Avec la tendance continue vers la technologie nanométrique et l'augmentation des fonctions complexes intègres dans les électroniques systèmes embarqués, Assurant la compatibilité électromagnétique (CEM) des systèmes électroniques est un grand défi. CEM est devenu une cause majeure de redesign des Circuits intègres (CI). D’ailleurs, les performances des circuits pourraient être affectés par les mécanismes de dégradation tels que hot carrier injection (HCI), negative bias temperature instability (NBTI), gate oxide breakdown, qui sont accélérés par les conditions d'exploitation extrême (haute / basse température, surcharge électrique, le rayonnement). Ce vieillissement naturel peut donc affecter les performances CEM des circuits intégrés.Les travaux développés dans notre laboratoire vise à clarifier le lien entre les dégradations induites par le vieillissement et les dérives CEM, de développer les modèles de prédiction et de proposer des "insensibles au cours du temps" structures pour CEM protection, afin de fournir des méthodes et des guidelines aux concepteurs d'équipements et CI pour garantir la CEM au cours de durée de vie de leurs applications. Ce sujet de recherche est encore sous-exploré en tant que communautés de recherche sur la «fiabilité IC» et «compatibilité électromagnétique IC» n’a souvent pas de chevauchement.Ce manuscrit de thèse introduit une méthode pour quantifier l'effet du vieillissement sur les CEM des circuits intégrés par la mesure et la simulation. Le premier chapitre donne un aperçu du contexte général et le deuxième chapitre est dédié a l’état de l'art de CEM des circuits intégrés et de problèmes de fiabilité IC. Les résultats expérimentaux de circuits CEM évolution sont présentés dans le troisième chapitre. Ensuite, le quatrième chapitre est consacré à la caractérisation et la modélisation des mécanismes de dégradation du CI. Un EMR modèle qui inclut l'élément le vieillissement pour prédire la dérive du niveau CEM de notre puce de test après stress est proposé / With the continuous trend towards nanoscale technology and increased integration of complex electronic functions in embedded systems, ensuring the electromagnetic compatibility (EMC) of electronic systems is a great challenge. EMC has become a major cause of IC redesign. Meanwhile, ICs performance could be affected by the degradation mechanisms such as hot carrier injection (HCI), negative bias temperature instability(NBTI), gate oxide breakdown, which are accelerated by the harsh operation conditions (high/low temperature, electrical overstress, radiation). This natural aging can thus affect EMC performances of ICs. The work developed in our laboratory aims at clarifying the link between ageing induced IC degradations and related EMC drifts, developing prediction models and proposing “time insensitive” EMC protection structures, in order to provide methods and guidelines to IC and equipment designers to ensure EMC during lifetime of their applications. This research topic is still under-explored as research communities on “IC reliability” and “IC electromagnetic compatibility” has often no overlap. The PhD manuscript introduced a methodology to quantify the effect of ageing on EMC of ICs by measurement and simulation. The first chapter gives an overview of the general context and the second chapter states the EMC of ICs state of the art and IC reliability issues. The experimental results of ICs EMC evolution are presented in the third chapter. Then, the fourth chapter is dedicated to the characterization and modeling IC degradation mechanism. An EMR model which includes the ageing element to predict our test chip’s EMC level drift after stress is proposed

Le développement de l'électronique dans les systèmes embarqués à application aéronautique, spatial, ou encore automobile est alimenté par des performances croissantes, une intégration poussée et des coûts attractifs, permettant aux industriels d'offrir des solutions techniques et économiques concurrentielles. Néanmoins, cette évolution rapide nécessite une remise en cause permanente des méthodes de conception des systèmes embarqués, dont on doit garantir la maîtrise du comportement dans des environnements sévères. En particulier, la maîtrise de la compatibilité électromagnétique (CEM) est un élément clé de la réussite des challenges d'intégration et d'évolution technologique. Cette étude décrit les différentes phases de modélisation de l’immunité d’un circuit intégré analogique, basée sur les informations techniques non confidentielles données par le fabricant du circuit intégré et l’extraction des modèles électriques des éléments du circuit imprimé. Notre travail apporte un cas d’étude dans le cadre d’une proposition de norme "IEC" (International Electrotechnical Commission) sous la référence IEC-62433. De plus, dans ce mémoire, nous mettons en évidence l’impact du vieillissement des composants électroniques sur les performances CEM. Différentes technologies et types de circuits intégrés sont étudiés pour apporter une analyse qualitative sur l’évolution des paramètres CEM après une certaine durée de vie. Nous proposons une méthodologie de qualification pour apprécier l’évolution des marges CEM sous la dénomination « fiabilité électromagnétique ». Cette méthode, basée sur des procédés expérimentaux et statistiques, permet de caractériser l’impact du vieillissement des composants électroniques sur les paramètres CEM. Ces travaux mettent en évidence l’intérêt d’introduire le facteur « effet du temps » dans nos modèles d’immunité afin de garantir la compatibilité électromagnétique de nos systèmes électroniques embarqués tout au long de leur profil de mission / The development of electronic embedded systems in aerospace application, spatial, or automotive is powered by increased performance, advanced integration and attractive prices, enabling manufacturers to offer technical solutions and economic competitiveness. However, this rapid evolution necessitates a questioning of permanent methods of designing embedded systems that must guarantee the control of behavior in severe environments. In particular, the control of electromagnetic compatibility "EMC" is importante of successful challenges of integration and evolution technology. This study describes the various stages of immunity modeling an analog integrated circuit, based on non-confidential technical information given by the manufacturer of the integrated circuit and models extraction of electrical printed circuit board. Our work provides a case study in the context of standard proposal "IEC" (International Electrotechnical Commission) under reference IEC-62433. Moreover, in this repport we show the impact of aging electronic components on EMC performance. Different types of technologies and integrated circuits are designed to provide a qualitative analysis on the evolution of EMC parameters after a period lifetime. We propose a methodology for qualification of the evolution of EMC margins under the name "electromagnetic reliability". This method, based on experimental methods and statistics, used to characterize the impact of the aging of electronics components on the EMC parameters. These works demonstrate the interest of introducing the factor "time effect" in our immunity models to ensure the electromagnetic compatibility of our electronics systems throughout their mission profile

Les éléments constituant la chaîne de traction sont le plus souvent dissocies et indépendants entre eux (pack de batteries, convertisseur de traction et moteur). L'utilisation des convertisseurs en cascade en tant que convertisseurs de traction a été le cœur de ces travaux de thèse. Les performances énergétiques des convertisseurs en cascade et de l'onduleur de tension classique ont été comparées sur un cycle de conduite normalisé pour différentes configurations sur les convertisseurs de puissance (niveau de tension mis en jeu dans la chaîne de traction, variation du nombre d'onduleurs connectés en série pour les convertisseurs en cascade et variation du nombre de semi-conducteurs en parallèle pour réaliser la fonction des interrupteurs de puissance dans les convertisseurs). D'autres convertisseurs d'électronique de puissance sont nécessaires pour le bon fonctionnement d'un véhicule électrique. L'un de ces convertisseurs est le chargeur de batteries qui puise l'énergie du réseau électrique pour venir recharger les batteries du véhicule. Un autre est le système de monitoring des batteries qui permet d'assurer un équilibrage et un état de charge uniforme entre les différentes cellules qui composent le pack de batteries du véhicule. Dans une optique de mutualisation de fonction du convertisseur de puissance, les convertisseurs en cascade ont été étudiés pour assurer la fonction de chargeur et d'équilibreur lorsque la traction du véhicule n'est pas utilisée. / The elements that can be found in traction chain are usually separate and independent between them (battery pack, traction converter and motor). The use of cascaded inverter in order to drive the vehicle has been the heart of this thesis. The energy performance of cascaded inverter and classical voltage source inverter were compared on a standardized driving cycle for different power converters configurations (voltage level for the traction chain, variation of the number serial inverter for cascaded H-bridge and different number of semiconductors in parallel to do the function of the power switches in converters). Other power electronic converters are necessary for the electrical vehicle. One of these converters is the battery charger which tranfer energy from the network to the vehicle's batteries. Another is the battery monitoring system that ensures a balance and uniform state between the different cells which make up the battery pack of the vehicle. With an objective of increasing the function of the power converter, cascaded H-bridge have been designed to provide the function of charger and balance the battery cell when the traction chain of the vehicle is not used.

Le développement de la technologie des semi-conducteurs dans les trente dernières années a augmenté le nombre des nouvelles applications dans lesquelles les dispositifs d’électronique de puissance sont utilisés. L'augmentation de la rapidité de commutation des transistors a permis que la conversion de puissance se produise de façon de plus en plus performante. Cet avantage apporte un nouveau challenge dans la phase de conception, lié à la Compatibilité Électromagnétique. En effet, les impulsions rapides de tension et courant dans les convertisseurs de puissance sont une source d’émissions électromagnétiques conduites indésirables. Des méthodologies de modélisation précises, qui prennent en compte une grande partie des effets parasites, ont été développées pour évaluer le niveau de ces émissions conduites. Lorsque ces méthodologies sont confrontées aux mesures, les résultats sont en concordance dans une large gamme de fréquence, elles peuvent donc être considérées comme des outils fiables de pronostic. Néanmoins, la plupart des paramètres du modèle d’un système électronique ne peuvent pas réellement être déterminés précisément : les conditions d’opération sont souvent mal connues (variations de température ou d'humidité) ; les paramètres caractéristiques des composants présentent une certaine dispersion de production ; des interférences externes sont imprévisibles. Dans ce contexte, il est intéressant de développer des méthodologies de modélisation qui soient capables de prendre en compte des incertitudes paramétriques. Dans cette thèse, deux méthodologies d’analyse d’incertitudes, adaptées aux convertisseurs de puissance, sont proposées. Les incertitudes paramétriques sont modélisées en utilisant des fonctions de densité de probabilité et l’objectif de l’analyse proposée est de déterminer les moments statistiques, la fonction de densité de probabilité ou la limite supérieure probabiliste des émissions conduites d’un convertisseur de puissance quelconque. Des techniques pour aborder les difficultés liées aux non-linéarités, au temps de simulation important et au nombre élevé de dimensions sont discutées. Les méthodologies proposées sont appliquées à des problèmes test et à des problèmes réels, et les résultats sont comparés aux méthodologies classiques. La précision des résultats des méthodologies proposées est similaire aux techniques classiques, mais le temps de calcul est considérablement réduit. Finalement, ce travail ouvre des possibilités de développements nouveaux pour l’analyse des incertitudes des systèmes non-linéaires et à grande échelle. / The development of semiconductor technology in the last decades has boosted numerous new applications in which power electronic devices have been employed. The fast switching of transistors has allowed power conversion to be performed with high efficiency. However, this improvement brought a new challenge in design: the Electromagnetic Compatibility. Both fast pulses of voltage and current, inside power converters, are a source of unwanted conducted electromagnetic emissions. High accurate modeling methodologies, which takes into account most of the parasitic phenomena, have been developed, in order to compute the level of conducted emissions of electronic devices. When these methods are confronted with measurement, they show good agreement in a large frequency range, and thus they are considered a trustful prediction tool for electronic systems design. Nevertheless, most of the parameters of the model of any electronic system, in reality, cannot be determined precisely, due to unknown operation conditions (i.e.: temperature or humidity variations), production dispersion of the components or unpredictable external interference. In this context, it is of great interest to develop modeling methodologies that are able to take into account parametric uncertainties. In this thesis, two methodologies for uncertainty analysis of power converters are proposed. In the first, namely Polynomials per Frequency, the parametric uncertainty is modeled using probability density functions and the objective of the proposed analysis is to determine the statistical moments, the probability density function or a probabilistic upper bound for the conducted emissions of an arbitrary power converter. In the second methodology, namely Adaptive Unscented Transform, techniques to tackle the difficulties of nonlinearity, long simulation time and high-dimensionality are discussed. The proposed methodologies are applied to benchmark and real-world problems and the results are confronted to classical approaches. The accuracy of the gotten results is similar to those obtained by classical methods, although the required computational time is significantly reduced. Finally, this work leaves many possibilities for further development in the field of uncertainty analysis of nonlinear and highdimensional systems. / O desenvolvimento da tecnologia de semicondutores nas últimas décadas proporcionou um aumento no número de novas aplicações, nas quais dispositivos de eletrônica de potência são empregados. A rápida comutação dos transistores permitiu que a conversão de potência seja realizada com alta eficiência. Entretanto, esse benefício trouxe um novo desafio na fase de projeto: a Compatibilidade Eletromagnética. Os rápidos pulsos de tensão e corrente dentro dos conversores de potência são uma fonte indesejada de emissões eletromagnéticas conduzidas. Metodologias de modelagem de alta precisão, que consideram grande parte dos efeitos parasitas, foram desenvolvidas para avaliar o nível de emissões conduzidas de dispositivos eletrônicos. Estas metodologias, quando comparadas às medições, apresentam boa concordância numa ampla faixa de frequência, e portanto elas são consideradas ferramentas de previsão confiáveis para projeto de sistemas eletrônicos. Não obstante, a maioria dos parâmetros do modelo de um sistema eletrônico, na realidade, não podem ser determinados precisamente, devido às condições de operação incertas (por exemplo, variação de temperatura ou umidade), à dispersão de produção dos componentes ou à interferência externa imprevisível. Neste contexto, existe um grande interesse em desenvolver metodologias de modelagem que sejam capazes de levar em consideração incertezas paramétricas. Nesta tese, duas metodologias de análise de incertezas para conversores de potência são propostas. Na primeira, denominada Polinômios por Frequência, as incertezas paramétricas são modeladas usando funções densidade de probabilidade e o objetivo da análise proposta é determinar os momentos estatísticos, a função densidade de probabilidade ou o limite superior probabilístico das emissões conduzidas de um conversor de potência arbitrário. Na segunda, denominada Transformada de Incerteza Adaptativa, técnicas para abordar as dificuldades de nãolinearidade, tempo de simulação longo e alto número de dimensões são discutidas. As metodologias propostas são aplicadas em problemas teste e problemas do mundo real e os resultados são confrontados com metodologias clássicas. A precisão dos resultados das metodologias propostas é similar às técnicas clássicas, embora o tempo computacional necessário é significantemente reduzido. Finalmente, este trabalho deixa em aberto várias possibilidades para desenvolvimento adicional no campo da análise de incertezas de sistemas não-lineares e de alta-dimensão. / Развитие полупроводниковых технологий в последние десятилетия привело к росту числа новых приложений, в которых использовались силовые электронные устройства. Быстрое переключение транзисторов позволило силовой конверсии осуществляться с большей эффективностью. Однако это улучшение привело к новым сложностям в дизайне: Электромагнитная совместимость. Быстрое напряжение и токовые импульсы в силовых преобразователях являются источником нежелательного электромагнитного излучения. Высокоточные моделирующие методы, которые ведут учет большинства этих паразитарных явлений, были развиты для вычисления уровня управляемых излучений электронных устройств. Когда эти методы сопоставляются с измерениями, они показывают хорошее согласование в широком диапазоне частот, и, следовательно, они считаются надежным инструментом выявления для проектирования электронных систем. Тем не менее, большинство параметров модели любой электронной системы, в действительности, не могут быть точно определены при неизвестных условиях эксплуатации (т.е. температуры или влажности), производстве дисперсиикомпонентов или непредсказуемых внешних помехах. В этом контексте, это представляет большой интерес для разработки методов моделирования, которые способны учитывать параметрическую неопределенность. В этой диссертации предложены два метода анализа неопределенности силовых преобразователей. Параметрическая неопределенность моделируется с помощью функции плотности вероятности и цель предлагаемого анализа заключается в определении статистических моментов, функции плотности вероятности или вероятностной верхней границы кондуктивного излучения произвольного преобразователя питания. Техники по преодолению трудностей нелинейности, долгого времени симуляции и высокой размерности рассмотрены. Предлагаемые методики применяются для проверки и решения реальных проблем и результаты сравнимы с классическими подходами. Точность результатов похожа на классические методы, хотя время, требуемое для вычисления, существенно снижается. Наконец, эта работа оставляет много возможностей для дальнейшего развития в области неопределенности анализа нелинейных, многомерных систем.

Ce travail de thèse a pour objectif principal d'améliorer la sensibilité d'un micro-récepteur RMN implantable, utilisé dans le cadre de la micro-spectroscopie localisée in vivo. Dans la première partie de cette thèse, nous avons réexaminé la fabrication et modélisation de ce micro-récepteur par rapport à sa sensibilité. Parmi les deux procédés de fabrication proposés (électrodéposition du micro-récepteur avec un underpass sur un substrat de silicium et de verre), nous avons retenu celui-qui nous a permis d'obtenir les meilleures performances en termes de facteur de qualité. Les prototypes fabriqués avec ce procédé ont été caractérisés à l'aide d'un modèle que nous avons développé, basé sur une équation à coefficients polynomiaux. Ceux-ci ont été établis à partir de la simulation du layout du capteur et ont été réajustés en fonction des mesures. Ce modèle polynomial nous a conduits à un circuit équivalent du micro-récepteur, permettant d'approfondir l'étude de son comportement électrique en radio fréquences. La deuxième partie de ce travail est développée autour de l'association d'un amplificateur faible bruit (LNA) au plus près du micro-récepteur, afin d'améliorer sa sensibilité. Nous avons analysé l'état de l'art de l'amplification de micro-bobines RMN ainsi que l'interaction électromagnétique entre un circuit intégré et l'environnement RMN. En partant de cette analyse et des contraintes à remplir par le circuit d'adaptation (en termes de transmission de puissance, gain en tension et adaptation faible bruit), nous avons proposé un circuit d'amplification locale permettant d'améliorer la sensibilité du capteur. Nous avons validée notre démarche par simulation (avec notre micro-récepteur) et nous avons vérifié l'intérêt de celle-ci en RMN (avec une bobine de surface). Les résultats de ce travail nous ont permis d'établir des solutions concrètes pour atteindre la sensibilité nécessaire à nos applications / The aim of this thesis is to improve the sensitivity of an implantable micro NMR sensor, dedicated to the in vivo local micro-spectroscopy. In the first part of this thesis, we re-examined the design and modeling of this micro-sensor according to its sensitivity. We proposed two micromachining processes (electrodeposition of the micro-sensor with an underpass on a silicon and glass substrate) and we kept the one allowing the higher quality factor. The prototypes made with the chosen process were characterized thanks to a model that we developed, based in an equation with polynomial coefficients. These coefficients were determined from the layout of the sensor and were adapted to match the measurements. From this polynomial model, we proposed an equivalent circuit of the micro-sensor to have a better knowledge of its electrical behavior at high frequencies. The second part of this work is about the closer association of a low noise amplifier (LNA) with the micro-sensor to improve its sensitivity. We analyzed the state of art on the amplification of NMR micro-coils and the electromagnetic interaction between the integrated circuits ant the NMR environment. From this analysis and the conditions of the matching network (power transmission, voltage gain and low noise matching), we proposed a local amplification circuit achieving the sensitivity improvement of the sensor. This approach was validated by simulation (with our micro-sensor) and verified in an NMR system (with a surface coil). The results of this work allow us to set practical solutions to reach the required sensitivity of our applications

De nos jours, la plupart des analyses CEM d’équipements et systèmes électroniques sont basées sur des approches quasi-déterministes dans lesquelles les paramètres internes et externes des modèles sont supposés parfaitement connus et où les incertitudes les affectant sont prises en compte sur les réponses par le biais de marges de sécurité importantes. Or, l’inconvénient de telles approches est qu’elles sont non seulement trop conservatives, mais en outre totalement inadaptées à certaines situations, notamment lorsque l’objectif de l’étude impose de prendre en compte le caractère aléatoire de ces paramètres via des modélisations stochastiques appropriées de type variables, processus ou champs aléatoires. Cette approche probabiliste a fait l’objet ces dernières années d’un certain nombre de recherches en CEM, tant au plan national qu’au plan international. Le travail présenté dans cette thèse est une contribution à ces recherches et a un double objectif : (1) développer et mettre en œuvre une méthodologie probabiliste et ses outils numériques d’accompagnement pour l’évaluation de la fiabilité et l’analyse sensibilité des équipements et systèmes électroniques en se limitant à des modélisations stochastiques par variables aléatoires ; (2) étendre cette étude au cas des modélisations stochastiques par processus et champs aléatoires dans le cadre d’une analyse prospective basée sur la résolution de l’équation aux dérivées partielles des télégraphistes à coefficients aléatoires.L’approche probabiliste mentionnée au point (1) consiste à évaluer la probabilité de défaillance d’un équipement ou d’un système électronique vis-à-vis d’un critère de défaillance donné et à déterminer l’importance relative de chacun des paramètres aléatoires en présence. Les différentes méthodes retenues à cette fin sont des adaptations à la CEM de méthodes développées dans le domaine de la mécanique aléatoire pour les études de propagation d’incertitudes. Pour le calcul des probabilités de défaillance, deux grandes catégories de méthodes sont proposées : celles basées sur une approximation de la fonction d’état-limite relative au critère de défaillance et les méthodes de Monte-Carlo basées sur la simulation numérique des variables aléatoires du modèle et l’estimation statistique des probabilités cibles. Pour l’analyse de sensibilité, une approche locale et une approche globale sont retenues. Ces différentes méthodes sont d’abord testées sur des applications académiques afin de mettre en lumière leur intérêt dans le domaine de la CEM. Elles sont ensuite appliquées à des problèmes de lignes de transmission et d’antennes plus représentatifs de la réalité.Dans l’analyse prospective, des méthodes de résolution avancées sont proposées, basées sur des techniques spectrales requérant les développements en chaos polynomiaux et de Karhunen-Loève des processus et champs aléatoires présents dans les modèles. Ces méthodes ont fait l’objet de tests numériques encourageant, mais qui ne sont pas présentés dans le rapport de thèse, faute de temps pour leur analyse complète. / Nowadays, most EMC analyzes of electronic or electrical devices are based on deterministic approaches for which the internal and external models’ parameters are supposed to be known and the uncertainties on models’ parameters are taken into account on the outputs by defining very large security margins. But, the disadvantage of such approaches is their conservative character and their limitation when dealing with the parameters’ uncertainties using appropriate stochastic modeling (via random variables, processes or fields) is required in agreement with the goal of the study. In the recent years, this probabilistic approach has been the subject of several researches in the EMC community. The work presented here is a contribution to these researches and has a dual purpose : (1) develop a probabilistic methodology and implement the associated numerical tools for the reliability and sensitivity analyzes of the electronic devices and systems, assuming stochastic modeling via random variables; (2) extend this study to stochastic modeling using random processes and random fields through a prospective analysis based on the resolution of the telegrapher equations (partial derivative equations) with random coefficients. The first mentioned probabilistic approach consists in computing the failure probability of an electronic device or system according to a given criteria and in determining the relative importance of each considered random parameter. The methods chosen for this purpose are adaptations to the EMC framework of methods developed in the structural mechanics community for uncertainty propagation studies. The failure probabilities computation is performed using two type of methods: the ones based on an approximation of the limit state function associated to the failure criteria, and the Monte Carlo methods based on the simulation of the model’s random variables and the statistical estimation of the target failure probabilities. In the case of the sensitivity analysis, a local approach and a global approach are retained. All these methods are firstly applied to academic EMC problems in order to illustrate their interest in the EMC field. Next, they are applied to transmission lines problems and antennas problems closer to reality. In the prospective analysis, more advanced resolution methods are proposed. They are based on spectral approaches requiring the polynomial chaos expansions and the Karhunen-Loève expansions of random processes and random fields considered in the models. Although the first numerical tests of these methods have been hopeful, they are not presented here because of lack of time for a complete analysis.

Les composants magnétiques en technologie planar répondent aux exigences actuelles de l’Electronique de Puissance (EP), à savoir la montée en fréquence de commutation des structures d’EP et la réduction du volume des convertisseurs. La première tendance impose des contraintes fortes en termes de compatibilité électromagnétique (CEM) des équipements. Ces dernières doivent être prises en compte par les ingénieurs dès la phase conception des convertisseurs en se basant sur des modèles fiables, peu développés pour les composants planar dans la littérature scientifique. Ce travail de thèse porte ainsi sur la modélisation des composants planar pour applications aux filtres CEM. Différentes méthodes sont développées au cours de cette thèse pour arriver à évaluer de manière fine les éléments parasites des inductances planar de mode commun : capacités parasites et inductances de fuite. Une partie du travail a porté sur la modélisation par circuits équivalents du comportement fréquentiel des inductances de MC. Une approche automatisée, basée sur un algorithme de fitting a ainsi été développée pour élaborer des circuits équivalents fiables et robustes. Des approches analytiques (Décomposition du Champ Electrique) et semi-analytiques (Fonctions de Green) ont aussi été proposées pour évaluer les valeurs des éléments parasites. La dernière partie de la thèse est plus orientée conception, avec la réalisation de deux structures de composants innovantes, la première se basant sur une technique de compensation des capacités parasites à l’aide d’éléments parasites structuraux et la seconde sur l’association de deux noyaux magnétiques, possédant matériaux et géométries différentes / The magnetic components with planar technology join in the current trends in Power Electronics (PE), namely increasing the switching frequency of PE structures and reducing the size of the power converters. The first tendency imposes strong constraints in terms of electromagnetic compatibility of equipments. The latter has to be considered by engineers at the beginning of the design of Power converters on the basis of reliable models, which are not sufficiently developed for planar components in scientific literature. This PhD work thereby focuses on the modeling of planar components for the applications of EMI filters. Different methods are developed during this study in order to accurately evaluate the parasitic elements of planar common-mode chokes: parasitic capacitances and leakage inductances. A part of this dissertation concerns the equivalent circuit modeling of the frequency behavior of CM chokes. An automated approach, based on a fitting algorithm developed for elaborating reliable and robust equivalent circuits. Analytical approaches (Electric Field Decomposition) and semi-analytical (Green’s Function) are proposed as well for calculating the values of these parasitic elements. The last part of this dissertation is oriented to conception, with the realization of two structures of innovative components, the first one based on a parasitic capacitance cancellation technique using structural parasitic elements and the second one on the association of two magnetic cores with different materials and geometries

Les circuits Smart Power, utilisés dans l’industrie automobile, se caractérisent par l’intégration sur une puce des parties de puissance avec des parties analogiques&numériques basse tension. Leur principal point faible vient de la commutation des structures de puissance sur des charges inductives. Celles-ci injectent des courants parasites dans le substrat, pouvant activer des structures bipolaires parasites inhérentes au layout du circuit, menant à une défaillance ou la destruction du circuit intégré.Ces structures parasites ne sont pas actuellement modélisées dans les outils CAO ni simulées par les simulateurs de type SPICE. L'extraction de ces structures à partir du layout et leur intégration dans les outils CAO est l’objectif du projet européen AUTOMICS, dans le cadre duquel cette thèse a été réalisée.La caractérisation du couplage substrat sur deux cas d’études a permis de valider les modèles théoriques et de les comparer aux simulations utilisant le nouveau modèle de couplage substrat. / Smart Power circuits, used in the automotive industry, are characterized by the integration on one chip of the power parts with low voltage analog and digital parts. Their main weak point comes from the switching of power structures on inductive loads. These inject parasitic currents in the substrate, capable of activating the bipolar parasitic structures inherent in the layout of the circuit, leading to failure or destruction of the integrated circuit.These parasitic structures are not currently integrated into CAD tools nor simulated by SPICE simulators. The extraction of these structures from the layout and their integration into the CAD tools is the objective of the European AUTOMICS project, in which this thesis is carried out.The characterization of the substrate coupling of 2 case study was used to validate theoretical models and compare them to simulations using the new substrate coupling model.

Un objectif important des études de la compatibilité électromagnétique (CEM) est de rendre les produits conformes aux exigences CEM des clients ou les normes. Cependant, toutes les vérifications de la conformité CEM sont appliquées avant la livraison des produits finis. Donc nous pourrions avoir de nouvelles questions sur les performances CEM des systèmes électroniques au cours de leur vie. Les comportements CEM de ces produits seront-ils toujours conformes dans plusieurs années ? Un produit peut-il garder les mêmes performances CEM pendant toute sa durée de vie ? Si non, combien de temps la conformité CEM peut-elle être maintenue ?L'étude à long terme de l'évolution des niveaux CEM, appelée "robustesse électromagnétique», est apparue ces dernières années. Les travaux précédents ont montré que la dégradation causée par le vieillissement pourrait induire des défaillances de système électronique, y compris une évolution de la compatibilité électromagnétique. Dans cette étude, l'évolution à long terme des niveaux CEM de deux groupes de composants électroniques a été étudiée. Le premier type de composant électronique est le circuit intégré. Les courants de hautes fréquences et les tensions induites au cours des activités de commutation de circuits intégrés sont responsables des émissions électromagnétiques non intentionnelles. En outre, les circuits intégrés sont aussi très souvent les victimes d'interférences électromagnétiques. Un autre groupe de composants est formé par les composants passifs. Dans un système électronique, les circuits intégrés fonctionnent souvent avec les composants passifs sur un même circuit imprimé. Les fonctions des composants passifs dans un système électronique, telles que le filtrage et le découplage, ont également une influence importante sur les niveaux de CEM.Afin d'analyser l'évolution à long terme des niveaux CEM des composants électroniques, les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif de proposer des méthodes générales pour prédire l'évolution dans les temps des niveaux de compatibilité électromagnétique des composants électroniques. / One important objective of the electromagnetic compatibility (EMC) studies is to make the products compliant with the EMC requirement of the customers or the standards. However, all the EMC compliance verifications are applied before the delivery of final products. So we might have some new questions about the EMC performance during their lifetime. Will the product still be EMC compliant in several years? Can a product keep the same EMC performance during its whole lifetime? If not, how long the EMC compliance can be maintained? The study of the long-term EMC level, which is called “electromagnetic robustness”, appeared in the recent years. Past works showed that the degradation caused by aging could induce failures of electronic system, including a harmful evolution of electromagnetic compatibility. In this study, the long-term evolution of the EMC levels of two electronic component groups has been studied. The first electronic component type is the integrated circuit. The high-frequency currents and voltages during the switching activities of ICs are responsible for unintentional emissions or coupling. Besides, ICs are also very often the victim of electromagnetic interference. Another group of components is the passive component. In an electronic system, the IC components usually work together with the passive components at PCB level. The functions of passive components in an electronic system, such as filtering and decoupling, also have an important influence on the EMC levels.In order to analyze the long-term evolution of the EMC level of the electronic components, the study in this thesis tends to propose general predictive methods for the electromagnetic compatibility levels of electronic components which evolve with time.

Le contexte d'étude est celui de la Compatibilité ÉlectroMagnétique (CEM). L'objectif de la CEM est, comme son nom l'indique, d'assurer la compatibilité entre une source de perturbation électromagnétique et un système électronique victime. Or, la prédiction de ces niveaux de perturbation ne peut pas s'effectuer à l'aide d'un simple calcul analytique, en raison de la géométrie qui est généralement complexe pour le système que l'on étudie, tel que le champ à l'intérieur d'un cockpit d'avion par exemple. En conséquence, nous sommes contraints d'employer des méthodes numériques, dans le but de prédire ce niveau de couplage entre les sources et les victimes. Parmi les nombreuses méthodes numériques existantes à ce jour, les méthodes Multi-Domaines (MD) sont très prisées. En effet, elles offrent la liberté aux utilisateurs de choisir la méthode numérique la plus adaptée, en fonction de la zone géométrique à calculer. Au sein de ces méthodes MD, la " Domain Decomposition Method " (DDM) présente l'avantage supplémentaire de découpler chacun de ces domaines. En conséquence, la DDM est particulièrement intéressante, vis-à-vis des méthodes concurrentes, en particulier sur l'aspect du coût numérique. Pour preuve, l'ONERA continue de développer cette méthode qui ne cesse de montrer son efficacité depuis plusieurs années, notamment pour le domaine des Surfaces Équivalentes Radar (SER) et des antennes. L'objectif de l'étude est de tirer profit des avantages de cette méthode pour des problématiques de CEM. Jusqu'à maintenant, de nombreuses applications de CEM, traitées par le code DDM, fournissaient des résultats fortement bruités. Même pour des problématiques électromagnétiques très simples, des problèmes subsistaient, sans explication convaincante. Ceci justifie cette étude. Le but de cette thèse est de pouvoir appliquer ce formalisme DDM à des problématiques de CEM. Dans cette optique, nous avons été amenés à redéfinir un certain nombre de conventions, qui interviennent au sein de la DDM. Par ailleurs, nous avons développé un modèle spécifique pour les ouvertures, qui sont des voies de couplage privilégiées par les ondes, à l'intérieur des cavités que représentent les blindages. Comme les ouvertures sont, en pratique, de petites dimensions devant la longueur d'onde, on s'est intéressé à un modèle quasi-statique. Nous proposons alors un modèle, qui a été implémenté, puis validé. Suite à ce modèle, nous avons développé une méthode originale, basée sur un calcul en deux étapes, permettant de ne plus discrétiser le support des ouvertures dans les calculs 3D.