Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2015

The master thesis deals with design of a switched DC power supply with output parameters of 30 V 60 A. The power supply uses the connection of two single switch forward converters with opposite phase. The topology was chosen based on a comparison of specific schematics in the first part. The body of the thesis is covered in chapter which deals with design and analysis of power circuits of the converter. The chapter describes detailed design of pulse transformers, dimensioning of semiconductors and cooling system of the converter. For lower power losses, the system of synchronous rectifying is chosen at the output of the circuit. The regulation of the output is based on cascade structure with a superior voltage and dependent current loop. Appropriate over current protection is provided by sensing the output current and using current transformers for primary current measure.

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Le mémoire de thèse est structuré en 3 chapitres. Le 1er chapitre présente le contexte de forte vitesse de commutation et de forte intégration en électronique de puissance, dans lequel s’inscrit cette thèse. Les fonctions et les enjeux de l’organe de commande rapprochée (« gate driver ») sont présentés. L’intégration du gate driver en technologie CMOS AMS 0.18 µm HV est présentée puis, plus particulièrement, l’intégration des fonctions optiques. Le 2e chapitre concerne l’étude de la transmission et de la modulation des charges à travers la barrière d’isolation optique. Un amplificateur en courant configurable a été dimensionné afin de pouvoir faire varier la résistance de grille. Une alimentation optique est intégrée en technologie AMS H18, comprenant une cellule PV et un convertisseur DC/DC à capacités commutées. Dans le 3e chapitre, 2 approches ont été développées pour la transmission du signal, la transmission dite en bande de base où les ordres de commande optiques sont l’image directe de la modulation en largeur d’impulsion (MLI), et la transmission dite numérique série où les changements d’état sont envoyés avec une trame haute fréquence. Un circuit de gestion logique et une horloge interne ont été conçus. La transmission numérique permet l’envoi d’information telle que la configuration de la résistance de grille. Le dimensionnement des circuits prend en compte une large plage de température de fonctionnement (-40°C à 140 °C), ainsi que les contraintes dues à l’alimentation optique (variation de la tension d’alimentation) et à l’alignement optique (variation du photo-courant généré). / The thesis dissertation is composed of 3 chapters. The 1st chapter introduces the thesis context of fast switching transients and highly integrated power electronics circuits. The functions and the issues of the close gate driver are presented. The gate driver is integrated in the AMS 0.18 µm technology with its optical functions. The second chapter deals with the transmission and modulation of the gate driver charge through the optical isolation barrier. A configurable buffer is designed in order to modulate the gate resistance value. An optical supply including a PV cell and a switched capacitors DC/DC converter is integrated. In the third chapter, two approaches are developed for the gate signal transfer. For the baseband analog transmission, the optical signal is a direct image of the pulse width modulation (PWM) signal whereas in the digital series transmission, only the commutation orders are transmitted in a high frequency frame. A logic circuit and an integrated clock are designed. The digital transmission allowed the transfer of information such as the gate resistance configuration. Large temperature range (-40°C to 140°C), optical supply constraints (supply voltage deviation) and optical alignment (photocurrent value deviation) are considered for the integrated circuits design.

This diploma thesis describes design and development of creating field instrument demonstration kit. Kit is capable of measuring multiple sensors such as thermocouples, RTDs, or pressure sensors, analogue sensor simulation is also provided. Sensor’s side is isolated from output, which is composed of 4 - 20 mA current loop and HART interface. Current loop also provides power supply and kit can communicate via HART also when alarm current (3,2 mA) is set. Basic safety features like open wire detection, over and undervoltage protection are also implemented.

Ces travaux présentent l'étude de transformateurs par voie acoustique, basés sur la technologie CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer ), visant à développer des composants monolithiques assurant l'isolation électrique au sein de la commande des interrupteurs à semi-conducteurs. S'agissant de microsystèmes électromécaniques, les CMUTs offrent des perspectives intéressantes en terme d'intégrabilité monolithique avec les interrupteurs à semi-conducteurs. L'architecture proposée est constituée de deux transducteurs CMUTs de part et d'autre d'un substrat en silicium. Un outil de modélisation a été développé dans le but de prédire le comportement du transformateur. Des protocoles de mesure du rendement des dispositifs fabriqués ont été mis en place permettant une évaluation quantitative des performances des prototypes (un rendement de 32 % est atteint avec une marge de progression à 60 %). L'exploitation du modèle développé, et validé par les résultats de caractérisation, a permis de mettre en évidence les limites et perspectives d'amélioration de ces dispositifs. / This work is a study of CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transduer)based acoustical transformers as a step in the development of insulating components in semiconductor switches control chain. CMUT transducers being electromechanical systems (MEMS), their monolithic integration with semiconductor switches is full of interesting perspectives . The proposed architecture consists of two CMUTs layered on each side of a silicon substrate. A computational tool was designed to predict the behaviour of the transformer. Measurement protocols of the power efficiency of the constructed transformers were set up and allowed to quantify the prototypes' performances (A 32 % efficiency is currently reached, with improvements attainable up to 60 %). Exploring the results of the developed model, validated by bench measurements, allowed to determine the current limits of the transformers as well as perspectives of improvement.

Master‘s thesis deals with analysis solutions and construction of the devices for data collection. At the beginning, they describe the basic types of devices for data collection. In other parts of the work is compared few commercial devices for data collection, under which the requirements will be selected on the proposed device for data collection. In other chapters of the work devoted to the design of schemes and selecting components for their manufacture. The last chapters are devoted to describing the design of device for data collection.

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Les travaux présentés dans ce manuscrit traite de l'intégration monolithiqued'une unité d'isolement galvanique optique à l'intérieur de la structure d'un transistor depuissance vertical à ffet de champ 600V. L'unité d'isolement galvanique optique est unphotodétecteur qui est responsable du transfert du signal de commande de parti une unitéde commande externe à le transistor de puissance. L'énergie nécessaire pour commuter ledispositif de puissance est fournie au moyen d'un TIA, suivie d'une commande de grille.Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres équivalents: Introduction et motivation:l'isolement glavanic intégrée pour les dispositifs de puissance, photodiodes intégréscompatibles (JVP) pour les interrupteurs de puissance: Modélisation et conception, IPDfabrication et la caractérisation, et les conclusions et les travaux futurs. Les résultats de cestravaux de recherche sont intéressants pour un large spectre d'applications, spécialementpour les fonctions d'alimentation entièrement intégrés avec et coût de fabrication réduitet des solutions fiables, de haut niveau galvaniques isolement qui sont compacts et rentable. / The work presented in this PhD manuscript deals with the monolithic integrationof an optical galvanic isolation unit within the vertical FET structure of a 600Vpower transistor. The optical galvanic isolation unit is a photodetector that is responsiblefor transferring the gating information signal from an external control unit to the powerswitch. The necessary energy to switch the power device is provided by means of a TIAfollowed by a gate driver. This document has four chapters: introduction and motivation:Integrated glavanic isolation for power devices, Compatible integrated phootdiodes (IPDs)for power switches: Modeling and design, IPD fabrication and characterization, and conclusionsand future work. The results of this research work are interesting for a wide rangeof applications specially as the power electronic community strives for a fully integratedpower function with lower implementation costs and reliable, high level galvanic isolationsolutions that are compact and cost effective.

This thesis deals with design of a DC/DC converter for powering the oscilloscope. The main parameters for selecting a suitable inverter are: galvanic isolation of input and output parts of the inverter and low parasitic capacitance of galvanic isolation. The required power of the inverter is 100 W and the output voltage is 325 V. The introduction briefly explains why the DC/DC converter with transformer will be used. The first part of the work deals with the selection of a suitable types of DC/DC converter with transformer for powering the oscilloscope. The next part is devoted to designing of the power parts of resonant converter and single acting flyback converter. This is followed by a complete design of a single-acting flyback converter, including the realization and measurement of the time courses of important quantities.