Ce projet fait l’objet d’une collaboration entre l’équipe EPI du laboratoire SATIE de l’ENS Cachan, le laboratoire LAPLACE et ALSTOM Transport dans le cadre du projet ANR « CONCIGI HT ». Les recherches dans le domaine du ferroviaire visent à réduire toujours plus la taille et le poids de la chaine de traction. Aujourd’hui, la volonté de poursuivre la réduction des temps de parcours est complétée par le souhait de diminuer la puissance consommée, ceci ayant des conséquences importantes sur la conception des chaines de traction. L’objectif de ce projet est de remplacer certaines parties de la chaine de puissance d’une locomotive par des systèmes permettant de diminuer de 30% leur encombrement, donc de diminuer jusqu’à 8,5 % l’énergie électrique consommée et augmenter le nombre de passagers transportés. Le travail présenté dans cette thèse porte sur le dimensionnement et l’étude de l’alimentation des allumeurs de semi-conducteurs SiC HT (pouvant atteindre un transitoire de 10 kV). La particularité de ces semi-conducteurs est leur application : ils constituent des convertisseurs multi-niveaux dont la fonction est de remplacer les transformateurs 25 kV/3 kV-50 Hz actuellement utilisés pour la traction ferroviaire. La principale contrainte porte donc sur la tenue diélectrique qui atteint un maximum de 60 kV liée aux transitoires présents sur la caténaire. Une alimentation à double isolation galvanique (DGIT-Double Galvanic Insulation Transformer) a donc été développée afin de répondre à la nécessité de double tenue diélectrique (10 kV et 60 kV). Dans un premier temps une structure permettant la double isolation galvanique a été développée avec l’objectif de réduire au maximum sa taille et son poids. Sa disposition spatiale et sa géométrique ont également été pris en considération (ainsi que de nombreux paramètre à la fois pertinents et contradictoires). Ceci afin d’obtenir le système optimal et une répartition des capacités de mode commun et différentiel respectant la forte tenue diélectrique. Dans un second temps une étude de l’alimentation adaptée au DGIT a été réalisée et testée. L’association du DGIT qui est un élément très inductif, de la charge qui est un driver à faible puissance et de l’aspect multi-niveau implique un fonctionnement atypique. Pour chacune de ces parties, une étude structurelle, fréquentielle et électrique a été réalisée afin d’obtenir un dispositif optimal du point de vue du volume, du poids et des pertes, tout en respectant la principale contrainte de la tenue à la THT (Très Haute Tension). Enfin, dans un troisième temps nous avons étudié la possibilité de remplacer les fibres optiques utilisées de nos jours pour la commande des allumeurs par un système basé sur la transmission par radio fréquence. / This project is the result of collaboration between the EPI team of the SATIE laboratory at ENS Cachan, the LAPLACE laboratory and ALSTOM Transport in the ANR "CONCIGI HT" project. Research in the railway traction area aims to reduce the increasing size and weight of the power train. Today, the desire to reduce travel time is complemented by the desire to reduce power consumption- it is an important information for the design of traction chains. The objective of this project is to replace parts of the locomotive power supply systems to reduce their size by 30%, thus to reduce the power consumption and increase by 8.5% the number of passengers. The work presented in this thesis focuses on the design and study of the drivers power supply for HV SiC semiconductor (up to a 10 kV transient voltage). The peculiarity of these semiconductors is their application: they are placed in multi-level converters in order to replace the 25 kV / 3 kV, 50 Hz transformers currently used for rail traction. The main constraint is the dielectric strength that reaches a maximum of 60 kV due to transient present on the catenary. So, the Double Galvanic Insulation Transformer (DGIT) has been developed to adapt to the need of holding dual dielectric (10 kV and 60 kV). In a first step, a structure for the dual galvanic insulation has been developed with the objective to minimize its size and weight. Its spatial and geometrical arrangements were also taken into account (as well as many parameters both relevant and contradictory), in order to obtain the optimal system and common and differential mode distributed capacities observing the high dielectric strength. In a second step a study of the DGIT adapted power supply has been completed and tested. The combination of DGIT inductive behavior, the driver low power and the multi-level aspect, involves an atypical work of this power supply converter. For each of these parts, a structural, frequencial and electrical study was performed in order to achieve the maximum optimal device in terms of volume, weight and loss, with respect to the main constraint of VHV (Very High Voltage). Finally, in a third step we studied the possibility of subtituing the optical fibers currently used for the control of lighters with a system based on radio-frequency transmission.

Ce projet fait l'objet d'une collaboration entre l'équipe EPI du laboratoire SATIE de l'ENS Cachan, le laboratoire LAPLACE et ALSTOM Transport dans le cadre du projet ANR " CONCIGI HT ". Les recherches dans le domaine du ferroviaire visent à réduire toujours plus la taille et le poids de la chaine de traction. Aujourd'hui, la volonté de poursuivre la réduction des temps de parcours est complétée par le souhait de diminuer la puissance consommée, ceci ayant des conséquences importantes sur la conception des chaines de traction. L'objectif de ce projet est de remplacer certaines parties de la chaine de puissance d'une locomotive par des systèmes permettant de diminuer de 30% leur encombrement, donc de diminuer jusqu'à 8,5 % l'énergie électrique consommée et augmenter le nombre de passagers transportés. Le travail présenté dans cette thèse porte sur le dimensionnement et l'étude de l'alimentation des allumeurs de semi-conducteurs SiC HT (pouvant atteindre un transitoire de 10 kV). La particularité de ces semi-conducteurs est leur application : ils constituent des convertisseurs multi-niveaux dont la fonction est de remplacer les transformateurs 25 kV/3 kV-50 Hz actuellement utilisés pour la traction ferroviaire. La principale contrainte porte donc sur la tenue diélectrique qui atteint un maximum de 60 kV liée aux transitoires présents sur la caténaire. Une alimentation à double isolation galvanique (DGIT-Double Galvanic Insulation Transformer) a donc été développée afin de répondre à la nécessité de double tenue diélectrique (10 kV et 60 kV). Dans un premier temps une structure permettant la double isolation galvanique a été développée avec l'objectif de réduire au maximum sa taille et son poids. Sa disposition spatiale et sa géométrique ont également été pris en considération (ainsi que de nombreux paramètre à la fois pertinents et contradictoires). Ceci afin d'obtenir le système optimal et une répartition des capacités de mode commun et différentiel respectant la forte tenue diélectrique. Dans un second temps une étude de l'alimentation adaptée au DGIT a été réalisée et testée. L'association du DGIT qui est un élément très inductif, de la charge qui est un driver à faible puissance et de l'aspect multi-niveau implique un fonctionnement atypique. Pour chacune de ces parties, une étude structurelle, fréquentielle et électrique a été réalisée afin d'obtenir un dispositif optimal du point de vue du volume, du poids et des pertes, tout en respectant la principale contrainte de la tenue à la THT (Très Haute Tension). Enfin, dans un troisième temps nous avons étudié la possibilité de remplacer les fibres optiques utilisées de nos jours pour la commande des allumeurs par un système basé sur la transmission par radio fréquence.

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.

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.

Ces travaux de thèse proposent une approche de réalisation d'intégration d'isolation galvanique optique plus performante entre la partie de commande éloignée et la partie de puissance d'un convertisseur d'énergie. Ce mémoire de thèse est composé de trois chapitres. Après une étude bibliographique et un positionnement de l'approche dans le premier chapitre, la conception de la puce de commande, les différentes fonctions développées seront vus en détail, et les résultats pratiques et les performances des réalisations effectuées seront présentés, avec plusieurs études de photodétecteurs et circuits de traitement intégrés en technologie CMOS. Dans le dernier chapitre de la thèse, un autre aspect sera abordé, en intégrant une alimentation flottante isolée générée par voie optique. Les avantages résultant de cette approche seront également discutés. Les puces de commande sont fabriquées en technologie CMOS standard C35 AMS pour les premiers prototypes et transférées en technologie CMOS SOI Xfab 018 afin de tester nos fonctions à haute température. La mise en œuvre du circuit de commande par voie optique dans un convertisseur de puissance sera réalisée afin de valider le fonctionnement de notre « gate driver ». / This works proposes an approach of optical galvanic isolation between the control parts on one side and the power transistors and their associated drivers on the other side. This thesis consists of three chapters. After a literature review and the proposition of our approach in the first chapter, the design of the control chip and the different developed functions will be seen in detail in the second chapter. The practical results and performance achievements will be presented with several integrated photodetectors and signal processing circuit in CMOS technology. In the last chapter of the thesis, an integrated optically floating power supply will be investigated. The benefits of this approach will be discussed. These fabricated chips are manufactured in standard CMOS AMS C35 technology for first prototypes and transferred in SOI Xfab 018 CMOS technology to test these functions at high temperature. The implementation of the optically control circuit in a power converter will be presented to validate the operation of our "gate driver".

Les dispositifs d’isolation galvanique intégrés au sein des systèmes de commande d’interrupteurs de puissance doivent répondre à une demande accrue en performance, facilité d’intégration et efficacité énergétique. Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (cMUT : capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer), capables d’émettre et de recevoir des ondes ultrasonores, semblent une alternative tout à fait nouvelle à la fonction d’isolation galvanique. Ces travaux de thèse ont pour objectif de démontrer la faisabilité d’un dispositif basé sur la technologie cMUT. Le principe de fonctionnement consiste à transmettre une information grâce à une communication par onde acoustique de volume entre deux réseaux de cMUT placés de part et d’autre d’un substrat. Nous focalisons, en premier lieu, ces travaux sur le processus de fabrication par micro-usinage de surface des cMUT ainsi que les techniques de réalisation des dispositifs en structure double face sur substrat de silicium. L’étude permet d’identifier le collage de substrat comme une solution de fabrication industrialisable. Suite à la réalisation des dispositifs, la caractérisation électro-mécanique des cMUT est une étapeessentielle à la validation de leur fonctionnalité en tant que dispositifs émetteurs. L’étude débute par uneévaluation des propriétés mécaniques du matériau constituant la membrane et qui impactent directementle comportement global des cMUT. Puis, la caractérisation du comportement statique et dynamique descMUT permet d’extraire les paramètres tels que la fréquence de résonance, la tension de collapse etl’efficacité électro-mécanique qui définissent le mode de pilotage d’un tel système.Finalement, la validation du concept de transmission et de détection d’ondes ultrasonores est réaliséegrâce à des mesures de vibrométrie laser Doppler. Les résultats apportent des éléments de réponse quantau mode de propagation des ondes et permettent d’identifier les topologies de meilleure efficacité entransmission acoustique. Enfin, l’intégration du prototype dans l’application de commanded’interrupteur de puissance démontre la faisabilité du concept de transformateur acoustique basé sur latechnologie cMUT. / Galvanic isolation devices integrated into switch command systems must be able to answer all of the increasing demand for performance, energetic efficiency and integration easiness. The capacitive micro machined ultrasonic transducers (cMUT), able to emit and receive ultrasounds, could be an entirely new alternative to the function of galvanic isolation. This work aims to demonstrate the feasibility of a cMUT-based device. The operating principle consists in transmitting information thanks to a bulk acoustic wave between two cMUT arrays located on both sides of a substrate. We first focus on cMUT surface micromachining fabrication process and techniques of double-side device manufacturing. Our study allows us to identify wafer bonding as a realistic industrial solution. After device fabrication, electro-mechanical of cMUT is an essential step to validate their functionality as ultrasonic emitters. The study starts with the mechanical properties evaluation of the membrane material. These properties directly impact the global behavior of cMUT. Then, the characterization of cMUT static and dynamic behavior allows extracting parameters as resonance frequency, collapsing voltage and electro-mechanical efficiency which define the actuation mode of such a system. Finally, the validation of transmission and reception of ultrasonic waves is evaluated by vibrometer laser Doppler measurements. Results bring elements concerning the waves propagation modes and allow identifying the best acoustical efficiency in regard to the topology. In conclusion, the prototype integration in the application of power switch command demonstrates the feasibility of acoustic transformer concept based on cMUT technology.

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.