Sophisticated power electronic apparatus and their digital control systems are finding increasing applications in electric power systems at generation, transmission, distribution and utilization levels. It is essential to carry out rigorous performance evaluation of such apparatus before commissioning. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are becoming an attractive platform for accelerating computationally intensive applications. This thesis presents a FPGA-based real-time digital simulator for power electronic drives based on realistic device characteristics. A 3-level 12-pulse Voltage Source Converter (VSC) fed induction machine drive is implemented on the FPGA. The system components include the 3-level VSC, the induction machine, the direct field oriented controller, and the pulse width modulator. Both system-level and device-level IGBT models are utilized to implement the VSC. The VSC model is computed at a fixed time-step of 12:5ns allowing an accurate representation of the IGBT nonlinear switching characteristics. Altera Startix EP1S80 and EP3SL150F1152C2 FPGA boards utilized for the real-time simulation. All models were implemented in VHDL. The FPGA boards were interfaced to external DAC boards to display real-time results on the oscilloscope. The real-time results were validated using an off-line cosimulation set-up using the SABER and MATLAB/SIMULINK software. / Power Engineering and Power Electronics

Ces travaux de thèse portent sur la conception et la réalisation d'un circuit générique de commandes rapprochées pour les transistors à grille isolée, notamment pour les MOSFETs et les IGBTs, compatible avec différentes structures de conversion d'énergie de l'électronique de puissance. L'objectif principal est de concevoir un système de commande simple à mettre en oeuvre, compact, intégrable et configurable pouvant servir un panel varié d'applications dites multi transistors. Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres : état de l'art de la commande rapprochée des transistors à grille isolée, présentation et validation d'une nouvelle topologie de commande rapprochée à base de transformateur d'impulsion, présentation et validation d'une version améliorée pour travailler à large spectre de fréquence et de rapport cyclique, conception et validation du circuit de commande générique contenant une puce intégrée en technologie CMOS et 6 transformateurs d'impulsions planars. Les champs d'application de ce concept du driver sont multiples, celui-ci favorise la simplicité de la conception et de la mise en oeuvre des systèmes de commande pour l'électronique de puissance.

Cette thèse a pour but d'étudier le refroidissement des composants de puissance à l'aide de micro-échangeurs. A ce titre, il ne s'agit plus de systèmes de refroidissement rapportés, mais de dispositifs directement intégrés sous la partie active du silicium. Aussi, dans un premier temps, les caractéristiques électriques, thermiques et technologiques des composants de puissance sont rappelées. Deux modes de refroidissement sont considérés : la convection forcée simple phase et la convection forcée double phase. La convection forcée simple phase fait l'objet du deuxième chapitre. A partir d'une revue bibliographique, les corrélations de calcul du coefficient d'échange les plus adéquates aux microcanaux sont retenues. Une méthodologie de conception et de calcul est établie dans le but d'optimiser les dimensions des canaux en vue de minimiser la résistance thermique de l'assemblage ainsi que l'énergie nécessaire à la circulation du fluide. Enfin, la validité des méthodes de calcul est vérifiée à l'aide de mesures réalisées sur des prototypes monopuce. La convection forcée double phase est appréhendée de façon similaire. Une étude bibliographique permet de retenir les principes de calcul du transfert de chaleur, de la perte de pression, du flux critique les plus adaptés aux canaux de petits diamètres. De ces méthodes de calcul, une méthodologie de conception est également élaborée, méthodologie appliquée à la réalisation de prototype afin d'être validée.

Aujourd'hui l'outil le plus utilisé par les spécialistes d'électronique de puissance est l'oscilloscope numérique. Tant que ces appareils sont utilisés pour vérifier le fonctionnement de circuits, leur précision est, généralement, suffisante. En revanche lorsqu'ils sont utilisés pour caractériser des interrupteurs de puissance, la précision nécessaire ne peut pas être atteinte directement. Les modes opératoires doivent être optimisés et les mesures doivent être corrigées pour obtenir une précision satisfaisante. La mise en place de ces corrections demande du temps et nécessite, souvent, l'utilisation d'un ordinateur. Il est bon, avant de les développer, de s'assurer de leur opportunité. Une première partie de ce travail est consacrée à l'étude des causes d'erreurs et à leur influence sur les résultats de mesure. Nous partons de mesures effectuées, avec les plus grands soins, sur un I.G.B.T. et nous simulons, une à une, les sources d'erreur. Cette étude permet de tirer des critères de choix de matériel de mesure et de juger de la nécessité de certaines corrections. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à la modélisation de l'I.G.B.T. et, plus généralement, des quadripôles électrostatiques non-linéaires. Par comparaison avec les mesures effectuées sur l'I.G.B.T. nous montrons l'influence de la modélisation des capacités non-linéaires de l'I.G.B.T. sur les résultats de simulation.

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This thesis describes a new concept, applicable to high-power current-sourced conversion (CSC), where a controllable firing-angle shift is introduced between series and parallel converters to enable independent active and reactive power control. The firing-shift concept solves a difficult problem, by giving thyristor based CSCs the control flexibility of pulse-width modulated (PWM) converters, but without a loss in efficiency or rating. Several configurations are developed, based on the firing-shift concept, and provide flexible, efficient solutions for both very high power HVDC transmission, and very high current industrial processes. HVDC transmission configurations are first developed for 4-quadrant high-pulse operation, based on the series connected multi-level current reinjection (MLCR) topology. Independent reactive power control between two ends of an HVDC link are proven under firing-shift control, with high-pulse operation, and without on-load tap changing (OLTC) transformers. This is followed by application of firing-shift control to a bi-directional back-to-back HVDC link connecting two weak systems to highlight the added dc voltage control flexibility of the concept. The fault recovery capability of an MLCR based ultra-HVDC (UHVDC) long distance transmis-sion scheme is also proven under firing-shift control. The scheme responds favourably to both ac disturbances and hard dc faults, without the risk of commutation failures and instability experienced during fault recovery of line-commutated conversion. The two-quadrant capability of very high current rectification is also proven with configurations based on phase-shifted 12-pulse and MLCR parallel CSCs. The elimination of the electro-mechanical OLTC/satruable reactor voltage control, the high-current CSC’s biggest shortcoming, greatly improves controllability and with firing-shift control, ensures high power-factor for all load conditions. This reduces the reactive power demands on the transmission system, which results in more efficient power delivery

Dans le cadre du projet FNRAE COTECH, nos travaux avaient pour objectifs d'améliorer le fonctionnement des structures électroniques à haute température d'une technologie SOI (200°C). La technologie choisie pour ce travail est une technologie de puissance intelligente comprenant une bibliothèque CMOS basse tension (5V), des transistors de puissance LDMOS (25V, 45V et 80V) et des transistors bipolaires NPN et PNP. Afin de caractériser cette technologie en température, dans un premier temps, nous avons conçu un véhicule de test en introduisant certaines règles de dessin bénéfiques pour le comportement en température, à la fois pour les composants basse et haute puissance. Nous avons également étudié une nouvelle architecture de composants combinant au sein d'un même composant un composant MOS et un composant IGBT, dans un objectif d'auto-compensation des effets négatifs de la température. Afin d'optimiser la conception de ces composants mixtes MOS-IGBT, la méthodologie que nous avons adoptée s'est appuyée sur des simulations 2D et 3D sur Sentaurus. Dans le cadre de ce travail, deux véhicules de test ont été réalisés et caractérisés. Ces structures mixtes MOS-IGBT ont été proposées en tant que structures de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) pour remplacer une structure de protection de type "power clamp". En s'appuyant sur la simulation 3D, nous avons proposé plusieurs solutions, à la fois topologiques et d'architecture, permettant d'augmenter significativement le niveau de ce courant. Ces diverses solutions ont été validées expérimentalement. Enfin, les bonnes performances de ces structures mixtes ont motivé leur étude en tant que structures de puissance.

La fiabilité des chaînes de conversion électrique dans les systèmes embarqués est un enjeu critique dans les applications où interviennent des contraintes liées à la sécurité des personnes ou à des aspects économiques non-négligeables. La maintenance préventive permet de surveiller le bon fonctionnement des maillons faibles de la chaîne de conversion, tels que les composants de puissance à semiconducteurs (IGBT à grille en tranchée) présents dans les convertisseurs d'électronique de puissance utilisés dans le domaine du transport. L'objectif de ce travail est d'évaluer la possibilité d'utiliser l'état de l'oxyde de grille comme indicateur de l'état opérationnel du composant, lorsque celui-ci est soumis à des contraintes thermo-électriques représentatives de son fonctionnement. Les résultats obtenus par couplage de différentes techniques non destructives (méthode capacité-tension et méthode de mesure des charges d'espace) mettent en évidence des évolutions de l'oxyde liées à des effets causés par les charges électriques dans les zones de la structure les plus contraintes.L'étude et la modélisation des phénomènes diélectriques dans les couches minces d'oxyde nécessitent de nouvelles méthodes de mesure de la charge électrique à haute résolution spatiale. Dans le présent travail, nous démontrons, à travers des simulations et des résultats expérimentaux, l'applicabilité d'une de ces techniques de caractérisation, " la méthode de l'impulsion thermique ", sur ce type de structures de la microélectronique. Sa sensibilité aux fines zones de champ électrique localisées au niveau des interfaces est en particulier mise en évidence, en ouvrant des voies vers la mise au point de nouvelles techniques à haute résolution spatiale, basées sur des stimuli thermiques.

abstract: This dissertation presents a novel current source converter topology that is primarily intended for single-phase photovoltaic (PV) applications. In comparison with the existing PV inverter technology, the salient features of the proposed topology are: a) the low frequency (double of line frequency) ripple that is common to single-phase inverters is greatly reduced; b) the absence of low frequency ripple enables significantly reduced size pass components to achieve necessary DC-link stiffness and c) improved maximum power point tracking (MPPT) performance is readily achieved due to the tightened current ripple even with reduced-size passive components. The proposed topology does not utilize any electrolytic capacitors. Instead an inductor is used as the DC-link filter and reliable AC film capacitors are utilized for the filter and auxiliary capacitor. The proposed topology has a life expectancy on par with PV panels. The proposed modulation technique can be used for any current source inverter where an unbalanced three-phase operation is desires such as active filters and power controllers. The proposed topology is ready for the next phase of microgrid and power system controllers in that it accepts reactive power commands. This work presents the proposed topology and its working principle supported by with numerical verifications and hardware results. Conclusions and future work are also presented. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2013

Dans de nombreux domaines, tels que l’industrie des transports ou bien des infrastructures, la tendance est à l’introduction toujours plus importante d’équipements électriques. De ce fait, les industriels sont de plus en plus confrontés à la nécessité de fournir des dispositifs robustes et fiables avec un minimum de maintenance. Les composants électroniques, tels que les transistors IGBTs ou MOSFETs et les diodes rassemblés dans des modules de puissance, sont au cœur de la conversion d'énergie électrique. En conséquence, ils sont soumis en opération à de fortes contraintes environnementales et fonctionnelles (température, humidité…). L’ensemble de ces contraintes a un impact sur la durée de vie des composants, et donc sur la fiabilité des dispositifs. D’un point de vue économique, le remplacement d’un équipement défectueux est moins pénalisant qu’une défaillance brutale du système. Ainsi, l’utilisation d’outils de diagnostic est nécessaire pour prédire la durée de vie restante des dispositifs en opération, et mettre en place une maintenance adaptée et efficace.Pour déterminer la durée de vie restante des modules de puissance en opération, des modèles de durée de vie sont utilisés. La plupart de ces modèles sont établis soit de manière empirique, soit de manière physique, soit de manière statistique. Les modèles empiriques sont les plus courants, car leur réalisation et implémentation sont maintenant bien connues. Ils se basent sur des résultats issus de tests de cyclage accélérés qui reproduisent les contraintes endurées par le module de puissance sous des conditions "accélérées" de fonctionnement. Une extrapolation est ensuite nécessaire pour obtenir l’état de santé du dispositif dans des conditions normales de fonctionnement. Le principal inconvénient de ces modèles réside dans le manque de description des mécanismes physiques responsables de l’endommagement. Ce manque peut mener potentiellement à des erreurs, notamment lors de l’extrapolation. C’est pourquoi les modèles basés sur la physique connaissent un intérêt grandissant.Dans cette thèse, deux modèles de durée de vie basés sur la physique et appliqués aux modules de puissance IGBTs sont proposés et comparés. La première approche est basée sur les déformations induites à l’intérieur de l’assemblage du module lorsque soumis à des contraintes thermiques. Dans ce cas, la dégradation est décrite via la quantification des déformations pour un stress thermique donné. Dans la seconde approche, le modèle de durée de vie est basé directement sur l’endommagement via l’établissement d’un modèle de dégradation. La comparaison des deux modèles met en lumière les défauts et qualités de chacun. D’une manière plus générale, l’établissement et la comparaison de ces modèles s’inscrit dans une démarche de développement d’outils de diagnostic afin de prédire la durée de vie restante des modules de puissance en opération. / The domain of power electronics reliability has become an important center of interest with the recent massive system electrification. The manufacturers are more and more confronted to the necessity of producing reliable devices with optimized maintenance. Electronics components, such as IGBTs, diodes and MOSFETs assembled in power modules, are at the center of the systems conversion, and as a consequence, are subjected to high environmental and functional stresses (ambient temperature, vibrations…). All these factors have a strong impact on the components lifetime and thus on the devices reliability. Economically, scheduling a maintenance with a system replacement is less detrimental than a brutal failure of the system. As a consequence, the use of lifetime prognostic tools is necessary. The problematic consists in the health state prediction of power modules in functioning to be able to schedule a maintenance before the failure of the equipment.To be able to determine the remaining useful lifetime of power modules in functioning, lifetime models are used. These models can either be empirical, physical or statistical. The empirical models are the most common ones, because of their easy establishment and implementation. They are based on results from accelerated power cycling tests, which reproduce the stresses endured by the power modules in severe conditions. An extrapolation is then needed to obtain the power module health state in normal functioning conditions. The main drawback of these models is the lack of description of the physical mechanisms leading to damage, resulting potentially in errors in particular during extrapolation. That’s the reason why physical models start to draw more attention.In the thesis, two physical lifetime models of IGBT power modules are proposed. The first approach is based on deformation induced inside the device assembly in operation. The degradation is in this case described by the quantification of deformation related to thermal stresses. In the second approach, the lifetime model is based directly on damage through the establishment of a degradation model. These two lifetime models are finally compared to show the benefits and disadvantages of each. More generally, the establishment and comparison of these models is part of an approach to develop diagnostic tools so that the remaining useful lifetime of power modules can be predicted in operation.