Grâce aux propriétés physiques du matériau et à l'avancement de l'ingénierie et de la fabrication, les dispositifs semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) sont des candidats prometteurs pour la conception des modules de puissance à haute fréquence, à haut rendement et donc à haute densité de puissance. Cependant, la commutation rapide des appareils GaN entraîne une vitesse de rotation élevée dans la tension de commutation (dV / dt) et le courant (dI / dt), combiné avec des éléments parasites inductifs (L) et capacitifs (C) dans le module de puissance, donne lieu à des tensions électromagnétiques le bruit d'interférence (EMI) dans une large gamme de fréquences. Cette thèse est axée sur l'influence sur les performances EMI de la conception des modules de puissance basés sur GaN et les approches d'optimisation. Afin d'étudier les problèmes susmentionnés, un module de puissance complet comprenant les appareils de puissance GaN et l'emballage du module doit être caractérisé et modélisé afin que les performances EMI puissent être reconstruites par simulation avec ces modèles. Les méthodes de modélisation d'un transistor de mobilité à haute électron (HEMT) et d'un module de puissance conçu par un laboratoire sont décrites respectivement aux chapitres I et II, La modélisation de l'appareil implique la partie statique et la partie dynamique, où le premier est modélisé pour représenter les caractéristiques IV avant et les conducteurs inverses en diodes inverses et ce dernier est modélisé pour représenter les capacités intrinsèques non linéairement dépendantes de la tension entre chaque paire de bornes . La méthode de modélisation est basée sur les caractéristiques extraites de la fiche technique et peut être mise à l'échelle de tous les e-mode GaN HEMT. La modélisation de l'emballage implique principalement l'extraction des capacités parasites entre le module et le radiateur et les inductances parasites entre le condensateur de liaison CC et les dispositifs d'alimentation. Les extractions sont traitées à la fois par calcul numérique avec logiciel ANSYS Q3D et mesure d'impédance avec un analyseur de réseau vectoriel E5061B. Les résultats de ces deux approches correspondent bien de l'un à l'autre. Une fois que le modèle complet du module de puissance basé sur GaN est construit, il est validé avec un test de commutation expérimental où les signaux de commutation simulés et les bruits EMI sont comparés aux mesurés respectivement aux chapitres III et IV. Le banc d'essai en dehors du module de puissance GaN est modélisé pour compléter le modèle de simulation complet. Les précautions de mesure sont également présentées. Les formes d'onde de commutation sont obtenues en double impulsion et en tests de commutation permanente et sont comparées aux simulations où elles sont correctement adaptées. La minimisation du dépassement de la tension de commutation en utilisant entre DC + et DC - les condensateurs dans le module CX est analysée et enfin la valeur du condensateur CX est recommandée dans différentes situations. Les bruits EMI sont mesurés en termes de courants de mode commun (CM) et de mode différentiel (DM) dans le réseau linéaire à impédance stabilisée (LISN) et sont comparés avec ceux simulés où ils sont correctement adaptés de 100 kHz à 30MHz. On analyse les chemins de propagation du bruit CM du module d'alimentation et de la charge de l'inducteur de résistance. Les effets des condensateurs dans le module CX et du CM filter ones CY sont étudiés. Enfin, la répartition des condensateurs de filtre dans différents endroits est étudiée par simulation. / Thanks to the material’s physical properties and the advancement in the engineering and manufacturing, power semiconductor devices based on Gallium Nitride (GaN) are promising candidates for high frequency, high efficiency and thus high power density power module design. However, GaN devices’ fast switching results in high slew rate in switching voltage (dV/dt) and current (dI/dt), combined with parasitic inductive (L) and capacitive (C) elements within the power module, gives rise to electromagnetic interference (EMI) noise in a wide frequency range. This dissertation is focused on the influence on EMI performance of the GaN based power module design and the optimization approaches.In order to study the aforementioned issues, an entire power module including the GaN power devices and the module’s packaging are to be characterized and modeled so that the EMI performances can be reconstructed by simulation with these models. The modeling methods of a commercial enhancement-mode (e-mode) GaN High-Electron-Mobility-Transistor (HEMT) and a lab-designed power module are discussed respectively in chapter I and II,• The device modeling involves the static part and the dynamic part, where the former is modeled to represent the forward I-V characteristics and the reverse diode-like conducting ones and the latter is modeled to represent the nonlinearly voltage dependent intrinsic capacitances between each pair of terminals. The modeling method is based on the characteristics extracted from datasheet and can be scaled to all e-mode GaN HEMT.• The packaging modeling involves mainly the extraction of the stray capacitances between the module and the heatsink and the parasitic inductances between the DC link capacitor and the power devices. The extractions are processed by both numerical calculation with software ANSYS Q3D and impedance measurement with a vector network analyzer E5061B. The results from these two approaches match well from one to the other.Once the full model of the GaN based power module is built, it is validated with experimental switching test where the simulated switching waveforms and the EMI noises are compared with the measured ones respectively in chapter III and IV. The test bench apart from the GaN power module is modeled to complete the full simulation model. The measurement precautions are presented as well.• The switching waveforms are obtained in double pulse and permanent switching tests and are compared to the simulated ones where they are correctly matched. The minimization of the switching voltage’s overshoot by using between DC+ and DC- the in-module capacitors CX is analyzed and finally the capacitor CX’s value is recommended in different situations.• The EMI noises are measured in terms of common mode (CM) and differential mode (DM) currents in the Line-Impedance-Stabilized-Network (LISN) and are compared with the simulated ones where they are correctly matched from 100 kHz up to 30MHz. The CM noise propagation paths from the power module and from the resistor-inductor load are analyzed. The effects of the in-module capacitors CX and the CM filter ones CY are studied. Finally the distribution of filter capacitors in different locations is studied by simulation.

Dans le domaine de l'électronique de puissance, afin d'améliorer l'efficacité du fonctionnement des associations convertisseurs-machines, les semi-conducteurs utilisés fonctionnent à des fréquences de plus en plus élevées, ceci engendre des perturbations électromagnétiques très contraignantes.Durant cette étude, nous nous intéressons particulièrement aux perturbations conduites de mode commun (MC) qui est le mode le plus pénalisant dans ce genre de système. Ces perturbations vont d'une part dégrader les roulements du moteur et d'autre part se propager vers l'alimentation et engendrer des perturbations rayonnées qui peuvent créer des dysfonctionnements dans les appareils environnants, notamment les systèmes électroniques bas niveau. Ces perturbations, qui font partie des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM), attirent de plus en plus l'attention des industriels, notamment dans le domaine aéronautique qui s'oriente vers une génération d'avions « plus électriques ». Pour assurer la sûreté de fonctionnement, il convient de respecter des normes de CEM strictes (ex. DO-160D en aéronautique). La modélisation du système constitue le point de départ de ce travail. L'approche choisie, dite « quadripolaire », est basée sur des mesures spécifiques de la tension de MC générée par l'onduleur, et des impédances équivalentes de MC de chaque constituant du système qui est représenté par un quadripôle associé à une matrice d'impédance [Z]. Ce modèle simple, efficace et surtout versatile nous permet d'estimer ou de calculer directement dans le domaine fréquentiel les courants et les tensions de MC aux différents points du circuit. La confrontation aux résultats expérimentaux montre la validité du modèle sur une large gamme de fréquences. Ce modèle est ensuite exploité à des fins d'études de sensibilité et de dimensionnement de solutions de réduction des perturbations conduites de MC. Enfin, un modèle, tenant compte du courant circulant dans le plan de masse, propose une modélisation proche d'un système d'entraînement réel installé en secteur industriel ou à bord d'un avion.

Thesis (PhD (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: This work considers the acceleration of matrix-based computational electromagnetic (CEM) techniques using graphics processing units (GPUs). These massively parallel processors have gained much support since late 2006, with software tools such as CUDA and OpenCL greatly simplifying the process of harnessing the computational power of these devices. As with any advances in computation, the use of these devices enables the modelling of more complex problems, which in turn should give rise to better solutions to a number of global challenges faced at present. For the purpose of this dissertation, CUDA is used in an investigation of the acceleration of two methods in CEM that are used to tackle a variety of problems. The first of these is the Method of Moments (MOM) which is typically used to model radiation and scattering problems, with the latter begin considered here. For the CUDA acceleration of the MOM presented here, the assembly and subsequent solution of the matrix equation associated with the method are considered. This is done for both single and double precision oating point matrices. For the solution of the matrix equation, general dense linear algebra techniques are used, which allow for the use of a vast expanse of existing knowledge on the subject. This also means that implementations developed here along with the results presented are immediately applicable to the same wide array of applications where these methods are employed. Both the assembly and solution of the matrix equation implementations presented result in signi cant speedups over multi-core CPU implementations, with speedups of up to 300x and 10x, respectively, being measured. The implementations presented also overcome one of the major limitations in the use of GPUs as accelerators (that of limited memory capacity) with problems up to 16 times larger than would normally be possible being solved. The second matrix-based technique considered is the Finite Element Method (FEM), which allows for the accurate modelling of complex geometric structures including non-uniform dielectric and magnetic properties of materials, and is particularly well suited to handling bounded structures such as waveguide. In this work the CUDA acceleration of the cutoff and dispersion analysis of three waveguide configurations is presented. The modelling of these problems using an open-source software package, FEniCS, is also discussed. Once again, the problem can be approached from a linear algebra perspective, with the formulation in this case resulting in a generalised eigenvalue (GEV) problem. For the problems considered, a total solution speedup of up to 7x is measured for the solution of the generalised eigenvalue problem, with up to 22x being attained for the solution of the standard eigenvalue problem that forms part of the GEV problem. / AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie werkstuk word die versnelling van matriksmetodes in numeriese elektromagnetika (NEM) deur die gebruik van grafiese verwerkingseenhede (GVEe) oorweeg. Die gebruik van hierdie verwerkingseenhede is aansienlik vergemaklik in 2006 deur sagteware pakette soos CUDA en OpenCL. Hierdie toestelle, soos ander verbeterings in verwerkings vermoe, maak dit moontlik om meer komplekse probleme op te los. Hierdie stel wetenskaplikes weer in staat om globale uitdagings beter aan te pak. In hierdie proefskrif word CUDA gebruik om ondersoek in te stel na die versnelling van twee metodes in NEM, naamlik die Moment Metode (MOM) en die Eindige Element Metode (EEM). Die MOM word tipies gebruik om stralings- en weerkaatsingsprobleme op te los. Hier word slegs na die weerkaatsingsprobleme gekyk. CUDA word gebruik om die opstel van die MOM matriks en ook die daaropvolgende oplossing van die matriksvergelyking wat met die metode gepaard gaan te bespoedig. Algemene digte lineere algebra tegnieke word benut om die matriksvergelykings op te los. Dit stel die magdom bestaande kennis in die vagebied beskikbaar vir die oplossing, en gee ook aanleiding daartoe dat enige implementasies wat ontwikkel word en resultate wat verkry word ook betrekking het tot 'n wye verskeidenheid probleme wat die lineere algebra metodes gebruik. Daar is gevind dat beide die opstelling van die matriks en die oplossing van die matriksvergelyking aansienlik vinniger is as veelverwerker SVE implementasies. 'n Verselling van tot 300x en 10x onderkeidelik is gemeet vir die opstel en oplos fases. Die hoeveelheid geheue beskikbaar tot die GVE is een van die belangrike beperkinge vir die gebruik van GVEe vir groot probleme. Hierdie beperking word hierin oorkom en probleme wat selfs 16 keer groter is as die GVE se beskikbare geheue word geakkommodeer en suksesvol opgelos. Die Eindige Element Metode word op sy beurt gebruik om komplekse geometriee asook nieuniforme materiaaleienskappe te modelleer. Die EEM is ook baie geskik om begrensde strukture soos golfgeleiers te hanteer. Hier word CUDA gebruik of om die afsny- en dispersieanalise van drie gol eierkonfigurasies te versnel. Die implementasie van hierdie probleme word gedoen deur 'n versameling oopbronkode wat bekend staan as FEniCS, wat ook hierin bespreek word. Die probleme wat ontstaan in die EEM kan weereens vanaf 'n lineere algebra uitganspunt benader word. In hierdie geval lei die formulering tot 'n algemene eiewaardeprobleem. Vir die gol eier probleme wat ondersoek word is gevind dat die algemene eiewaardeprobleem met tot 7x versnel word. Die standaard eiewaardeprobleem wat 'n stap is in die oplossing van die algemene eiewaardeprobleem is met tot 22x versnel.

Les matériaux cimentaires ont été retenus afin de composer la barrière ouvragée du site français de stockage des déchets nucléaires en formation géologique profonde. Ce choix se justifie par les capacités physico-chimiques propres aux bétons : les hydrates de la matrice cimentaire (CSH) et le pH de sa solution interstitielle contribuent à la rétention des radionucléides ; d'autre part la compacité de ces matériaux limite le transport d'éléments. <br />Il convient de s'assurer de la pérennité de cette structure pendant une durée au moins égale à celle de la vie des déchets (jusqu'à 100 000 ans). Sa durabilité a été éprouvée par l'évolution des propriétés de transfert en fonction de la décalcification de matériaux cimentaires, altération traduisant le vieillissement de l'ouvrage. <br /><br />Deux modes de dégradation ont ainsi été appliqués tenant compte des différentes interactions physico-chimiques induites par la formation hôte. <br /><br />Le premier, de type statique, a consisté en une décalcification accélérée par le nitrate d'ammonium. Il simule l'altération de la barrière ouvragée par les eaux souterraines. La cinétique de la dégradation a été estimée par le suivi du calcium lixivié et l'avancée du front de dissolution de l'hydroxyde de calcium.<br />Pour évaluer l'impact de la décalcification, les échantillons ont été caractérisés à l'état sain puis dégradé, en termes de microstructure (porosité, distribution porosimétrique) et de propriétés de transfert (diffusivité, perméabilité au gaz et à l'eau). <br />L'influence de la nature du liant (CEM I et CEM V/A) et des granulats (calcaires et siliceux) a été observée en répétant les essais sur différentes formulations de mortiers.<br />A cette occasion, une importante réflexion sur la métrologie de cet essai a été menée.<br /><br />Le deuxième mode de dégradation, dynamique, a été réalisé par un perméamètre environnemental. Il recrée les sollicitations subies par l'ouvrage lors de sa phase de resaturation post-fermeture (pression hydraulique imposée par la couche géologique et exothermicité des déchets).<br />Cet appareillage, basé sur le principe d'une cellule triaxiale, a permis de fixer un gradient de pression entre 2 et 10 MPa et une température de 20 à 80°C. La variation de la perméabilité à l'eau en fonction de ces deux paramètres expérimentaux, découplés et couplés, a été mesurée et reliée aux modifications microstructurales des échantillons. <br /><br />Mots clés : décalcification, CEM I, CEM V/A, diffusivité, perméabilité au gaz, perméabilité à l'eau, porosimétrie mercure, dégradation par nitrate d'ammonium, perméamètre environnemental, gradient de pression, température, stockage nucléaire souterrain.

La tendance de l'intégration en électronique de puissance accentue naturellement les effets électromagnétiques parasites. Tout système d'énergie électrique devient alors source de perturbations EM aussi bien conduites que rayonnées. Mais dans le cadre de ces travaux, nous nous sommes focalisé sur l'organe de filtrage des perturbations conduites : le filtre CEM. En haute fréquence, il s'avère que ce type de système voit son comportement dégradé en raison des différents phénomènes parasites apparaissant au sein même du dispositif. Seuls les aspects magnétiques du problème ont néanmoins été traités (i.e. inductances partielles & couplages magnétiques parasites). Différentes méthodes ont été mises au point par le passé dans le but d'améliorer facilement la réponse du filtre. Cependant, il s'agit de procédés empiriques ne pouvant garantir l'optimalité de la solution de filtre construite. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont donc consisté à développer une nouvelle méthode d'optimisation d'un filtre CEM, et plus précisément de son routage. L'objectif est alors d'exploiter les différents phénomènes magnétiques parasites intrinsèques au montage. Calculer ce type d'éléments a donc nécessité l'utilisation d'un outil de modélisation PEEC ; méthode numérique permettant des calculs rapides en raison d'un maillage relativement limité.

Avec la demande croissante pour les applications à haut débit et pour des liaisons fiables pour les systèmes de commande et de contrôle, la technologie CPL prend une place de plus en plus importante dans les systèmes innovants tels que les réseaux de communication et les réseaux de distribution intelligents. Le principal avantage de cette technologie est sa capacité à bénéficier de l'infrastructure du réseau électrique existant pour la transmission de signaux électromagnétiques. Les systèmes à large bande actuellement utilisés en intérieur opèrent principalement dans la gamme de fréquence de 2 MHz à 30 MHz. Cependant, dans l'environnement intérieur de type habitation ou bureau, les fils électriques des réseaux basse tension n'ont pas été initialement conçus pour propager des signaux de communication à des hautes fréquences. Cette thèse met l'accent sur l'une des principales limitations liées à la technologie CPL indoor, à savoir le rayonnement non intentionnel de signaux électromagnétiques. D'une part, nous nous sommes attachés à caractériser le niveau de rayonnement d'un système CPL typique, afin de vérifier s'il permet la cohabitation avec d'autres systèmes dans un même environnement. D'autre part, nous avons étudié et proposé des méthodes de réduction du niveau de rayonnement indésirable.

Aujourd'hui CEM normative sur RSIL ne permet pas de garantir le bon fonctionnement de façon systématique. La sûreté est assurée au moyen de marges CEM, souvent excessives. Le système est donc sous optimal Par ailleurs, le fonctionnement des convertisseurs sur RSIL n'est pas forcément représentatif du fonctionnement réel: le RSIL n'est pas forcément représentatif des impédances des réseaux embarqués. De ce fait, le filtrage d'un convertisseur peut être optimisé sur RSIL mais n'est plus forcément optimal dès qu'on est sur un réseau réel. L'objectif de cette thèse est de progresser dans la modélisation CEM des réseaux embarqués, en vue de pouvoir prédire le comportement, et d'optimiser les moyens de filtrage. / Today normative LISN EMC does not guarantee the proper functioning systematically. Safety is ensured by EMC margins often excessive. The system is therefore suboptimal Furthermore, the operation of the converters on the AN is not necessarily representative of the actual operation : the AN is not necessarily representative of the impedances of embedded networks . Thus , filtering of a converter can be optimized but on the AN is not necessarily optimal since it is a real network . The objective of this thesis is to advance the EMC modeling of embedded systems in order to predict behavior, and optimize the filter means.

L’équipe de conception de Freescale à Toulouse développe des circuits intégrés dédiés au marché de l’automobile pour des applications châssis, sécurité ou loisir. Les contraintes associées à l’embarquement des circuits sont nombreuses : niveau d’intégration, fiabilité, températures élevées, et compatibilité électromagnétique. Les produits conçus par Freescale intègrent des convertisseurs à découpage pour l’alimentation en énergie des microcontrôleurs. Cette thèse a pour objet l’étude de nouvelles topologies de convertisseur d’énergie pour la baisse de l’encombrement et des perturbations électromagnétiques. La structure multiphase répond à la problématique dans son ensemble. Un prototype est réalisé dans une technologie silicium Freescale haute tension 0.25µm. Le volume des composants externes de filtrage est optimisé et réduit. Les mesures sur le prototype montrent des performances en accord avec les objectifs, et des émissions électromagnétiques particulièrement faibles. / The Freescale design team in Toulouse develops integrated circuits for automotive application such as chassis, safety or infotainment. Constraints associated with the embodiment of such circuits are many: die-size, safety, EMC (Electromagnetic Compliance). Switching Mode Power Supplies are integrated in these products to supply power to microcontrollers. This PhD thesis is to study new topologies of power supply to reduce the volume and electromagnetic disturbances. The multiphase structure responds to the raised issue. A prototype is produced in a Freescale 0.25µm high voltage silicon technology. Volume of the external components for filtering is optimized and reduced. Measures show upgrades in performance and reduced electromagnetic emissions.

La tendance de l'intégration en électronique de puissance accentue naturellement les effets électromagnétiques parasites. Tout système d'énergie électrique devient alors source de perturbations EM aussi bien conduites que rayonnées. Mais dans le cadre de ces travaux, nous nous sommes focalisé sur l'organe de filtrage des perturbations conduites : le filtre CEM. En haute fréquence, il s'avère que ce type de système voit son comportement dégradé en raison des différents phénomènes parasites apparaissant au sein même du dispositif. Seuls les aspects magnétiques du problème ont néanmoins été traités (i.e. inductances partielles & couplages magnétiques parasites). Différentes méthodes ont été mises au point par le passé dans le but d'améliorer facilement la réponse du filtre. Cependant, il s'agit de procédés empiriques ne pouvant garantir l'optimalité de la solution de filtre construite. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont donc consisté à développer une nouvelle méthode d'optimisation d'un filtre CEM, et plus précisément de son routage. L'objectif est alors d'exploiter les différents phénomènes magnétiques parasites intrinsèques au montage. Calculer ce type d'éléments a donc nécessité l'utilisation d'un outil de modélisation PEEC ; méthode numérique permettant des calculs rapides en raison d'un maillage relativement limité. / The actual trend to integrate the power electronic devices naturally increases the stray electromagnetic phenomena. Every electrical system becomes thus an EM disturbances source. But as part of this work, we especially focused on the filtering device of conducted disturbances : the EMC filter. For high frequencies, degradations can be observed over the filter transfer function due to the different stray electromagnetic phenomena occurring within the device. But only the magnetic aspects have nevertheless been treated (i.e. partial inductances & stray magnetic couplings). Different methods have been worked out in the past in order to easily improve the filter response. However, these are empirical processes that could not guaranty the built filter solution optimality. The works done throughout this PhD have consisted in developing a novel EMC filter optimization method, and more precisely of its routing. The aim has been to use the different stray magnetic phenomena. All of these elements can only be obtained by using a PEEC modeling tool. The PEEC method allows having fast numerical calculations thanks to a quite light meshing.

L’analyse de mesures longitudinales –appelées trajectoires– est de plus en plus fréquente en recherche médicale. L’un des intérêts de cette analyse est d’identifier des groupes d’individus ayant des trajectoires similaires. La classification obtenue peut être utilisée pour mieux comprendre l’hétérogénéité des évolutions entre individus. La classification peut être déterminée à partir d’un modèle pour lequel les trajectoires des individus correspondent à la trajectoire du groupe auquel ils sont affectés. L’objectif de la thèse est de développer une extension de ce modèle de classification standard permettant une meilleure prise en compte de la variabilité au sein des groupes, (i) variabilité des valeurs du marqueur (variance résiduelle) et (ii) variabilité des profils d’évolution (variance inter-individuelle). Deux modèles de classification sont développés : 1) un premier modèle qui prend en compte une variance résiduelle au sein de chaque groupe variable d’un groupe à l’autre, et 2) un deuxième modèle qui prend en compte une variabilité des trajectoires au sein des groupes au lieu de de prédire la même trajectoire pour tous les individus d’un même groupe, variabilité qui peut être identique ou variable d’un groupe à l’autre. L’intérêt de ces deux modèles a été montré par des travaux de simulations et par des applications cliniques. Globalement, lorsque le nombre de mesures et de trajectoires est suffisant, ces modèles donnent de meilleures classifications que celles du modèle de classification standard. Par ailleurs, en dehors de plans expérimentaux très contrôlés, les deux sources de variabilité sont inhérentes à la recherche en santé. Ces modèles sont donc très pertinents d’un point de vue clinique / The analysis of longitudinal measures –called trajectories– is more and more frequent in clinical research. One of the interests of this analysis is to identify groups of individuals with similar trajectories. The obtained classification is used to understand and explore the heterogeneity of trajectories among subjects. The classification can be performed by a model that predicts the same trajectory for all the subjects that are classified in the same group. The objective of this thesis is to develop an extension to the standard classification model that gives greater consideration to the variability within groups, (i) the variability of marker values (residual variance), and (ii) the variability of the individual trajectories inside a group (between-individual variance). Two classification models were developed: 1) a first model that allows unequal residual variance across groups, and 2) a second model that takes into account a between-individual variance within each group instead of predicting the same trajectory for all subjects in the same group, a variance that can be equal or unequal across groups. The interest of these two models has been studied by simulations and through clinical applications. Overall, when the number of trajectories and measurements per trajectory is sufficient, these models gives better classification compared to the standard classification model. Moreover, except for highly controlled experimental designs, the two sources of variability are inherent to research in health. Therefore, these models are very relevant from a clinical point of view.