Cette thèse porte sur la caractérisation, la modélisation et l'analyse des phénomènes de «Pulling» et de «Pushing» dans les systèmes de boucles à verrouillage de phase (PLL), utilisant une approche globale où les effets de couplages électromagnétiques aux différents niveaux d'intégration (niveau puce, niveau assemblage, niveau report sur PCB) sont pris en compte de manière distribuée. L'approche de modélisation adopte une méthodologie hybride où l'analyse des couplages électromagnétiques combinée à des schémas équivalents large-bande (compatibles avec les modèles de composants actifs disponibles dans les librairies) est couplée à des représentations comportementales dynamiques. Les représentations comportementales développées permettent de capturer des effets de non-linéarités tant au niveau composant (caractéristique non-linéaire des Varicap en fonction des tensions de contrôle) qu'au niveau block de fonction (gain KVCO non uniforme de l'oscillateur contrôlé en tension (VCO) en fonction de la fréquence).Cette méthodologie hybride permet l'évaluation d'effets compétitifs résultant de phénomènes de «pulling» et de «Pushing» au niveau de la puce (influence de la PLL, effets de l'amplificateur de puissance, intégrité des alimentations ou distribution des références de masse, etc.) , et des distorsions induites par des éléments extérieurs à la puce (exemple de composants sur PCB : Filtre SAW, capacités de découplages, réseaux d'adaptation).L'approche proposée est utilisée pour l'étude et la conception de deux types de circuits développés par NXP-semi-conducteurs pour des applications liées à la sécurité automobile (PLL fonctionnant aux alentours de 1.736GHz) et à la réception satellitaire (PLL de faible consommation fonctionnant à 9.75/10.6 GHz pour les circuits LNB).Les résultats de modélisation obtenus sont validés par corrélations avec les données expérimentales et par comparaison avec les résultats obtenus de différents outils (ADS Harmonic- Balance/Transient de Agilent, Spectre de Cadence / This thesis work focuses on characterization, modeling and analysis of «Pulling» and «Pushing» phenomena in Phase Locked Loops (PLL) based on a global approach where distributed effects of electromagnetic couplings at different integration levels (chip-level, assembly-level, board or PCB-level) are taken into account. The modeling approach adopts a hybrid methodology where the analysis of electromagnetic couplings combined with broadband equivalent circuit synthesis (compatible with library models of active components) is coupled with dynamic behavioral representations. The derived behavioral representations properly capture the effects of nonlinearities both at component scale (non-linear characteristic of varicap as function of control voltages) and at function block level (non-uniform gain KVCO of VCO circuits depending on frequency).The hybrid methodology renders possible the assessment of competitive effects resulting from «Pulling» and «Pushing» phenomena at chip level (influence of the PLL, effects of the power amplifier, power integrity, or ground reference distribution, etc..), and the distortions induced by components external to the chip at package and board levels (such as components on PCB: SAW filters, decoupling capacitors, matching networks).The proposed approach is used for the study and design of two types of circuits developed by NXP- Semiconductors, for applications related to automotive security and immobilization (an RF low power transceiver Integrated Circuit (PLL running around 1.763GHz), and to satellite receiver (PLL operating at low power for LNB circuits working at 9.75/10.6 GHz).The obtained modeling results are validated by correlation with experimental data and by comparison with different time-domain and frequency-domain simulation tools results (ADS-Harmonic Balance, ADS-Shooting solutions, Cadence-Spectre)

Ces travaux de thèse concernent le développement de combineur de puissance faibles pertes et compact selon une architecture planaire pour des applications amplificateur de forte puissance à état solide en bande X. La conception du combineur de puissance s’appuie sur l’étude de structures multicouches faibles pertes et compactes en triplaque à air suspendu. Une étude électromagnétique et thermique est proposée pour déterminer les performances de ces structures de transmission dans la bande X. Un système de refroidissement est également mis en place pour permettre aux structures de transmission de tenir des puissances moyenne de l’ordre de 50 W. La réalisation et la caractérisation de ces structures triplaques à air ont permis de démontrer les caractéristiques de faibles pertes et de compacité de ces circuits imprimés. Cette technologie triplaque à air suspendue est alors compatible pour des applications de forte puissance comme les émetteurs à état solide. / This PhD thesis deals with planar architecture design development of low loss and compact power combiner for solid-state high power amplification in X-band. The design is based on the study of innovative multilayer air dielectric stripline transmission structures. A reliable printed circuit process allows to obtain low loss, compact and replicable stripline structures. Electromagnetic FEM and thermal studies are proposed to evaluate transmission structures performances in X-band. Two compact and scalable structures were developed and may be integrated into complex multilayer systems. Finally a cooling system with periodic ceramic contacts is developed to improve the power handling capability of these stripline structures up to 50 W. The study, development and benchmark of these stripline structures demonstrated their compactness and low loss behaviour. Ultimately, these attributes make them excellent candidates for high power solid-state emitters.

Le projet industriel français MEGaN vise le développement de module de puissance à base de compostant HEMT en GaN. Une des application industrielle concerne l’aéronautique avec une forte contrainte en isolation galvanique (>100 kV/s) et en température ambiante (200°C). Le travail de thèse a été concentré sur une brique module de puissance (bras d’onduleur 650 V 30 A). L’objectif est d’atteindre un prototype de facteur de forme peu épais, 30 cm2 et embarquant l’ensemble des fonctions driver, alimentation de driver, la capacité de bus et capteur de courant phase. Cet objectif implique un fort rendement énergétique, et le respect de l’isolation galvanique alors que la contrainte en surface est forte. Le manuscrit, outre l’état de l’art relatif au module de puissance et notamment celui à base de transistor GaN HEMT, aborde une solution d’isolation de signaux de commande à base de micro-transformateur. Des prototypes de micro-transformateur ont été caractérisés et vieillis pendant 3000 H pour évaluer la robustesse de la solution. Les travaux ont contribué à la caractérisation de plusieurs composants GaN afin de mûrir des modèles pour la simulation circuit de topologie de convertisseur. Au sein du travail collaboratif MEGaN, notre contribution ne concernait pas la conception du circuit intégré (driver de grille), tout en ayant participé à la validation des spécifications, mais une stratégie d’alimentation du driver de grille. Une première proposition d’alimentation isolée pour le driver de grille a privilégié l’utilisation de composants GaN basse-tension. La topologie Flyback résonante avec clamp permet de tirer le meilleur parti de ces composants GaN mais pose la contrainte du transformateur de puissance. Plusieurs technologies pour la réalisation du transformateur ont été validées expérimentalement et notamment une proposition originale enfouissement du composant magnétique au sein d’un substrat polymère haute-température. En particulier, un procédé de fabrication peu onéreux permet d’obtenir un dispositif fiable (1000 H de cyclage entre - 55 ; + 200°C), avec un rendement intrinsèque de 88 % pour 2 W transférés. La capacité parasite d’isolation est réduite par rapport aux prototypes précédent. Deux prototypes d’alimentations à forte intégration utilisent soit les transistors GaN basse tension (2.4 MHz, 2 W, 74 %, 6 cm2), soit un circuit intégré dédié en technologie CMOS SOI, conçu pour l’application (1.2 MHz, 2 W, 77 %, 8.5 cm2). Le manuscrit propose par la suite une solution intégrable de mesure de courant de phase du bras de pont, basé sur une magnétorésistance. La comparaison expérimentale vis à vis d’une solution à résistance de shunt. Enfin, deux prototypes de convertisseur sont décrits, dont une a pu faire l’objet d’une validation expérimentale démontrant des pertes en commutation réduites. / The french industrial project MEGaN targets the development of power module based on GaN HEMT transistors. One of the industrial applications is the aeronautics field with a high-constraint on the galvanic isolation (>100 kV/s) and ambient temperature (200°C). The intent of this work is the power module block (3 phases inverter 650 V 30 A). The goal is to obtain a small footprint module, 30 cm2, with necessary functions such as gate driver, gate driver power supply, bulk capacitor and current phase sensor. This goal implies high efficiency as well as respect of the constraint of galvanic isolation with an optimized volume. This dissertation, besides the state of the art of power modules and especially the GaN HEMT ones, addressed a control signal isolation solution based on coreless transformers. Different prototypes based on coreless transformers were characterized and verified over 3000 hours in order to evaluate their robustness. The different studies realized the characterization of the different market available GaN HEMTs in order to mature a circuit simulation model for various converter topologies. In the collaborative work of the project, our contribution did not focus on the gate driver chip design even if experimental evaluation work was made, but a gate driver power supply strategy. The first gate driver isolated power supply design proposition focused on the low-voltage GaN HEMT conversion. The active-clamp Flyback topology allows to have the best trade-off between the GaN transistors and the isolation constraint of the transformer. Different transformer topolgies were experimentally performed and a novel PCB embedded transformer process was proposed with high-temperature capability. A lamination process was proposed for its cost-efficiency and for the reliability of the prototype (1000 H cycling test between - 55; + 200°C), with 88 % intrinsic efficiency. However, the transformer isolation capacitance was drastically reduced compared to the previous prototypes. 2 high-integrated gate driver power supply prototypes were designed with: GaN transistors (2.4 MHz, 2 W, 74 %, 6 cm2), and with a CMOS SOI dedicated chip (1.2 MHz, 2 W, 77 %, 8.5 cm2). In the last chapter, this dissertation presents an easily integrated solution for a phase current sensor based on the magnetoresistance component. The comparison between shunt resistor and magnetoresistance is experimentally performed. Finally, two inverter prototypes are presented, with one multi-level gate driver dedicated for GaN HEMT showing small switching loss performance.