Добірка наукової літератури з теми "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