Nous montrons électriquement d'une part le rôle de barrière à la diffusion du bore joué par le NIDOS et des résultats prometteurs en terme de tenue au claquage (Qbd=60C/cm_ à 0.1 A/cm_), et d'autre part des effets de déplétion de grille importants (>20%). Ce dernier point pourrait être amélioré en envisageant un recuit supplémentaire par RTP, ou bien en développant une grille dopée bore in-situ.

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

La perte de puissance d'un générateur photovoltaïque (GPV) est sans conteste due à l'apparition d'un certain nombre d'anomalies liées à la fabrication, à la production ou à l'environnement, engendrant des défaillances dans son bon fonctionnement. A partir d'un modèle réaliste, assez proche du fonctionnement réel et capable de prendre en compte l'effet d'avalanche d'une jonction PN transmise à l'ensemble du GPV, nous avons montré à suffisance, la perte de performances d'un générateur PV et la nécessité d'avoir une méthode de diagnostic pour l'aide à la maintenance afin de ne pas subir les effets des défauts.Deux méthodes de diagnostic ont été appliquées à ce GPV, l'une portant sur la détection et la localisation des défauts capteurs, et l'autre sur la détection et la localisation des défauts systèmes. Le choix particulier de ces deux techniques de diagnostic, qui ne ciblent pas les mêmes types de défauts, réside dans la nature complexe du modèle du processus industriel soumis à l'étude. Les performances obtenues avec la méthode des relations de redondance analytique (RRA) basée sur le principe de l'espace de parité appliqué au point de fonctionnement maximal, sont très pertinentes. Par la méthode de l'intelligence artificielle (IA) basée sur le principe des réseaux de neurones artificiels (RNA), nous avons expérimenté deux méthodes de classification pour la détection et le diagnostic des défauts systèmes. Si la détectabilité est prouvée avec nos différentes configurations sans possibilité de situer l'origine et la cause dans la première partie de la classification, nous arrivons grâce à un faisceau d'indices à situer l'origine ou la cause grâce à la classification pour le diagnostic.La réalisation de deux prototypes d'acquisition temps réel est faite sur le principe de l'Internet industriel des objets (IIoT). Le premier permet uniquement l'acquisition et la sauvegarde des données sur une carte SD. Le second prototype plus évolué, permet la transmission en temps réel par Wifi à un serveur web et vise la réalisation à long terme d'une plateforme de surveillance en temps réel. Les deux prototypes produisent des données qui sont utilisées pour alimenter les deux méthodes de diagnostic. Les résultats obtenus avec des données réelles sont compatibles avec ceux obtenus en phase de simulation. Les conclusions de ce diagnostic permettront une meilleure efficacité dans les opérations de maintenance proactive
The loss of power of a photovoltaic generator (PVG) is undoubtedly due to the appearance of a certain number of anomalies linked to manufacturing, production or the environment and causing failures in its proper functioning. From a realistic model, quite close to real operation and able to take into account the avalanche effect of a PN junction transmitted to the entire PVG, we have sufficiently shown the loss of performance of a PV generator and the need to have a diagnostic method for maintenance assistance in order not to suffer the effects of faults.Two diagnostic methods were applied to this PVG, one relating to the detection and localization of sensor faults, and the other to the detection and localization of system faults. The particular choice of these two diagnostic techniques, which do not target the same types of faults, lies in the complex nature of the model of the industrial process subjected to study. The performances obtained with the analytical redundancy relations (ARR), method based on the principle of parity space applied to the maximum operating point are very relevant. Using the artificial intelligence (AI), method based on the principle of artificial neural networks (ANN), we experimented with two classification methods for the detection and diagnosis of system faults. If detectability is proven with our different configurations without the possibility of locating the origin and the cause in the first part of the classification, we arrive thanks to a bundle of clues to locate the origin or the cause thanks to the classification for the diagnostic.The production of two real-time acquisition prototypes is based on the principle of the Industrial Internet of Things (IIoT). The first only allows the acquisition and saving of data on an SD card. The second, and more advanced prototype, allows real-time transmission via WiFi to a web server and aims to create a real-time monitoring platform in the long term. Both prototypes produce data that is used to power both diagnostic methods. The results obtained with real data are compatible with those obtained in the simulation phase. The conclusions of this diagnosis will enable greater efficiency in proactive maintenance operations

Cette thèse s'intéresse au problème de la conception de l'architecture d'instrumentation des systèmes de contrôle-commande (C-C). La conception de telles architectures est une activité complexe qui nécessite une vision globale du système. Plus spécifiquement, elle consiste à déterminer l'ensemble des instruments utilisés (nombre et type des capteurs, des actionneurs), leur agencement vis-à-vis du système de C-C. Pour être menée à bien, cette sélection nécessite d'avoir probablement identifié les différentes possibilités quant à la conduite du processus. Ces choix sont contraints par plusieurs critères, d'une part, le coût du système et des différents composants qui se doit d'être minimal, d'autre part, la sûreté de fonctionnement qui s'évalue en termes de la fiabilité d'accomplissement de la mission et enfin par les critères de performances du système à concevoir. Ce domaine de recherche vise à unifier les différentes approches utilisées en automatique, en une méthodologie globale de conception d'architectures de C-C. Ce sujet de thèse s'intéresse à la conception de l'instrumentation d'un système de C-C. Il propose une méthode qui vise à optimiser cette instrumentation sous multicritère: le coût et le critère de sûreté de fonctionnement en fonction de la fiabilité ou le critère de qualité de commande ou le niveau de tolérance aux pannes; cette procédure de conception s'appuie sur un modèle structurel. Cette étude portera sur des systèmes C-C pour l'accomplissement de diverses missions, sans s'intéresser à la représentation interne du système (les équations d'état) mais en utilisant l'analyse structurelle du système, elle se place dès la phase de conception dans le cycle de vie du système. L'intégration de l'aspect de la sûreté de fonctionnement dans la procédure de la méthodologie de conception d'un système C-C peut apparaître ici sous la forme de l'évaluation de fiabilité d'accomplissement de la mission en se basant sur les liens (les liens structurels entre les variables physiques à commander et les instruments) des systèmes étudiés et éventuellement le conditionnement de leur conception sur la base de niveaux de performance et spécification des objectives exigés
This thesis concerns the design of control system instrumentation architecture. The design of such architectures is a complex activity that requires a global vision of the system. More specifically, it consists to determine the set of instruments (number and type of sensors, actuators), their arrangement according the control system instrumentation. The choice of architecture constrains by main multi criteria's, on the one hand, the cost of the system and the various components that must be minimal, on the other hand, the dependability, which is evaluated in terms of the reliability of fulfillment of the mission of the design system. This field of research aims to unify the different approaches used in automatic in a global design methodology of control system instrumentation. This work proposes a method that aims to optimize the instrumentation using multiple criteria: cost criterion and dependability constraints in terms of reliability, quality of control, quality of performance, fault tolerant level. This design methodology is based on structural modeling. This study will focus on control systems to accomplish various missions without take into account the internal representation of the system (state equations). However, the tool of structural analysis is used for modeling of the system in design phase. The integration of the dependability aspect in the design methodology procedure of control system instrumentation may appear here in the form of the assessment of reliability mission based on structural links between the physical variables and instruments of the system, according to the performance levels and specifications of the required objective design

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la recherche d'architectures fiables pour les circuits logiques. Par "fiable", nous entendons des architectures permettant le masquage des fautes et les rendant de ce fait "tolérantes" à ces fautes. Les solutions pour la tolérance aux fautes sont basées sur la redondance, d'où le surcoût qui y est associé. La redondance peut être mise en oeuvre de différentes manières : statique ou dynamique, spatiale ou temporelle. Nous menons cette recherche en essayant de minimiser tant que possible le surcoût matériel engendré par le mécanisme de tolérance aux fautes. Le travail porte principalement sur les solutions de redondance modulaire, mais certaines études développées sont beaucoup plus générales.

En aéronautique civile, les systèmes électriques qui composent l'avion sont de plus en plus nombreux, de par l'accroissement des fonctionnalités, des besoins des usagers (confort), mais aussi par le besoin d'améliorer les performances des actionneurs électromécaniques et hydrauliques, voire de les remplacer par du tout électrique. Ainsi, les systèmes d'électroniques de puissance sont les premiers dispositifs électriques que voient les actionneurs. Ces dispositifs sont interfacés avec les interfaces de pilotage par des systèmes de contrôles-commandes. Les normes aéronautiques imposent que tous les dispositifs utilisés dans un avion répondent à des contraintes sévères quant à leur fiabilité et leur sécurité de fonctionnement. Dans le cas précis des convertisseurs statiques qui pilotent les actionneurs, on est confronté aux normes de fonctionnement des réseaux électriques, aux normes C. E. M. , aux normes environnementales (au sens du contexte du dispositif), et aux normes liés aux systèmes de contrôle. Le marché de l'aéronautique, bien que très spécifique, est très concurrentiel au niveau mondial. Les multiples objectifs de matériels très performants, très fiables, très sûrs, mais les moins chers possibles sont donc de véritables problématiques. Dans le cadre des convertisseurs statiques, un moyen pour réduire les coûts est l'utilisation de DSP (Digital Signal Processors) pour maximiser l'intégration de la commande et pour réduire les coûts, mais ce composant n'est pas conçu pour le milieu aéronautique. L'ensemble de cette étude porte sur la conception d'un nouveau type de radar marqué par plusieurs ruptures technologiques. Le prototype réalisé comporte un convertisseur statique piloté par un DSP, mais ayant des fonctionnalités qui vont largement au-delà du convertisseur basique d'électronique de puissance. L'aspect « système » est largement pris en compte. Le convertisseur mis en oeuvre est un dispositif autonome de pilotage de moteurs
In civil aeronautics, the electric systems which compose the aircraft are increasingly numerous, from the increase in the functionalities, the needs for the users (comfort), but also by the need to improve the performances of the electromechanical and hydraulic actuators, to even replace them by electric whole. Thus, the power electronics systems are the first electric devices which the actuators see. These devices are interfaced with the interfaces of piloting by systems of control. The aeronautical standards impose that all the devices used on an aircraft answer severe stresses as for their reliability and their safety. In the precise case of the static inverters which control the actuators, one is confronted with the standards of operation of the electrical supply networks, with standards E. M. C. , the environmental standards (within the meaning of the context of the device), and with the standards related to the systems of control. The market of aeronautics, although very specific, is very competing on a world level. Multiple objectives of very powerful materials, highly reliable, very sure, but the least expensive possible, are thus of true problems. Within the framework of the static inverters, a means to reduce the costs is the use of DSP (DIGITAL Signal Processors) to maximize the integration of the control and to reduce the costs, but this component is not designed for the aeronautical medium. The whole of this study relates to the design of a new type of radar marked by several technological ruptures. The developed prototype comprises a static inverter controlled by a DSP, but having functionalities which go largely beyond the basic converter of power electronics. The aspect "system" is largely taken into account. The converter implemented is an autonomous device of servomotors piloting

En aéronautique civile, les systèmes électriques qui composent l'avion sont de plus en plus nombreux, de par l'accroissement des fonctionnalités, des besoins des usagers (confort), mais aussi par le besoin d'améliorer les performances des actionneurs électromécaniques et hydrauliques, voire de les remplacer par du tout électrique. Ainsi, les systèmes d'électroniques de puissance sont les premiers dispositifs électriques que voient les actionneurs. Ces dispositifs sont interfacés avec les interfaces de pilotage par des systèmes de contrôles-commandes.
Les normes aéronautiques imposent que tous les dispositifs utilisés dans un avion répondent à des contraintes sévères quant à leur fiabilité et leur sécurité de fonctionnement. Dans le cas précis des convertisseurs statiques qui pilotent les actionneurs, on est confronté aux normes de fonctionnement des réseaux électriques, aux normes C.E.M., aux normes environnementales (au sens du contexte du dispositif), et aux normes liés aux systèmes de contrôle.
Le marché de l'aéronautique, bien que très spécifique, est très concurrentiel au niveau mondial. Les multiples objectifs de matériels très performants, très fiables, très sûrs, mais les moins chers possibles sont donc de véritables problématiques.
Dans le cadre des convertisseurs statiques, un moyen pour réduire les coûts est l'utilisation de DSP (Digital Signal Processors) pour maximiser l'intégration de la commande et pour réduire les coûts, mais ce composant n'est pas conçu pour le milieu aéronautique.
L'ensemble de cette étude porte sur la conception d'un nouveau type de radar marqué par plusieurs ruptures technologiques. Le prototype réalisé comporte un convertisseur statique piloté par un DSP, mais ayant des fonctionnalités qui vont largement au-delà du convertisseur basique d'électronique de puissance. L'aspect « système » est largement pris en compte. Le convertisseur mis en oeuvre est un dispositif autonome de pilotage de moteurs.

Les matériaux à changement de phase MCP révèlent des performances importantes dans le domaine de la gestion thermique. Ces matériaux ont une capacité importante de stockage thermique. L’excès de la chaleur dissipée par les composantes électroniques peut causer des graves défaillances. Un système de refroidissement développé basé sur les matériaux à changement de phase est l’une des solutions les plus recommandées afin d’assurer un fonctionnement sécurisé de ces composants microélectroniques. Bien que la faible conductivité de ces matériaux soit considérée comme la limitation majeure de leurs utilisations dans les applications de gestion thermique. L’objectif principal de cette thèse est l’amélioration de la conductivité thermique de ces matériaux et l’optimisation des dissipateurs thermiques. Dans les premiers chapitres, des modélisations numériques sont effectuées afin de déterminer la configuration optimale d’un dissipateur à partir de l’étude de plusieurs paramètres comme l’insertion des ailettes, la dispersion des nanoparticules et l’utilisation de multiples matériaux à changement de phase. L’innovation de cette étude est la modélisation du transfert thermique des matériaux à changement de phase avec une concentration des nanoparticules relativement importante par rapport à la littérature et plus précisément les travaux scientifiques expérimentaux. Des conclusions intéressantes sont extraites de cette étude paramétrique qui va nous permettre parla suite de proposer un nouveau modèle basé sur des multiples des matériaux à changement de phase améliorés avec les nanoparticules. Des études d’optimisation fiabiliste sont après réalisées.En premier lieu, une étude d’optimisation fiabiliste mono-objective a été réalisé dans le but est de proposer un modèle du dissipateur fiable à multiple NANOMCPS avec des dimensions optimales. Donc l’objectif est d'optimiser (minimiser) le volume total du dissipateur tout en considérant les différents contraintes géométriques et fonctionnels. La méthode hybride robuste (RHM) montre une efficacité à proposer un modèle fiable et optimal comparant à la méthode d’optimisation déterministe (DDO) et les différentes méthodes d’optimisation de la conception basée sur la fiabilité (RBDO) considérées. En plus de la nouveauté de modèle proposée basé sur des multiples NANOMCPs, l’intégration d’une méthode de RBDO développée (RHM) pour l’application de gestion thermique est considérée comme une innovation dans la littérature récente.En deuxième lieu, une étude d’optimisation fiabiliste multi objective est proposée. Deux objectives sont considérées : le volume total du dissipateur et le temps de décharge pour atteindre la température ambiante. De plus, l’utilisation d’une méthode d’optimisation RHM, et l’algorithme génétique de tri non dominée, sont adoptées afin de chercher le modèle optimal et fiable qui offre le meilleur compromis entre les deux objectifs. En outre, un modèle de substitution avancée est établi dans le but de réduire le temps de simulation vu que le nombre important des itérations jusqu'à aboutir à un modèle optimal
Phase-change materials exhibit considerable potential in the field of thermal management.These materials offer a significant thermal storage capacity. Excessive heat dissipated by miniature electronic components could lead to serious failures. A cooling system based on phase-change materials is among the most recommended solutions to guarantee the reliable performance of these microelectronic components. However, the low conductivity of these materials is considered a major limitation to their use in thermal management applications. The primary objective of this thesis is to address the challenge of improving the thermal conductivity of these materials. Numerical modeling is conducted, in the first chapters, to determine the optimal configuration of a heat sink, based on the study of several parameters such as fin insertion, nanoparticle dispersion, and the use of multiple phase-change materials. The innovation in this parametric study lies in the modeling of heat transfer from phase-change materials with relatively high nanoparticle concentration compared to the low concentration found in recent literature (experimental researchs). Significant conclusions are deducted from this parametric study, enabling us to propose a new model based on multiple phase-change materials improved with nanoparticles (NANOMCP). Reliable optimization studies are then conducted. Initially, a mono-objective reliability optimization study is carried out to propose a reliable and optimal model based on multiple NANOMCPs. The Robust Hybrid Method (RHM)proposes a reliable and optimal model, compared with the Deterministic Design Optimization method (DDO) and various Reliability Design Optimization methods (RBDO). Furthermore,the integration of a developed RBDO method (RHM) for the thermal management applicationis considered an innovation in recent literature. Additionally, a reliable multi-objective optimization study is proposed, considering two objectives: the total volume of the heat sink and the discharge time to reach ambient temperature. The RHM optimization method and the non-dominated sorting genetics algorithm (C-NSGA-II) were adopted to search for the optimal and reliable model that offers the best trade-off between the two objectives. Besides, An advanced metamodel is developed to reduce simulation time, considering the large number of iterations involved in finding the optimal model

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la recherche d’architectures fiables pour les circuits logiques. Par ”fiable”, nous entendons des architectures permettant le masquage des fautes et les rendant de ce fait ”tolérantes" à ces fautes. Les solutions pour la tolérance aux fautes sont basées sur la redondance, d’où le surcoût qui y est associé. La redondance peut être mise en oeuvre de différentes manières : statique ou dynamique, spatiale ou temporelle. Nous menons cette recherche en essayant de minimiser tant que possible le surcoût matériel engendré par le mécanisme de tolérance aux fautes. Le travail porte principalement sur les solutions de redondance modulaire, mais certaines études développées sont beaucoup plus générales
In this thesis, we mainly take into account the representative technique Triple Module Redundancy (TMR) as the reliability improvement technique. A voter is an necessary element in this kind of fault-tolerant architectures. The importance of reliability in majority voter is due to its application in both conventional fault-tolerant design and novel nanoelectronic systems. The property of a voter is therefore a bottleneck since it directly determines the whole performance of a redundant fault-tolerant digital IP (such as a TMR configuration). Obviously, the efficacy of TMR is to increase the reliability of digital IP. However, TMR sometimes could result in worse reliability than a simplex function module could. A better understanding of functional and signal reliability characteristics of a 3-input majority voter (majority voting in TMR) is studied. We analyze them by utilizing signal probability and boolean difference. It is well known that the acquisition of output signal probabilities is much easier compared with the obtention of output reliability. The results derived in this thesis proclaim the signal probability requirements for inputs of majority voter, and thereby reveal the conditions that TMR technique requires. This study shows the critical importance of error characteristics of majority voter, as used in fault-tolerant designs. As the flawlessness of majority voter in TMR is not true, we also proposed a fault-tolerant and simple 2-level majority voter structure for TMR. This alternative architecture for majority voter is useful in TMR schemes. The proposed solution is robust to single fault and exceeds those previous ones in terms of reliability

Les défaillances des systèmes mécatroniques sont souvent causées par la rupture par fatigue des joints de brasure de ses composants électroniques. Avec la miniaturisation croissante des boîtiers électroniques, la sollicitation des joints de brasure, qui assurent la liaison entre les sorties du composant et la carte, peut devenir problématique. En effet, les joints de brasures peuvent accepter des taux de déformation importants, mais une accumulation des sollicitations répétées provoquent leur vieillissement prématuré pouvant conduire à la rupture de joints brasés (phénomène de fatigue thermomécanique). Ainsi, les études basées sur la simulation par les méthodes des éléments finis sont menées pour étudier numériquement la durée de vie des boîtiers montés sur circuit imprimé (fiabilité de deuxième niveau). Le coût de calcul élevé de la résolution de ce type de problèmes peut rendre la procédure d’optimisation et d’évaluation de la fiabilité irréalisable en raison de la grande consommation de temps de calcul de la simulation multiphysique par la méthode des éléments finis. Cette thèse propose d’une part, une adaptation de la méthode CMA-ES Assisté par le métamodèle de krigeage pour l’optimisation globale d’un problème. La mise en œuvre de cet algorithme proposé a été réalisée dans l’optimisation globale des joints de brasure d’un boîtier de type PQFP. Les résultats des études numériques montrent que l’algorithme KA-CMA-ES proposé est plus efficace et plus performant que l’algorithme CMA-ES standard. D’autre part, une méthodologie générale pour l’analyse de la fiabilité en fatigue est proposée dans ce manuscrit. Elle s’appuie sur la modélisation des incertitudes (chargement, propriétés du matériau, géométrie) et vise à quantifier le niveau de fiabilité du système étudié pour un scénario de défaillance en fatigue. Une méthode basée sur les techniques de métamodélisation est précisément proposée pour remédier à la complexité des systèmes mécatroniques dans la résolution du problème de fiabilité. Le métamodèle est utilisé pour imiter le comportement du modèle mécanique tout en satisfaisant en même temps l’efficacité et la précision de ce dernier. La mise en œuvre de cette méthodologie est appliquée pour l’analyse de fiabilité d’un boîtier de type T-CSP
Mechatronic system failures are often caused by fatigue failure of the solder joints of its electronic devices. With the increasing miniaturization of electronic devices, the stress on solder joints, which provide the connection between the component outputs and the PCB, has become a major challenge. Indeed, solder joints can accept high deformation rates, but an accumulation of repeated stresses causes their premature ageing which can lead to the rupture of solder joints (thermomechanical fatigue phenomenon). Thus, the studies based on finite element simulation methods are performed to numerically investigate the lifetime of PCB-mounted devices (secondlevel reliability). The high computational costs required to solve such problems may make the optimization and reliability assessment procedure impracticable due to the high computation time of multi-physics finite element simulation. This thesis proposes on the one side, an adaptation of the CMA-ES method Assisted by the kriging metamodel for the global optimization of a given problem. The implementation of this proposed algorithm was performed in the global optimization of the solder joints in a PQFP package. The results of the numerical studies show that the proposed KA-CMA-ES algorithm is more efficient and more efficient than the standard CMA-ES algorithm. On the other side, a general methodology for reliability analysis in fatigue is proposed in this manuscript. It is based on the uncertainty modeling (loading, material properties, geometry) and aims to quantify the reliability level of the system studied for a fatigue failure scenario. A method based on metamodelling techniques is precisely proposed to address the complexity of mechatronic systems in solving the reliability problem. The metamodel is used to emulate the mechanical model behaviour while satisfying both the its efficiency and accuracy. The implementation of the proposed methodology is applied for the reliability analysis of a T-CSP package

L'intermittence des ressources constitue le principal défi de l'utilisation de la production d'électricité à partir d'énergies renouvelables. Par conséquent, de nouveaux moyens de stockage de l'électricité sont inévitables. L'hydrogène, en tant que vecteur énergétique, peut résoudre ce problème. L'hydrogène peut être produit en utilisant l'énergie excédentaire des sources d'énergie renouvelables. C'est pourquoi une pile à combustible à membrane électrolytique polymère (PEMFC), en tant que dispositif capable de convertir directement l'énergie de l'hydrogène en électricité, est un élément important de cette solution. Le coût et la durabilité sont les principaux défis à relever pour permettre la diffusion de cette technologie sur le marché de masse. Dans le cadre d'un micro-réseau multi-vecteurs, un système de gestion des piles à combustible (FCMS) est proposé et conçu dans cette thèse. Il permet d'optimiser la fiabilité et la durée de vie des PEMFC en contrôlant l'état de fonctionnement des cellules pour éviter les instabilités électrochimiques. Une méthode de diagnostic ainsi qu'une nouvelle architecture d'électronique de puissance hybride sont le cœur de ce FCMS. La méthode de diagnostic peut détecter la plupart des instabilités du FCMS grâce à un nouveau modèle en temps réel. Ce modèle peut simuler une cellule dans son environnement de pile. Une architecture d'électronique de puissance hybride est développée pour ce FCMS qui garantit un meilleur vieillissement du système en contrôlant séparément la puissance fournie par les cellules. L'architecture d'électronique de puissance proposée est hybridée par un supercondensateur (SC) qui peut compenser la faible dynamique des PEMFC en fournissant les profils de charge dynamiques rapides. Une méthode de contrôle en logique floue (FLC) est développée dans le cadre du FCMS pour modifier la puissance de référence des groupes de cellules sur la base des données du modèle. Le système proposé et ses différentes parties sont validés par les résultats de la simulation et de l'expérimentation
The essential challenge in using renewable energy-based electricity generation is the intermittency of resources. Therefore, new ways to store electricity is inevitable. Hydrogen as an energy carrier can deal with this issue. Hydrogen can be produced by using the excess energy of renewable energy sources. Therefore, a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) as a device that can directly convert hydrogen energy to electricity is an important part of this solution. The cost and durability are the major challenges to enable the diffusion of this technology in the mass market. In the frame of a multi-vectors microgrid, a Fuel Cell Management System (FCMS) is proposed and designed in this thesis that allows optimizing the reliability and life of PEMFCs through controlling the operating condition of cells to avoid electrochemical instabilities. A proposed diagnostic method along with a new hybrid power electronics architecture is the core of this FCMS. The diagnostic method can detect most of the FCMS instabilities by a new comprehensive real-time model. This model can simulate a cell in its stack environment. A hybrid power electronics architecture is developed for this FCMS that guarantees better aging of the system by separately manipulating the supplied power of cells. The proposed power electronics architecture is hybridized by a Supercapacitor (SC) that can compensate for the low dynamic of PEMFCs in supplying the fast dynamic load profiles. A Fuzzy Logic Control (FLC) method is developed as a part of the FCMS to change the reference power of the cell groups based on the model data. The proposed system and its different parts are validated through the simulation and experimental results

L’objectif de ces travaux de thèse a été d'améliorer les performances, le coût et la surface de silicium occupés par un microcontrôleur fabriqué sur la base d’une technologie mémoire embarquée CMOS (eNVM) 40 nm. Ces améliorations ont été réalisées grâce au développement de nouvelles architectures de transistors adaptées au besoin du marché de l’IoT. Dans une première partie, le contexte dans lequel s’inscrit cette thèse est exposé par la présentation des limites technologiques et économiques de technologie CMOS. Dans une deuxième partie, le procédé de fabrication eNVM ainsi que l’architecture et le mode de fonctionnement d’un nouveau composant, appelé transistor triple grille, ont été présentés. Sur la base de cette nouvelle architecture, composée de grilles de contrôle indépendantes, différents transistors multigrilles ont été fabriqués. Par la même occasion, leur comportement électrique a été analysé. Dans la continuité, des études de fiabilité, portant notamment sur les oxydes de grilles, ont été menées. L’objectif de ces études a été d’étudier l’impact d’une contrainte électrique, appliquée sur une grille du transistor, sur les autres grilles non soumises à cette même contrainte. Des caractérisations électriques ainsi que des simulations TCAD, ont permis d’améliorer la compréhension des résultats obtenus. Finalement, la structure du transistor triple grille a été modélisée à l’aide d’un modèle compact de transistor de type PSP. Cette modélisation a pour objectif de permettre l’évaluation du comportement et des performances électriques de ce transistor au niveau circuit
The aim of this work is to improve the performance, cost and area of a microcontroller manufactured in a 40 nm CMOS embedded memory technology (eNVM), by developing new transistor architectures suitable for the IoT market. The context is first presented with a focus on the technological and economical limitations of the CMOS technology. In a second part, the eNVM manufacturing process as well as the architecture and operation mode of a new component called triple gate transistor are presented. Based on this new architecture which provides independent control gates, various multigate transistors are manufactured and their electrical behaviour is analysed. Reliability studies are then carried out, to assess the reliability of the gate’s oxides. The objective is to study the impact of an electrical stress applied to one transistor gate on the gates not subject to this same stress. Electrical characterizations and TCAD simulations are also conducted to improve the understanding. Finally, the structure of the triple gate transistor is modelled using a compact PSP transistor model. The aim is to evaluate the behaviour but also the electrical performance of this transistor at the circuit level

L'objectif de ce travail est de proposer à des constructeurs des commances de machines à logique programmée une architecture redondante ayant un bon niveau de sécurité et présentant un coût de développement et de réalisation du même ordre de grandeur que ceux réalisés actuellement en logique électromécanique

Les travaux présentés dans ce mémoire visent à s'assurer que la complexité des parties informatiques et électroniques de systèmes embarqués sur l'automobile ne conduise pas globalement à une dégradation de la sûreté de fonctionnement du véhicule par rapport à un véhicule équipé de commandes mécaniques. La tendance actuelle vers l'intégration des différents systèmes électroniques embarqués nous a conduit à comparer différents réseaux multiplexés du domaine d'automobile au niveau de leur sûreté de fonctionnement. C'est dans cette optique également que nous développons un spectre d'architectures qui nous permet d'illustrer, classifier et comparer différentes possibilités existantes entre une architecture entièrement fédérée à un bout du spectre et une architecture entièrement intégrée à l'autre. Après une comparaison qualitative des architectures présentées (avec un effet de loupe sur l'aspect coût), nous focalisons sur l'évaluation quantitative de leur sûreté de fonctionnement. Parmi les différentes techniques d'évaluation généralement employées nous choisissons la technique d'évaluation probabiliste par Réseaux de Petri Stochastiques Généralisés. L'originalité de la méthode réside dans le fait de modéliser les aspects fonctionnels indépendamment de l'architecture ainsi que de l'activation du véhicule. Nous définissons les mesures de sûreté de fonctionnement à l'aide d'un modèle fonctionnel dont les changements d'état sont dictés par un modèle du calculateur sous-jacent. Plusieurs architectures du calculateur sont modélisées sans changer le modèle fonctionnel. Les résultats obtenus pour deux fonctions, à savoir le coussin gonflable et la direction électronique, permettent en particulier de tirer des conclusions concernant le choix d'une architecture pour une fonction donnée.

La fiabilité des chaînes de conversion électrique dans les systèmes embarqués est un enjeu critique dans les applications où interviennent des contraintes liées à la sécurité des personnes ou à des aspects économiques non-négligeables. La maintenance préventive permet de surveiller le bon fonctionnement des maillons faibles de la chaîne de conversion, tels que les composants de puissance à semiconducteurs (IGBT à grille en tranchée) présents dans les convertisseurs d'électronique de puissance utilisés dans le domaine du transport. L'objectif de ce travail est d'évaluer la possibilité d'utiliser l'état de l'oxyde de grille comme indicateur de l'état opérationnel du composant, lorsque celui-ci est soumis à des contraintes thermo-électriques représentatives de son fonctionnement. Les résultats obtenus par couplage de différentes techniques non destructives (méthode capacité-tension et méthode de mesure des charges d'espace) mettent en évidence des évolutions de l'oxyde liées à des effets causés par les charges électriques dans les zones de la structure les plus contraintes.L'étude et la modélisation des phénomènes diélectriques dans les couches minces d'oxyde nécessitent de nouvelles méthodes de mesure de la charge électrique à haute résolution spatiale. Dans le présent travail, nous démontrons, à travers des simulations et des résultats expérimentaux, l'applicabilité d'une de ces techniques de caractérisation, " la méthode de l'impulsion thermique ", sur ce type de structures de la microélectronique. Sa sensibilité aux fines zones de champ électrique localisées au niveau des interfaces est en particulier mise en évidence, en ouvrant des voies vers la mise au point de nouvelles techniques à haute résolution spatiale, basées sur des stimuli thermiques.