With the rapid development of microprocessor and semiconductor technology, industry continues to update the requirements for power supplies. For telecommunication and computing system applications, power supplies require increasing current level while the supply voltage keeps decreasing. For example, the Intel's CPU core voltage decreased from 2 volt in 1999 to 1 volt in 2005 while the supply current increased from 20A in 1999 to up to 100A in 2005. As a result, low-voltage high-current high efficiency dc-dc converters with high power-density are demanded for state-of-the-art applications and also the future applications. Half-bridge dc-dc converter with current-doubler rectification is regarded as a good topology that is suitable for high-current low-voltage applications. There are three control schemes for half-bridge dc-dc converters and in order to provide a valid unified analog model for optimal compensator design, the analog state-space modeling and small signal modeling are studied in the dissertation and unified state-space and analog small signal model are derived. In addition, the digital control gains a lot of attentions due to its flexibility and re-programmability. In this dissertation, a unified digital small signal model for half-bridge dc-dc converter with current doubler rectifier is also developed and the digital compensator based on the derived model is implemented and verified by the experiments with the TI DSP chip. In addition, although current doubler rectifier is widely used in industry, the key issue is the current sharing between two inductors. The current imbalance is well studied and solved in non-isolated multi-phase buck converters, yet few discusse this issue in the current doubler rectification topology within academia and industry. This dissertation analyze the current sharing issue in comparison with multi-phase buck and one modified current doubler rectifier topology is proposed to achieve passive current sharing. The performance is evaluated with half bridge dc-dc converter; good current sharing is achieved without additional circuitry. Due to increasing demands for high-efficiency high-power-density low-voltage high current topologies for future applications, the thermal management is challenging. Since the secondary-side conduction loss dominates the overall power loss in low-voltage high-current isolated dc-dc converters, a novel current tripler rectification topology is proposed. Theoretical analysis, comparison and experimental results verify that the proposed rectification technique has good thermal management and well-distributed power dissipation, simplified magnetic design and low copper loss for inductors and transformer. That is due to the fact that the load current is better distributed in three inductors and the rms current in transformer windings is reduced. Another challenge in telecommunication and computing applications is fast transient response of the converter to the increasing slew-rate of load current change. For instance, from Intel's roadmap, it can be observed that the current slew rate of the age regulator has dramatically increased from 25A/uS in 1999 to 400A/us in 2005. One of the solutions to achieve fast transient response is secondary-side control technique to eliminate the delay of optocoupler to increase the system bandwidth. Active-clamp half bridge dc-dc converter with secondary-side control is presented and one industry standard 16th prototype is built and tested; good efficiency and transient response are shown in the experimental section. However, one key issue for implementation of secondary-side control is start-up. A new zero-voltage-switching buck-flyback isolated dc-dc converter with synchronous rectification is proposed, and it is only suitable for start-up circuit for secondary-side controlled converter, but also for house-keeping power supplies and standalone power supplies requiring multi-outputs.

Characterizing  power  switches  is  an  indispensable  step  when  designing  a  converter.  This  thesisinvestigates ways to achieve static and dynamic characterization of semiconductors for high power applications such as power grid or train traction. The static characterization has been tested with a Keysight B1506A device analyzer. The problems encountered have been analyzed and corrected.Then the design of a high current switching test bench for dynamic characterization is explained. The full-bridge  configuration  allows  controlled  and  spontaneous  commutations  so  the  bench  can measure hard and soft switching. The voltage can be up to 10 kV and the current up to 3 kA during the commutation. The choice of the probes is justified. The issues of bandwidth, input impedance and common mode current are taken into account. Data are processed in order to interpolate theswitching loss in hard and soft switching. / Karaktärisering  av  halvledarbrytare  är  ett  viktigt  steg  när  man  utformar  en  omvandlare.  Dennaavhandling undersöker olika sätt att uppnå statisk och dynamisk karakterisering av halvledare för högeffekttillämpningar såsom elnät eller ellok. Statisk karaktäriseringen har utförts med en Keysight B1506A-enhetsanalysator. De problem som uppstått har analyserats och korrigerats.Utformningen    av    en    testbänk    för    dynamisk    karakterisering    förklaras.    Den    kompletta bryggkonfigurationen möjliggör kontrollerad och spontan kommutation med spänningar upp till 10 kV och  strömmar  upp till 3 kA så att  bänken kan mäta hård  och mjuk  växling.  Valet  av sonderna förklaras.   Frågorna   om   bandbredd,   ingångsimpedans   och   common-mode   ström   tas   med   iberäkningen. Data bearbetas för att interpolera kopplings förlusten i hård och mjuk växling.

Les procédés bipolaires semi-conducteurs complémentaires à oxyde de métal (BiCMOS) peuvent être considérés comme étant la solution la plus généralepour les produits RF car ils combinent la fabrication sophistiquée du CMOSavec la vitesse et les capacités de conduction des transistors bipolaires silicium germanium(SiGe) à hétérojonction (HBT). Les HBTs, réciproquement, sontles principaux concurrents pour combler partiellement l'écart de térahertzqui décrit la plage dans laquelle les fréquences générées par les transistors etles lasers ne se chevauchent pas (environ 0.3 THz à 30 THz). A_n d'évaluerles capacités de ces dispositifs futurs, une méthodologie de prévision fiable estsouhaitable. L'utilisation d'un ensemble hétérogène d'outils et de méthodes desimulations permet d'atteindre successivement cet objectif et est avantageusepour la résolution des problèmes. Plusieurs domaines scientifiques sont combinés, tel que la technologie de conception assistée par ordinateur (TCAO),la modélisation compacte et l'extraction des paramètres.Afin de créer une base pour l'environnement de simulation et d'améliorerla confirmabilité pour les lecteurs, les modèles de matériaux utilisés pour lesapproches hydrodynamiques et de diffusion par conduction sont introduits dèsle début de la thèse. Les modèles physiques sont principalement fondés surdes données de la littérature basées sur simulations Monte Carlo (MC) ou dessimulations déterministes de l'équation de transport de Boltzmann (BTE).Néanmoins, le module de TCAO doit être aussi étalonné sur les données demesure pour une prévision fiable des performances des HBTs. L'approchecorrespondante d'étalonnage est basée sur les mesures d'une technologie depointe de HBT SiGe pour laquelle un ensemble de paramètres spécifiques àla technologie du modèle compact HICUM/L2 est extrait pour les versionsdu transistor à haute vitesse, moyenne et haute tension. En s'aidant de cesrésultats, les caractéristiques du transistor unidimensionnel qui sont généréesservent de référence pour le profil de dopage et l'étalonnage du modèle. Enélaborant des comparaisons entre les données de références basées sur les mesureset les simulations, la thèse fait progresser l'état actuel des prévisionsbasées sur la technologie CAO et démontre la faisabilité de l'approche.Enfin, une technologie future de 28nm performante est prédite en appliquantla méthodologie hétérogène. Sur la base des résultats de TCAO, leslimites de la technologie sont soulignées. / Bipolar complementary metal-oxide-semiconductor (BiCMOS) processescan be considered as the most general solution for RF products, as theycombine the mature manufacturing tools of CMOS with the speed and drivecapabilities of silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors(HBTs). HBTs in turn are major contenders for partially filling the terahertzgap, which describes the range in which the frequencies generated bytransistors and lasers do not overlap (approximately 0.3THz to 30 THz). Toevaluate the capabilities of such future devices, a reliable prediction methodologyis desirable. Using a heterogeneous set of simulation tools and approachesallows to achieve this goal successively and is beneficial for troubleshooting.Various scientific fields are combined, such as technology computer-aided design(TCAD), compact modeling and parameter extraction.To create a foundation for the simulation environment and to ensure reproducibility,the used material models of the hydrodynamic and drift-diffusionapproaches are introduced in the beginning of this thesis. The physical modelsare mainly based on literature data of Monte Carlo (MC) or deterministicsimulations of the Boltzmann transport equation (BTE). However, the TCADdeck must be calibrated on measurement data too for a reliable performanceprediction of HBTs. The corresponding calibration approach is based onmeasurements of an advanced SiGe HBT technology for which a technology specific parameter set of the HICUM/L2 compact model is extracted for thehigh-speed, medium-voltage and high-voltage transistor versions. With thehelp of the results, one-dimensional transistor characteristics are generatedthat serve as reference for the doping profile and model calibration. By performingelaborate comparisons between measurement-based reference dataand simulations, the thesis advances the state-of-the-art of TCAD-based predictionsand proofs the feasibility of the approach.Finally, the performance of a future technology in 28nm is predicted byapplying the heterogeneous methodology. On the basis of the TCAD results,bottlenecks of the technology are identified. / Bipolare komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (BiCMOS) Prozesse bietenhervorragende Rahmenbedingungen um Hochfrequenzanwendungen zurealisieren, da sie die fortschrittliche Fertigungstechnik von CMOS mit derGeschwindigkeit und Treiberleistung von Silizium-Germanium (SiGe) Heterostruktur-Bipolartransistoren (HBTs) verknüpfen. Zudem sind HBTs bedeutendeWettbewerber für die teilweise Überbrückung der Terahertz-Lücke, derFrequenzbereich zwischen Transistoren (< 0.3 THz) und Lasern (> 30 THz).Um die Leistungsfähigkeit solcher zukünftigen Bauelemente zu bewerten, isteine zuverlässige Methodologie zur Vorhersage notwendig. Die Verwendungeiner heterogenen Zusammenstellung von Simulationstools und Lösungsansätzenerlaubt es dieses Ziel schrittweise zu erreichen und erleichtert die Fehler-_ndung. Verschiedene wissenschaftliche Bereiche werden kombiniert, wie zumBeispiel der rechnergestützte Entwurf für Technologie (TCAD), die Kompaktmodellierungund Parameterextraktion.Die verwendeten Modelle des hydrodynamischen Simulationsansatzes werdenzu Beginn der Arbeit vorgestellt, um die Simulationseinstellung zu erläuternund somit die Nachvollziehbarkeit für den Leser zu verbessern. Die physikalischenModelle basieren hauptsächlich auf Literaturdaten von Monte Carlo(MC) oder deterministischen Simulationen der Boltzmann-Transportgleichung(BTE). Für eine zuverlässige Vorhersage der Eigenschaften von HBTs muss dieTCAD Kon_guration jedoch zusätzlich auf der Grundlage von Messdaten kalibriertwerden. Der zugehörige Ansatz zur Kalibrierung beruht auf Messungeneiner fortschrittlichen SiGe HBT Technologie, für welche ein technologiespezifischer HICUM/L2 Parametersatz für die high-speed, medium-voltage undhigh-voltage Transistoren extrahiert wird. Mit diesen Ergebnissen werden eindimensionaleTransistorcharakteristiken generiert, die als Referenzdaten fürdie Kalibrierung von Dotierungspro_len und physikalischer Modelle genutztwerden. Der ausführliche Vergleich dieser Referenz- und Messdaten mit Simulationengeht über den Stand der Technik TCAD-basierender Vorhersagenhinaus und weist die Machbarkeit des heterogenen Ansatzes nach.Schlieÿlich wird die Leistungsfähigkeit einer zukünftigen Technologie in28nm unter Anwendung der heterogenen Methodik vorhergesagt. Anhand derTCAD Ergebnisse wird auf Engpässe der Technologie hingewiesen.

The present thesis is the result of a research period at the Institute of Space and Astronautical Science of the Japanese Aerospace Exploration Agency, ISAS/JAXA within Funaki Laboratory of the Department of Space Flight Systems that followed the path of plume plasma diagnostics for space electric propulsion drives. During the experimental studies two high-current hollow cathodes and an innovative prototype of a low-voltage fully external discharge plasma thruster (XPT) had their plasma plumes diagnosed using electrostatic probes and retarding potential analyser (RPA). A Hall thruster and hollow cathode plume is defined as an unmagnetised quasi-neutral plasma which is mainly formed of neutral particles, electrons, singly and doubly charged ions. Plasma diagnostic techniques provide information through practical observations in order to fully understand the dynamics of the aforementioned plume components, the physical processes taking place within the plume and their effects on the spacecraft, for instance. Mastering these aspects of the plasma plume of space electric propulsion drives bolster the design processes, leading to highly efficient devices. Firstly, the introduction provides insights on the fundamental principles of hollow cathodes and Hall thrusters and a brief presentation of the plasma diagnostic techniques used during the research: single and double Langmuir probes, emissive probes and retarding potential analyser. Then, the fundamental plume diagnostics principles are depicted in an exhaustive way, departing from classical plasma kinetic theory, energy distribution functions and ending with an overview on the theory of charge collection by cylindrical probes. Subsequently, peculiarities of various analysis techniques are exposed for the Langmuir probes, emissive probes and RPA, with an emphasis on their strengths and demerits. The experimental setups for the cathodes and XPT plume diagnostic procedures are then outlined. The experimental logic, setup and electrical diagrams as well as a presentation of each probe design and manufacturing details are extensively discussed. The hollow cathodes experimental results are exposed with a discourse that aims of overviewing the difference between the various data analysis methods applied for the raw data. A discussion ensued based on the results in order to effectively identify mechanisms that produced the observed plasma parameters distributions. For the first time, the plume of a fully external discharge plasma thruster was diagnosed utilising double Langmuir probes.  The thesis highlights the main results obtained for the XPT far-field plume plasma diagnostics. The experimental findings for both thruster centreline positions and 2D plume maps for several axial distances away from the anode plate offer a ground basis for future measurements, a comparison term and a database to support ongoing computational codes. The results are discussed and related to the thruster performances data obtained during previous experiments. The thesis includes consistency analyses between the experimental data and the numerical simulation results and the uncertainties in measured plasma parameters associated with each data analysis procedure are evaluated for each data set. Last, the conclusions underline the main aspects of the research and further work on the previously mentioned plasma diagnostic techniques for hollow cathodes and XPT is suggested. / La présente thèse est le résultat d'une période de recherche à l'Institut des Sciences Spatiales et Astronautiques de l'Agence Spatiale Japonaise, ISAS / JAXA qui a suivi la voie des diagnostics du plasma de la plume de propulseurs électriques spatiaux. Au cours des études expérimentales, deux cathodes creuses à fort courant et un prototype innovant d'un propulseur basse tension à décharge externe de plasma (XPT) avaient leurs faisceaux de plasma diagnostiqués en utilisant des sondes électrostatiques et un analyseur à potentiel retardé. La plume d’un propulseur à effet Hall et d’une cathode creuse est définie comme un plasma quasi-neutre non-magnétisé qui est principalement formé de particules neutres, d’électrons, d’ions monovalents et bivalents. Les techniques de diagnostic du plasma fournissent des informations, via des observations pratiques, afin de bien comprendre la dynamique des composants de la plume mentionnés ci-dessus, les processus physiques qui se déroulent dans la plume et leurs effets sur une sonde spatiale, par exemple. La maîtrise de ces aspects du plasma de la plume généré par les propulseurs électriques spatiaux renforce les processus de conception de ce type de propulsion, ce qui conduit à des dispositifs hautement efficaces. Tout d'abord, l'introduction donne un aperçu sur les principes fondamentaux de cathodes creuses et de propulseurs à effet Hall, et une brève présentation des techniques de diagnostic du plasma utilisées lors de la recherche : sondes de Langmuir simples et doubles, des sondes émissives et d’analyseur à potentiel retardé. Ensuite, les principes fondamentaux de diagnostic de la plume sont représentés de manière exhaustive, d’abord la théorie cinétique classique du plasma, les fonctions de distribution en énergie et pour terminer une vue d'ensemble de la théorie de la collecte de charge par des sondes cylindriques. Par la suite, les particularités des diverses techniques d'analyse sont exposées pour les sondes de Langmuir, les sondes émissives et RPA, en mettant l'accent sur leurs avantages et leurs inconvénients. Les montages expérimentaux pour les procédures de diagnostic de la plume-plasma de cathodes et du XPT sont ensuite décrits. La logique expérimentale, les schémas électriques ainsi qu'une présentation de la conception et de la fabrication de chaque sonde sont largement discutés. Les résultats expérimentaux pour les cathodes creuses sont exposés de façon à présenter la différence entre plusieurs méthodes d'analyse de données appliquées aux données brutes. Une discussion s’ensuit, basée sur les résultats afin d'identifier efficacement les mécanismes qui ont produits les propriétés électroniques observées. Pour la première fois, la plume d'un propulseur à décharge externe de plasma a été diagnostiquée en utilisant des sondes de Langmuir doubles. La thèse met en évidence les principaux résultats obtenus pour le diagnostic en champ lointain de la plume-plasma du XPT. Les résultats expérimentaux pour les positions sur l'axe du propulseur et le cartes 2D de la plume pour plusieurs distances axiales loin de l’anode offrent une base pour de futures mesures, un terme de comparaison et une base de données pour appuyer les codes numériques. Les résultats sont discutés et sont rapportés aux données de performances du propulseur obtenus lors des essais précédents. La thèse comprend des analyses de la cohérence entre les données expérimentales et les résultats de simulation numérique, et les incertitudes des paramètres mesurés du plasma associées à chaque procédure d'analyse des données sont évaluées pour chaque ensemble de données. Enfin, les conclusions soulignent les principaux aspects de la recherche et une poursuite des travaux sur les techniques de diagnostic de plasma pour les cathodes creuses et le XPT est suggérée.