This work presents a 6.5-kV 1-kA SiC bipolar diode module for megawatt-range medium voltage converters. The study comprises a review of SiC devices and bipolar diodes, a description of the die and module technology, device characterization and modelling and benchmark of the device at converter level. The effects of current change rate, temperature variation, and different insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules for the switching cell, as well as parasitic oscillations are discussed. A comparison of the results with a commercial Si diode (6.5 kV and 1.2 kA) is included. The benchmark consists of an estimation of maximum converter output power, maximum switching frequency, losses and efficiency in a three level (3L) neutral point clamped (NPC) voltage-source converter (VSC) operating with SiC and Si diodes. The use of a model predictive control (MPC) algorithm to achieve higher efficiency levels is also discussed. The analysed diode module exhibits a very good performance regarding switching loss reduction, which allows an increase of at least 10 % in the output power of a 6-MVA converter. Alternatively, the switching frequency can be increased by 41 %.

Dans cette thèse nous nous sommes principalement concentrés sur les transmissions impulsion radio Ultra Large Bande (UWB-IR) qui a plusieurs avantages grâce à la nature de sa bande très large (entre 3.1GHZ et 10.6GHz) qui permet un débit élevé et une très bonne résolution temporelle. Ainsi, la très courte durée des impulsions émises assure une transmission robuste dans un canal multi-trajets dense. Enfin la faible densité spectrale de puissance du signal permet au système UWB de coexister avec les applications existantes. En raison de toutes ces caractéristiques, la technologie UWB a été considérée comme une technologie prometteuse pour les applications WSN. Cependant, il existe plusieurs défis technologiques pour l'implémentation des systèmes UWB. A savoir, une distorsion différente de la forme d'onde du signal reçu pour chaque trajet, la conception d'antennes très larges bandes de petites dimensions et non coûteuses, la synchronisation d'un signal impulsionnel, l'utilisation de modulation d'onde d'ordre élevé pour améliorer le débit etc. Dans ce travail, Nous allons nous intéresser à l'étude et l'amélioration de la synchronisation temporelle dans les systèmes ULB. / The basic concept of Impulse-Radio UWB (IR-UWB) technology is to transmit and receive baseband impulse waveform streams of very low power density and ultra-short duration pulses (typically at nanosecond scale). These properties of UWB give rise to fine time-domain resolution, rich multipath diversity, low power and low cost on-chip implementation facility, high secure and safety, enhanced penetration capability, high user capacity, and potential spectrum compatibility with existing narrowband systems. Due to all these features, UWB technology has been considered as a feasible technology for WSN applications. While UWB has many reasons to make it a useful and exciting technology for wireless sensor networks and many other applications, it also has some challenges which must be overcome for it to become a popular approach, such as interference from other UWB users, accurate modelling of the UWB channel in various environments, wideband RF component (antennas, low noise amplifiers) designs, accurate synchronization, high sampling rate for digital implementations, and so on. In this thesis, we will focus only on one of the most critical issues in ultra wideband systems: Timing Synchronization.

[pt] Este trabalho descreve o desenvolvimento completo de um Amplificador de Potência de RF para Transceptores Multibanda. Em sua etapa inicial mostra um apanhado geral da teoria de todos os parâmetros relevantes para a medida de desempenho desses dispositivos, como potência, ganho e parâmetros de não linearidades. Em seguida são expostas as teorias básicas para o entendimento dos mecanismos para extração da máxima potência de um transistor, focando nos transistores de efeito de campo FET, incluindo a caracterização para regimes de alta potência. São apresentados os modos de operação de um amplificador de potência, focando nos chamados modos clássicos, dado que esses modos são convenientes para operação em banda larga. Para a correta operação de qualquer dispositivo que apresente ganho, a análise de estabilidade é apresentada com o procedimento de estabilização de transistores. A partir de todo o apanhado teórico, é desenvolvida uma metodologia de projeto de amplificadores de potência utilizando a ferramenta de simulação computacional Advanced Design System. Então, após toda a modelagem do amplificador, a construção e medidas são realizadas e boa concordância com a simulação foi obtida. / [en] This work describes the full development of a RF Power Amplifier for Multiband Transceivers. In its initial stage shows an overview of the theory of all relevant parameters to measure the performance of these devices, like power, gain and nonlinearity parameters. Then it exposes the basic theories for the understanding of the mechanisms for extracting the maximum power of a transistor, focusing on field effect transistors FET, including characterization for regimes of high power. It presents the modes of operation of a power amplifier, focusing on so-called classical modes, since these modes are suitable for broadband operation. For proper operation of any device that presents gain, the stability analysis is presented with the stabilization procedure of transistors. From all theoretical basis, is developed a design methodology of power amplifiers using the computational simulation tool Advanced Design System. So after all the amp modeling, construction and measurements are performed and good agreement was obtained with the simulation.

Ce travail de thèse s’articule autour de la problématique du respect des gabarits spectraux d’émission imposés par les règlementations et les normes dans le domaine des émetteurs radio impulsionnels ultra-large bande. Le choix a été fait de réaliser un capteur in-situ venant extraire les informations nécessaires à une estimation sur puce de la densité spectrale de puissance. Un algorithme d’estimation embarqué peut alors permettre de détecter les gabarits violés et pouvoir rétroagir sur le dispositif. La grande diversité constatée parmi les règlementations et les normes en vigueur ainsi que dans les différentes architectures de générateurs d'impulsions a alors motivé la réalisation d'un système de calibration universel à tous les émetteurs par prise d'informations en sortie. Le manuscrit s'est alors employé à représenter une impulsion à partir de son enveloppe instantanée et de sa fréquence instantanée, ces deux grandeurs temporelles pouvant être extraites pour tout type d'impulsions. Il a été également proposé dans le chapitre une première technique de calibration basée sur la modification de l'enveloppe à des instants précis qui permet de faire rentrer le spectre dans le gabarit tout en maximisant l'occupation de celui-ci. Enfin, l'extraction de l'enveloppe instantanée et de la fréquence instantanée a été abordée en proposant une technique d'extraction par transposition de l'information en bande de base. La conception des dispositifs électroniques nécessaires a été présentée et ceux-ci ont été implémentés sur la même puce qu'un générateur d'impulsions dans le but de réaliser un démonstrateur qui a validé l'utilisation du système étudié. / This thesis focusses on the power emission constraints defined by regulations and standards for every kinds of ultra-wide band impulse radio transmitters. In fact, these power emission constraints have to be respected all along the device life. Also, an integrated sensor able to extract the essential information for an on-chip estimation of the power spectral density has been realized. Then, an embedded algorithm is added to the system and detects if a power limit is broken. If necessary, it acts on the transmitter to solve the problem. In the first chapter, a large variety of power constraints shapes and several architectures of impulse generators have been observed and studied. Therefore, the aim of this thesis is to realise a calibration system which would be universal to all impulse radio transmitters. After its extraction at the output of the transmitter, information have to be downconverted in order to reduce the constraints on conversion stage but without using a local oscillator and a mixer. A model for the impulse signal based on the instantaneous envelop and on the instantaneous frequency has been proposed in the second chapter. A new calibration method based on these two signals is also presented. The last chapter concentrates on detailing the extraction of the instantaneous envelop and the instantaneous frequency. The design of the electronic devices essential to this extraction is presented and a chip has been realised and the viability of the solution shown.

De nos jours, les énergies renouvelables remplacent les énergies fossiles. Pour assurer une l’interconnexion entre toutes ces installations électriques, l’électronique de puissance est nécessaire. Les principales spécifications de la prochaine génération de convertisseur de puissances sont un rendement et une densité de puissance élevés, fiabilité et faibles coûts. L’intégration PCB des composants actifs et/ou passifs est perçue comme une approche prometteuse, peu onéreuse et efficace. Les délais ainsi que les coûts de fabrication des convertisseurs de puissance peuvent considérablement réduits. L’intégration permet également d’améliorer les performances des convertisseurs. Dans ce but, un concept original d’inductance 3D pliable utilisant la technologie PCB est présenté. Il permet un coût faible pour une production en série, ainsi qu’une excellente reproductibilité. Un usinage partiel de la carte PCB est utilisé, permettant le pliage et la conception des enroulements de l’inductance. Différents prototypes sont développés par le biais d’une procédure d’optimisation. Des tests électriques et thermiques sont réalisés pour valider l’applicabilité du concept au sein de convertisseurs de puissance.Le développement d’une procédure d’optimisation appliqué aux convertisseurs hautement intégrés utilisant l’enterrement PCB est présenté. Tous les choix importants, facilitant l’intégration PCB, e.g. réduction des composants passifs, sont présentés. Cela inclut la sélection de la topologie adéquate avec la modulation associée. La procédure de design et les modèles analytiques sont introduits. Il en résulte un convertisseur comprenant quatre pont-complet entrelacés avec des bras fonctionnant à basse (50 Hz) et haute (180 kHz) fréquences. Cette configuration autorise une variation de courant importante dans les inductances, assurant ainsi la commutation des semi-conducteurs à zéro de tension (ZVS), et ceux sur une période complète du réseau. L’impact de la forte variation de courant sur le filtre CEM est compensé par l’entrelacement. Deux prototypes d’un convertisseur AC/DC bidirectionnel de 3.3 kW sont présentés, les résultats théorique et pratique sont analysés.Pour augmenter la densité de puissance du system, un filtre actif de type “Buck” est étudié. La procédure d’optimisation est adaptée à partir de la procédure implémentée pour le convertisseur AC/DC. L’approche utilisée, mène à un convertisseur opérant également en ZVS durant une période compète du réseau, et ce, à fréquence de commutation fixe. Les technologies sélectionnées, condensateur céramique et inductance compatible avec la technologie PCB sont favorable à l’intégration et sont implémenté sur le prototype. / Nowadays, the green energy sources are replacing fossil energies. To assure proper interconnections between all these different electrical facilities, power electronics is mandatory. The main requirements of next generation converters are high efficiency, high power density, high reliability and low-cost. The Printed Circuit Board (PCB) integration of dies and/or passives is foreseen as a promising, low-cost and efficient approach. The manufacturing time and cost of power converters can be drastically reduced. Moreover, integration allows the converter performances to be improved. For this purpose, an original 3D folded power inductor concept using PCB technology is introduced. It is low cost for mass production and presents good reproducibility. A partial milling of the PCB is used to allow bending and building the inductor winding. Prototypes are designed through an optimisation procedure. Electrical and thermal tests are performed to validate the applicability in power converters. The development of an optimisation procedure for highly integrated converters, using PCB embedding, is presented. All important choices, facilitating the PCB integration, e.g. reduction of passive components, are presented. It includes the selection of the suitable converter topology with the associated modulation. The design procedure and implemented analytical models are introduced. It results in four interleaved full-bridges operating with low (50 Hz) and high (180 kHz) frequency legs. The configuration allows high current ripple in the input inductors inducing zero voltage switching (ZVS) for all the semiconductors, and for a complete grid period. The impact of high current ripple on the EMI filter is compensated by the interleaving. Two prototypes of a 3.3 kW bidirectional AC/DC converters are presented, theoretical and practical results are discussed. To further increase the power density of the overall system, a Buck power pulsating buffer is investigated. The optimisation procedure is derived from the procedure implemented for the AC/DC converter. The result favours an original approach, where the converter also operates with ZVS along the entire main period at a fixed switching frequency. The selected technologies for prototyping are integration friendly as ceramic capacitors and PCB based inductors are implemented in the final prototype.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont dédiés à l'étude des composants passifs pour l'électronique de puissance à haute température. Des condensateurs et des matériaux magnétiques sont sélectionnés et caractérisés jusqu'à environ 250°C. Les caractéristiques électriques et électromagnétiques montrent, pour certains de ces composants et matériaux, des dépendances significatives en fonction de la température, mais également des non-linéarités et des phénomènes d'hystérésis. Les caractérisations sont ensuite exploitées pour la conception d'un filtre CEM d'entrée d'un onduleur de tension de 2kW. Une démarche et des considérations liées au dimensionnement d'un filtre sont détaillées. Un démonstrateur de filtre CEM est testé en charge et à haute température (200°C). Les résultats montrent une dépendance relativement faible des perturbations conduites entre 150kHz et 30MHz en fonction de la température (environ +6dBµA entre 25°C et 200°C selon la norme DO-160F). Le fonctionnement à haute température de composants passifs au sein d'un filtre CEM pour l'électronique de puissance a été démontré. En complément du filtre à composant discret et pour répondre aux besoins d'atténuation à haute fréquence qui seront accrus pour les convertisseurs à base de semi-conducteurs à grand gap (SiC et GaN) qui commutent plus rapidement que des interrupteurs de type IGBT en Si, nous avons proposé l'intégration de condensateurs de mode commun au sein d'un module de puissance. Les résultats simulés et expérimentaux ont montré une réduction des perturbations conduites grâce à l'intégration de ces condensateurs. Cette solution, compatible avec un fonctionnement à haute température, est positionnée comme une solution alternative à un filtre d'entrée complexe (multi-niveaux) et s'inscrit dans la tendance actuelle des IPEM (Intelligent/Integrated Power Electronics Module) qui recherche l'intégration de fonctions dans le module de puissance. L'ensemble de ces travaux souligne par ailleurs l'importance du packaging pour l'électronique de puissance à haute température. / The study, which is described in this dissertation, is dedicated to passive components in order to be integrated into high temperature power electronic converters. Capacitors and magnetic materials are selected and characterized up to 250°C. Electrical and electromagnetic characteristics are measured. Some components show a significant temperature deviation, but also a non-linear behavior with a hysteresis phenomenon. Based on these characteristics, a high temperature EMI filter for a 2kW voltage inverter is designed. The design procedure and some practical considerations are discussed. Then, the experimental results from the prototype at 200°C under full load conditions are given. The variation of the conducted emissions, from 150kHz and 30MHz, with the temperature is low (about +6dBµA between 25°C and 200°C into a DO-160F setup). The feasibility of a working EMI filter for high temperature power electronics is demonstrated. To meet the high frequency EMI requirements, with wide-band gap semi-conductors devices which are faster than Si IGBT, a solution based on integrated common mode capacitors into the power module is proposed. With this solution, operation at high temperature is also doable. Experimental results show a reduction of the conducted emissions thanks to these integrated capacitors. We consider this solution as an alternative against an increased complexity of the EMI input filter. It follows the present trends toward the integration of functions into a power module, close to the power switches. Moreover, packaging issues are highlighted and remains as a major limitation for high temperature power electronics.

Les travaux présentés dans cette thèse sont une contribution à l’étude des systèmes d’imagerie active en bande millimétrique et plus spécifiquement sur les parties antennaires et le traitement de signal. Ces travaux ont été menés dans le cadre d’une collaboration entre Canon Research Center France et l’ETR. Une première étude a porté sur les antennes focalisantes et plus spécifiquement sur la lentille de Fresnel avec un procédé de fabrication de matériau à gradient d’indice qui a permis d’améliorer l’efficacité (59%) et la largeur bande de fréquence (75-110 GHz). Cette antenne a été utilisée sur un système rotatif pour imager une scène réelle extérieure. L’étude s’est ensuite focalisée sur la conception d’une configuration Multiple-Input Multiple-Output ou MIMO (entrées multiples, sorties multiples) grâce notamment à l’utilisation d’un dispositif compressif passif 4×1 permettant de réduire, par compression, le nombre de chaînes RF. Ces chaînes sont décompressées par post-traitement. Le dispositif, placé à l’émission, a été associé avec un scanner qui permet de synthétiser un réseau d’antennes à la réception. Cette configuration a permis de générer virtuellement un réseau de plus grande taille, permettant d’améliorer la résolution azimutale du système tout en limitant le nombre de chaînes RF. Cette configuration est utilisée pour imager une scène en chambre anéchoique afin de valider le concept. Pour améliorer encore plus la résolution du système avec un nombre limité de chaînes RF, l’étude d’algorithmes de haute-résolution, ou méthodes d’estimation spectrales, sont utilisés dans des configurations à large bande de fréquences pour imager des cibles en champs proche. L’association de la configuration MIMO, du dispositif compressif passif et des méthodes d’estimation spectrales permet d’améliorer la résolution du système tout en limitant le nombre de chaînes RF nécessaire. / The broad topic of the presented Ph.D. thesis consists in the contribution to the study of Radar imaging systems at millimeter-wave and more specifically to the antennas and signal processing. These works have been carried out during a partnership between Canon Research Center France and IETR. A first study on focusing antennas, particularly on Fresnel lens antennas, thanks to a technological process to manufacture inhomogeneous materials, has allowed to improve the efficiency and the frequency bandwidth. The antenna has been mounted on a rotary system to image a real outdoor scene. Then, the study has been focused on the realization of a Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) configuration notably using a 4 × 1 passive compressive device allowing to reduce, by compression, the number of radiofrequency (RF) chains. The chains are decompressed by post-processing. The device, used at the transmitting part, is associated with a scanner that synthetizes a receiving array of antennas. This configuration allows to generate a large virtual array, to improve the azimutal resolution of the system while maintaining acceptable the number of RF chains. This configuration has been used to image a scene in an anechoid chamber to validate the concept. To further improve the spatial resolution of the system for a given number of RF chains, the study of high resolution algorithms, or spectral estimation methods, are used to image scenes in near field and wide-band configurations. The combination of MIMO configurations, the passive compressive device and the spectral estimation methods have allowed to drastically improve the spatial resolution of the radar imaging system while limiting the number of RF chains.

Les réseaux de capteurs sans fil ont connu depuis quelques années un intérêt majeur dans tous les domaines d’activités. Une des informations attendue est la localisation des nœuds capteurs ; pourtant, compte-tenu des contraintes imposées aux capteurs en termes d’encombrement et d’énergie, il est peu envisageable d’équiper le capteur d’équipements spécifiques dédié à la localisation comme un récepteur GPS. Dès lors, localiser le capteur en exploitant le signal de communication est une option intéressante. A l’inverse des techniques Range-Free exploitant des hypothèses de connectivité du réseau, les techniques généralement connues pour atteindre une bonne précision de localisation par la radio sont de type Range-Based, et se basent, dans notre cas, sur la mesure du temps de vol du signal radio UWB. Nos contributions portent alors sur le choix d’une couche physique performante, sur la mise en place d’outils favorisant une bonne précision temporelle dans les échanges radio, et l’élaboration d’un protocole original d’évaluation de la distance. Les travaux présentés dans ce manuscrit visent donc à aborder la problématique générale de la localisation d’intérieur dans les réseaux de capteurs sans fil, et en particulier la fonctionnalité de ranging qui est le mécanisme d’évaluation de la distance entre les nœuds. Dans un premier temps, nous implémentons puis évaluons les protocoles de référence rencontrés dans la littérature. Nous identifions et corrigeons par la suite, les erreurs susceptibles de biaiser la métrique du temps de vol. Nous proposons alors le protocole 2M-TWR (2 Messages – Two Way Ranging) comme une amélioration du protocole de référence TWR. Enfin, nous proposons et implémentons le protocole BB-TWR (Beacon Based –TWR), qui permet d’effectuer le ranging, de manière séquentielle et non séquentielle, en incluant les informations temporelles nécessaires dans tout trafic natif diffusé existant. Les preuves de concept ont été prototypées et évaluées sur un banc de test réel. / In recent years, Wireless Sensor Networks has gained an important interest in all fields of activity. One of the expected information is the sensor nodes localization; However, due to the sensors constraints in terms of memory and energy, it is not possible to equip the sensor with specific equipment dedicated to the localization as the GPS receiver. Thus, locating the sensor by using the communication signal is an interesting option. In contrast to Range-Free techniques which use assumptions of network connectivity, the Range-Based techniques are known to reach good localization accuracy and, in our case, they are based on the measurement of the time of flight of the radio signal UWB. Our contributions focus on the choice of an efficient physical layer, on the implementation of tools that promote a good temporal accuracy in radio exchanges, and the development of an original distance evaluation protocol. Research works presented in this manuscript aim to address the global general problem of indoor localization in wireless sensor networks, and particularly the ranging functionality which is the distance evaluation mechanism between nodes. At first we implemented and evaluated the well-known protocols encountered in the literature. Then, we identify and correct errors that may bias the Time of flight metric. We propose the 2M-TWR protocol (2 Messages - Two Way Ranging) as an improvement to the TWR reference protocol. Finally, we propose and implement the BB-TWR (Beacon Based-TWR) protocol, which is able to perform ranging, sequentially and non-sequentially, by including the necessary time information in any existing broadcast native traffic. The proofs of concept were prototyped and evaluated on a real testbed.

L'UWB (Ultra Wide Band) consiste à transmettre des signaux entre 3.1 et 10.6 GHz avec une puissance limitée à -41.3 dBm/MHz. Pour les communications hauts débits (100 à 500 Mbit/s) et courtes portées (1 à 10 m), les solutions de l'état de l'art reposent sur des traitements numériques complexes. Mitsubishi ITE propose une solution alternative multi-bandes (MB) impulsionnelle basée sur un récepteur non-cohérent. La démodulation OOK est effectuée par une détection d'énergie originale avec un seuillage adapté dynamiquement suivant les conditions de propagation. La parallélisation complète de ce système MB-OOK permet à la fois d'éviter les interférences inter-symboles et de récupérer la quasi totalité de l'énergie disponible. En outre, l'approche impulsionnelle limite les évanouissements du signal sur canal multi-trajets. La comparaison des systèmes MB-OOK et MB-OFDM démontre la pertinence de la solution proposée pour des applications très hauts débits, courte portée et faible consommation.

Phase Shifters are one of the most important building cells of the applications in microwave and millimeter-wave range, especially for communications and radar applications / to steer the main beam for electronic scanning. This thesis includes all of the stages starting from the theoretical design stage to the measurements of the phase shifters. In detail, all-pass network phase shifter configuration is used to achieve broadband and ultra wide-band differential phase characteristics. For these reasons, 1 to 2 GHz, 2 to 4 GHz, and 3 to 6 GHz 4-bit, 22.5&deg / phase resolution phase shifter realization with surface micromachined lumped components are designed, simulated, fabricated and measured. Basic building blocks of the phase shifters, i.e., surface micromachined lumped components, square planar spiral inductors and Metal-Insulator-Metal capacitors are designed with EM simulation and lumped equivalent model extractions. The validation of the designed square planar spiral inductors is done with fabrication and measurement steps, very low error, below 1%, between the designs and fabricated samples are observed. Using this knowledge on lumped elements finally phase shifters are designed with surface micromachined lumped components, fabricated using an in house technology provided by METU-MEMS facilities, RF MEMS group. Low phase rms error, good return and insertion loss considerations are aimed, and achieved. In addition to the main work of this thesis, a generalized theoretical calculation method for 2n-1 number of stages all-pass network phase shifters is presented for the first time in literature. A different, new, broadband, and combined phase shifter topology using two-stage all-pass filters is presented. Moreover, the implementation of this idea is proved to be practical to 3 to 6 GHz 5.625&deg / and 11.25&deg / combined phase shifter. A new approach for stage numbers other than power of 2 is indicated, which is different from what is already presented in the literature. An example practical implementation results are provided for the three-stage 4-bit 1 to 6 GHz phase shifter. Also, a small improvement in SRF of the high inductance valued inductors is achieved with the mitering of the corners of square planar spiral inductors. Comparison of the measured data between the normal inductors and mitered versions shows that the first SRF of the inductors are increased about 80 MHz, and second SRF of the inductors are increased about 200 MHz.