L'augmentation des puissances commutées en électronique de puissance passe par l'association de composants élémentaires en série et en parallèle. Cette association se retrouve à différentes échelles: au sein des modules du commerce ou au niveau de l'association de modules dans un convertisseur statique.<br />Les travaux dans ce domaine ne sont pas nouveaux, puisque de nombreux problèmes nuisant à l'association série ou parallèle ont été rencontrés dans le passé. Le but de cette thèse n'est pas de redécouvrir ces problèmes, ni leurs solutions, mais plutôt, par une étude systématique de la commutation, de mieux comprendre les phénomènes intervenant dans une association de composants à grille isolée. L'originalité de cette étude est qu'elle s'intéresse aux semiconducteurs dans leur environnement. Des règles ont ainsi pu être dégagées permettant une meilleure répartition des contraintes électriques entre les composants. Pour la mise en parallèle, le rôle du câblage a été mis en évidence, et pour la mise en série, un circuit d'équilibrage actif a été proposé, se basant sur les acteurs principaux de la commutation.

L'augmentation des puissances commutées en électronique de puissance passe par l'association de composants élémentaires en série et en parallèle. Cette association se retrouve à différentes échelles: au sein des modules du commerce ou au niveau de l'association de modules dans un convertisseur statique. Les travaux dans ce domaine ne sont pas nouveaux, puisque de nombreux problèmes nuisant à l'association série ou parallèle ont été rencontrés dans le passé. Le but de cette thèse n'est pas de redécouvrir ces problèmes, ni leurs solutions, mais plutôt, par une étude systématique de la' commutation, de mieux comprendre les phénomènes intervenant dans une association de composants à grille isolée. L'originalité de cette étude est qu'elle s'intéresse aux semiconducteurs dans leur environnement. Des règles ont ainsi pu être dégagées permettant une meilleure répartition des contraintes électriques entre les composants. Pour la mise en parallèle, le rôle du câblage a été mis en évidence, et pour la mise en série, un circuit d'équilibrage actif a été proposé, se basant sur les acteurs principaux de la commutation

Le rendement théorique unitaire des convertisseurs à découpage rend ceux-ci attrayants dès qu'il s'agit de traiter l'énergie électrique. Mais les èontraintes de coût et d'encombrement imposent des fréquences de commutation toujours plus élevées (ce qui entraîne des contraintes CEM) et l'utilisation de supports modernes permettant la miniaturisation (SMI, Hybride, Silicium). Dans ce contexte, la simulation est devenue une étape indispensable à la conception de convertisseurs et la modélisation fine des éléments qui les constitue (dont les transistors MOS de puissance font souvent partie à faible tension) une nécessité. Ce travail traite de la modélisation du transistor VDMOS et se partage en trois parties. La première aborde le cas de son comportement statique en intégrant la particularité de son canal réalisé par double diffusion. Le modèle simplifié qui en découle se limite à 5 paramètres dont les méthodes d'extraction utilisées sont décrites. La seconde partie de ce travail est une étude fine du comportement dynamique du VDMOS dans sa cellule de commutation. Elle complète le modèle statique et permet un modèle fiable rendant Gompte de l'influence du niveau de courant sur les commutations moyelmant 6 paramètres supplémentaires. Les différentes méthodes de mesure pelmettant de déterminer les valeurs de ces paramètres sont détaillées. Enfin, la troisième et dernière partie valide le modèle à l'aide de l'outil de simulation Pspice. Une comparaison est faite avec d'autres modèles proposés dans la littérature.

Dans les domaines industriels et en particulier celui du transport, le nombre et la puissance des équipements électriques et électroniques embarqués est en constante augmentation. L’alimentation des équipements électriques et la commande de ces actionneurs nécessitent l’utilisation de convertisseurs d’électronique de puissance à découpage dont la nature perturbatrice n’est plus à démontrer. Afin de prendre en compte la CEM dès la phase de conception d’un produit, les constructeurs doivent disposer d’outils dédiés à la CEM ou à défaut de règles ou techniques de conception spécifiques. C’est dans l’optique de répondre à ces besoins que se sont orientés ces travaux de thèse.La première partie des travaux traite de la modélisation des perturbations conduites des organes de puissance d’une chaîne de traction : un ensemble convertisseur / machine synchrone à rotor bobiné. Cette étude a conduit à un modèle CEM générique d’une structure non isolée quelconque d’électronique de puissance. La deuxième partie a permis de développer une nouvelle méthode de calcul qui ouvre de réelles perspectives quant à la réduction des temps de calcul. Par l’observation et l’étude de signaux sur différents horizons temporels, une technique de reconstitution des perturbations de mode commun par convolution a été proposée. Une troisième partie, consiste à synthétiser les sources de perturbations grâce à l’élaboration de fonctions de transfert décrivant le comportement haute fréquence d’une cellule de commutation. Cette approche immédiatement exploitable en simulation numérique se distingue dans la mesure où elle permet de s’affranchir des non linéarités intrinsèques des composants semi-conducteurs. / In the transport field, whether road, rail, marine or aeronautic, the number and power of embedded electric or electronic devices are constantly increasing. New features, often developed for passengers comfort, are responsible for this increase. Moreover, many actuators which were previously mechanical, thermal or hydraulic are replaced by electrical ones. Those new actuators need an electrical power supply which most of the time rely on power electronics. It is well known that this kind of device generate high levels of disturbances. In order to take into account the electromagnetic compatibility (EMC) at the design stage of a product, builders need tools adapted to EMC or specific conception rules. The work performed during this thesis is geared in order to meet these needs.The first part deals with the modeling of conducted electromagnetic interferences (EMI) of an electrical power train mainly composed by power electronics converter and a wound rotor synchronous machine. Thanks to this study, a generic model of any non-insulated structure of power electronics was developed. The second part consists in developing a new computing method which allows to reduce the time of computing. Based on the observation of signals on different time intervals, a reconstruction technique by convolution product is proposed and applied for a common mode current. The third part deals with the elaboration of sources of disturbances by transfer functions which describe the high frequency behavior of a switching cell. This modeling is directly implementable in a circuit simulation software as it allows to linearize the intrinsic non linear behavior of the semiconductor components.

Dans le contexte de la prédétermination des pertes ,par commutation et des perforrnanc CEM (Comptabilité ElectroMagnétique) des convertisseurs statiques d'Electronique de Puissance lors de la phase de conception technologique, cette thèse est consacrée à l'élaboration d'un modèle précis de la cellule de commutation MOSFET-Diode pin. Dans ce~e étude trois aspects ayant d'importantes influences sur les formes d'ondes temporelles des commutations aussi biencle la partie puissance que celle de cornritande sont traitées: 1 i) Les interconnexions et des éléments parasites li~es à rimplantation géométrique et au choix de la technologie de réalisation des convertisseurs statiques ii) La dynamique des charges dans la base large des composants bipolaires semiconducteurs (ici la diode pin) qui est de nature distribuée Hi) Les capacités non-linéaires parasites de MOSFET et en particulier la capacité d'entrée et Miller intervenant lors de commutation Le modèle de cellule de commutation est validé en comparant les simulations effectuées avec les mesures sur le prototype réalisé à cette fin. Il a été montré que le domaine de validité du modèle est beaucoup plus large par rapport aux modèles existants:. le modèle est relativement robuste devant les changements des conditions de circuit environnant des composants semiconducteurs et les variations du point de fonctionnement. Des applications réelles présentées au dernier chapitre ont pour but de montrer d'une part l'importance de l'environnement parasite des semiconducteurs dans la modélisation, fme des convertisseurs statiques et d'autre part la possibilité de rendre compatible le modèle aux cas plus complexes (plusieurs interrupteurs en parallèle).

Dans les domaines industriels et en particulier celui du transport, le nombre et la puissance des équipements électriques et électroniques embarqués est en constante augmentation. L'alimentation des équipements électriques et la commande de ces actionneurs nécessitent l'utilisation de convertisseurs d'électronique de puissance à découpage dont la nature perturbatrice n'est plus à démontrer. Afin de prendre en compte la CEM dès la phase de conception d'un produit, les constructeurs doivent disposer d'outils dédiés à la CEM ou à défaut de règles ou techniques de conception spécifiques. C'est dans l'optique de répondre à ces besoins que se sont orientés ces travaux de thèse.La première partie des travaux traite de la modélisation des perturbations conduites des organes de puissance d'une chaîne de traction : un ensemble convertisseur / machine synchrone à rotor bobiné. Cette étude a conduit à un modèle CEM générique d'une structure non isolée quelconque d'électronique de puissance. La deuxième partie a permis de développer une nouvelle méthode de calcul qui ouvre de réelles perspectives quant à la réduction des temps de calcul. Par l'observation et l'étude de signaux sur différents horizons temporels, une technique de reconstitution des perturbations de mode commun par convolution a été proposée. Une troisième partie, consiste à synthétiser les sources de perturbations grâce à l'élaboration de fonctions de transfert décrivant le comportement haute fréquence d'une cellule de commutation. Cette approche immédiatement exploitable en simulation numérique se distingue dans la mesure où elle permet de s'affranchir des non linéarités intrinsèques des composants semi-conducteurs.

Un des défis de l'Electronique de Puissance moderne est la Compatibilité Electromagnétique (CEM). Devant l'accroissement de la rapidité de commutation, le câblage devient un composant à part entière. Il doit donc être modélisé. L'objectif de ce travail est de montrer qu'il est possible à l'heure actuelle de simuler entièrement un convertisseur moderne, en tenant compte des imperfections dues au câblage (simulation fine). Les formes d'ondes en commutation obtenues sont suffisamment précises pour prédire les performances vis-à-vis de la CEM. Cependant, ce type de simulation est relativement long, et cette approche doit être réservée à la vérification de l'implantation technologique [male. Elle ne peut servir d'aide au concepteur. C'est pourquoi des modèles analytiques plus simples sont développés à partir de l'analyse des résultats de simulation fine. Ces modèles, d'une bonne précision, font intervenir des paramètres technologiques, et peuvent servir d'aide à la conception. Les deux approches ont été appliquées à un convertisseur réalisé sur Circuit Imprimé et en technologie Substrat Métallique Isolé (SMI). L'influence d'une capacité de découplage sur le niveau des perturbations conduites a également été examinée dans les deux cas.

Dans le domaine de l'intégration hybride de puissance, l'opération de câblage des dispositifs semi-conducteurs de puissance est la cause de fortes interactions électriques parasites entre les inductances de connexion, les capacités parasites par rapport au plan de masse, les dispositifs de puissance eux même et leur électronique de commande rapprochée. Ces interactions constituent une source de pollution et d'auto-perturbation EMI d'une part et un facteur de limitation des performances et de la fiabilité d'autre part. La voie de l'intégration monolithique de puissance au sein d'un même cristal constitue une approche intéressante permettant de solutionner simultanément l'ensemble des problèmes induits par l'intégration hybride. Dans ce cadre, les travaux de cette thèse visent à étudier la faisabilité d'une approche d'intégration monolithique intermédiaire où une structure générique multiphasée est décomposée et intégrée sous la forme de deux macro-puces, chacune vient intégrer un réseau d'interrupteurs multiphasés partageant au moins une électrode commune. Chaque macro-puce est un "aiguilleur de courant" déclinée en deux versions : une version "high-side" à anode commune/face arrière de la macro-puce et une version "low-side" à cathode commune/face avant de la macro-puce. Ce mode d'intégration adresse des applications de conversion d'énergie de type DC/AC, AC/DC ou encore des interrupteurs de puissance quatre segments de faible et moyenne puissance. L'étude comporte : la modélisation par simulations physiques/électriques 2D de structures de puces proposées, la validation de la fonctionnalité recherchée sur le plan semi-conducteur (structure physique) et système (circuit électrique), la réalisation de puces "prototype" en salle blanche du LAAS puis les caractérisations préliminaires sous pointes et enfin l'étude de solutions d'assemblage 2D et 3D des puces réalisées sur substrat SMI/DBC constituant à terme des modules de puissance ultra compacts. Les perspectives scientifiques à ce travail reposent sur une approche d'intégration monolithique "ultime" des cellules de commutation au sein d'une seule puce. Cette approche reposerait sur la réunion et sur un agencement original des deux aiguilleurs initialement étudiés et profite des résultats de comparaison de leurs techniques d'assemblage.

Actuellement, le module de puissance (convertisseur de puissance) standard hybride 2D est la technologie de référence qui domine le marché de la moyenne et de la forte puissance. Ce dernier se présente sous la forme d'un boitier à multi-puces discrètes. Les puces à semi-conducteur sont reliées entre elles par des faisceaux de wire-bonding (câblage par fils) pour former des cellules de commutation. La technologie d'interconnexion wire-bonding présente une grande maturité technologique, et ses modes de défaillance sont bien connus aujourd'hui. Toutefois, cette technologie est un facteur limitant en termes de performances électrique et thermomécanique, d'intégrabilité tridimensionnelle et de productivité. Ces travaux de thèse ont pour objectif de proposer et d'étudier de nouvelles architectures de convertisseurs de puissance très intégrés. Comparée à la technologie hybride, dite de référence, les architectures proposées visent à un degré d'intégration plus poussé, avec un effort d'intégration partagé et conjoint au niveau semi-conducteur (intégration monolithique) et au niveau assemblage (intégration hybride). L'intégration monolithique consiste à intégrer les interrupteurs formant les cellules de commutation dans de nouvelles architectures de puces, passant ainsi de la notion de puce dipôle à celle de macro-puce multi-pôle. L'intégration hybride repose sur le développement de nouvelles technologies de report et d'assemblage de ces macro-puces. Pour valider les trois nouvelles architectures d'intégrations proposées, la démarche a consisté dans un premier temps à étudier et valider le fonctionnement des nouvelles puces par des simulations SentaurusTM TCAD. Ensuite, les puces multi-pôles ont été réalisées en s'appuyant sur la filière IGBT disponible dans la plateforme de micro-fabrication du LAAS-CNRS. Pour finir, les puces ont été reportées sur des cartes PCB, afin de réaliser des circuits de conversions prototypes. La maille de commutation très intégrée proposée présente une inductance parasite inférieure au nanohenry, ce qui est remarquable comparée à ce qui est présenté dans l'état de l'art (env. 20 nH). / Currently, the standard 2D hybrid power module (power converter) is the reference technology for the medium and high power market. This hybrid power module is a discrete multi-chip case. The semi-conductor chips are interconnected by wire-bonding to form switching cells. The wire-bonding interconnection technology is a limiting factor in terms of electrical and thermomechanical performances, three-dimensional integrability and productivity. The aim of this thesis is to study new architectures of very integrated power converters. Compared to the so-called hybrid reference technology, the proposed architectures aim at a greater degree of integration, with an integration at both the semi-conductor level (monolithic integration) and the packaging level (hybrid integration). Monolithic integration consists in integrating switching cells into new multi-terminal macro-chip architectures. Hybrid integration consists in developing of new technologies to assemble these macro-chips. To validate the different proposed integration architectures, the first step was to study and validate the operating modes of the new chips by SentaurusTM TCAD simulations. Then, the multi-terminal chips were realized in the micro and nanotechnology platform of LAAS-CNRS laboratory. Finally, the chips were bonded on PCB substrates to realize power converter circuit prototypes. The highly integrated switching loop presents a stray inductance loop lower than one nanohenry, wich is an important improvement as compared to the values reported in literature (about 20 nH).