Thèse doctorat : Électronique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3278. Bibliogr. p. 147-152.

Thèse (Ph. D.) -- Université Laval, 1997. / Bibliogr.: f. [166]-192. Publié aussi en version électronique.

Dans l’ère des systèmes de communication multi-standards, le besoin des circuits en radio fréquence (RF) flexibles et reconfigurables pousse l´industrie et le monde académique vers la recherche d´architectures alternatives d’émetteurs et de récepteurs RF. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux émetteurs RF flexibles. Nous présentons une architecture basée sur l’utilisation d’un oscillateur de puissance composé d´un amplificateur de puissance dans une boucle de rétroaction positive. Pour des raisons de compatibilité avec des circuit numériques et dans le but de minimiser les coûts de fabrication, nous avons choisi la technologie CMOS. Ce choix génère des difficultés de conception des circuits en RF à cause des faibles tensions de claquage. Cette contrainte de conception a motivé le choix de la classe EF2 pour l’amplificateur de puissance afin de réduire le stress en tension sur les transistors. Nous présentons la conception de cet amplificateur de puissance de classe EF2, ainsi que la conception de l’oscillateur de puissance. Nous validons cette architecture avec une implémentation en technologie CMOS 0.13um de STMicroelectronics. Nous démontrons le bon comportement par une campagne de mesures des circuits fabriqués. Ce circuit répond aux contraintes de flexibilité de modulation et de puissance de sortie. Il peut donc être utilisé pour différents standards de communications. Les limitations inhérentes de cette architecture sont discutées et une modélisation mathématique est présentée. / This work presents the study, design and measurement of RF circuits aiming communication applications. The need for flexible and reconfigurable RF hardware leads to the need of alternative transmitter architectures. In the center of this innovative architecture, there is thepower oscillator. This circuit is composed of a power amplifier in a positive feedback loop soit oscillates. As the circuit under study is mainly composed of a power amplifier, a study on power amplifier is mandatory. Modern CMOS technologies impose difficulties in the efficient RF generation due to low breakdown voltages. In order to reduce the voltage stress on the transistors, wave form-engineering techniques are used leading to the use of class EF2. Thedesign and measurement of a class EF2 power amplifier and power oscillator are shown. Thecircuits were implemented in standard STMicroelectronics 0.13um CMOS. Correct behaviorfor the circuits was obtained in measurement, leading to a first implementation of class EF2 inRF frequencies. From a system perspective, the proposed architecture is shown to be flexible and able to generate different modulations without change in the hardware. Reconfigurability is shown not only in modulation but also in output power level. The limitations of this architecture are discussed and some mathematical modeling is presented.

L’introduction des systèmes électriques notamment des dispositifs d’électronique de puissance « embarqués » dans le domaine de transport aérien, requiert une forte compacité et une forte intégration des systèmes de conversions électriques ainsi des fonctionnalités électroniques a des hautes t ambiantes dépassant les 200°C.Mais pour répondre à ces besoins, le silicium a atteint ses limites d'où le recours à des nouveaux matériaux semi-conducteurs comme ceux à grand gap.Dans le cadre de ses recherches, Thales, en collaboration avec le laboratoire SATIE , mènent des investigations sur les performances des semi-conducteurs en technologie sic pour développer des convertisseurs aéronautiques de nouvelle génération.Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre d'une étude des potentialités des premiers composants SiC disponibles sur le marché. Cette étude permet de comparer les principales performances de ces dispositifs ainsi que les contraintes spécifiques induites lors de leur intégration dans les convertisseurs aéronautiques. / The potential of wide band gap transistors based on silicon carbide are remarkable and open new prospects for improvement (high efficiency, high breakdown voltage, high switching frequency and high operating temperature ...). This leads to volume and weight reduction for future converters. In order to improve new generation of power converters for future needs, Thales, in cooperation with SATIE and LTN IFSTTAR laboratories, performs investigations on the performances, advantages and disadvantages of SiC technology semiconductors. This comparative study will assess the strengths and weaknesses as well as the stresses induced during integration into aircraft converters of commercially available devices.

Le variateur de vitesse est l’un des convertisseurs de puissance le plus utilisé en industrie ; il alimente les pompes, les ventilateurs, les convoyeurs, les ascenseurs …etc. Dans ces systèmes de conversion, les modules de puissance intégrants des composants IGBT représentent la partie cœur de conversion de l’énergie électrique AC/AC. En fonctionnement, ils sont sujets à des conditions fonctionnelles et environnementales sévères (cycles de température, humidité, vibrations …etc.). En raison de la puissance dissipée au niveau de leurs composants (IGBTs et diodes), le module subit des déformations d’origine thermomécanique, qui s’accumulent au fil du temps en limitant sa durée de vie et en impactant sur sa fiabilité. Dès lors, les industriels se trouvent non seulement face au développement des composants robustes et fiables, mais surtout être capable à élaborer des outils permettant la programmation des phases de maintenance. Dans cette thématique s’inscrivent les travaux de cette thèse. Durant laquelle nous essayons de répondre à ce besoin, en proposant une méthodologie de prédiction de durée de vie restante d’un module de puissance intégré au sein d’un variateur de vitesse de 15kW. En effet, nous développons un modèle de durée de vie restante nécessitant une modélisation électrothermique du système, un algorithme de comptage de cycles de température appelé le Rainflow et une loi de durée de vie obtenue à partir des tests de vieillissement. Le paramètre de durée de vie est ensuite calculé en appliquant la règle de Miner. Enfin nous proposons des stratégies de prise en compte de l’effet de dégradation pour ce modèle. / The motor drive is one of the most used power converters in industry; it drives pumps, fans, conveyers, elevators …etc. In this conversion systems, power modules integrating IGBT devices represent the core part in the AC/AC electrical energy conversion. During operation, they are subjected to severe functional and environmental conditions (temperature cycles, humidity, vibrations …etc.). Due to the dissipated power at the level of their devices (IGBTs and diodes), the module undergoes deformations of a thermomechanical origin, which accumulate over time limiting its lifetime and impacting on its reliability. Therefore, manufacturers are not faced only with the development of robust and reliable components, but above all they need to be able to develop tools for maintenance phases scheduling. In this scope, the thesis work is focused. During it, we try to bring a solution to this need, so we propose a remaining lifetime prediction methodology for an integrated power module inside a 15kW motor drive.Therefore, we develop a remaining lifetime model that requires an electrothermal modeling of the system, a temperature cycles counting algorithm called by the Rainflow and a lifetime law obtained from the aging tests. The lifetime parameter is then calculated by applying the Miner’s rule. Finally, we propose strategies to take into account the degradation effect on this model.

La performance en canoë-kayak de vitesse a été associée à la consommation maximale d'O2 (VO2max), au seuil lactate, ainsi qu'à l'aptitude anaérobie et à des qualités musculaires. Or, les particularités physiologiques du canoë-kayak de vitesse suggèrent que la composante périphérique du système aérobie, et plus particulièrement la capacité d'extraction d'O2 musculaire, serait un déterminant important de la performance. Une bonne compréhension des déterminants physiologiques de la performance est cruciale pour que les programmes d'entraînement et les tests utilisés pour le suivi des adaptations à l'entraînement chez les athlètes soient appropriés. Avec l'avènement d'appareils de spectroscopie dans le proche infrarouge portables et abordables, il est maintenant possible de mesurer les changements d'oxygénation musculaire (SmO2) de différents muscles actifs à l'effort. Ainsi, les objectifs des quatre articles inclus dans cette thèse étaient de caractériser les changements d'oxygénation musculaire à l'effort et en réponse à différents types d'entraînement afin de mieux comprendre le rôle des adaptations périphériques dans la performance en canoë-kayak de vitesse et d'explorer l'effet de différents types d'entraînement sur ces paramètres physiologiques et sur la performance. L'étude 1, examinant l'association entre les paramètres d'oxygénation musculaire et la performance au 200 m, 500 m et 1000 m, permet de conclure que l'extraction maximale d'O2 dans les muscles étudiés est le meilleur prédicteur de performance sur les trois distances, et suggère que l'extraction d'O2 est un meilleur prédicteur de performance que le VO2max en canoë-kayak de vitesse. Dans l'étude 2, l'évaluation de la réponse physiologique aiguë à diverses séances d'entraînement par intervalles indique que les séances d'entraînement par intervalles de sprint (SIT), comparativement aux séances d'entraînement par intervalles courts (HIIT), permettent d'induire les niveaux de SmO2 les plus faibles et d'accumuler le plus de temps à SmO2 faible, ce qui en ferait potentiellement un stimulus de choix pour générer des adaptations de la capacité d'extraction d'O2 musculaire. L'étude 3 visait à évaluer les changements d'oxygénation musculaire en réponse à un camp d'entraînement chez des athlètes élites, pour évaluer si l'entraînement actuellement prescrit chez les kayakistes suscite des adaptations périphériques. Suite au camp d'entraînement, l'amélioration de la performance sur 200 m et 1000 m était concomitante à une SmO2 réduite, suggérant une amélioration de la capacité d'extraction d'O2 chez les athlètes. Finalement, dans la dernière étude de cette thèse, l'effet d'un programme de SIT ou de HIIT sur les paramètres d'oxygénation musculaire et sur la performance au 200 m, 500 m et 1000 m a été mesuré, afin d'évaluer si les séances générant des niveaux de SmO2 faibles et soutenus présentaient un stimulus optimal pour l'amélioration de la capacité d'extraction d'O2. Le HIIT a permis d'améliorer la performance dans les trois contre-la-montre, alors que l'amélioration de performance était non significative après le SIT. Le VO2max était inchangé suite à l'entraînement, mais la désoxygénation maximale atteinte dans le contre-la-montre de 1000 m était accrue en réponse aux deux formes d'entraînement. Au 1000 m, l'amélioration de la performance avec l'entraînement était associée à l'augmentation de la désoxygénation maximale atteinte dans les muscles grand dorsal et vaste externe, spécialement dans le groupe HIIT. Alors que ces résultats ne supportent pas l'hypothèse que le SIT serait un meilleur stimulus pour générer des adaptations périphériques comparativement au HIIT, ils mettent en évidence la contribution des adaptations périphériques à la performance en kayak de vitesse. Ainsi, les résultats présentés dans cette thèse permettent une meilleure compréhension de la demande physiologique du canoë-kayak de vitesse et attestent du rôle des adaptations périphériques du système aérobie, et plus particulièrement de la capacité d'extraction d'O2 musculaire, comme déterminant physiologique de la performance. Ils permettent de confirmer que l'entraînement est associé à une augmentation de la capacité d'extraction d'O2, et que cette dernière est associée à l'augmentation de la performance. Devant ces résultats, il devient évident que l'entraînement des athlètes de canoë-kayak de vitesse devrait, entre autres, viser une optimisation des adaptations périphériques. La mesure des changements d'oxygénation musculaire à l'effort lors de tests, de séances d'entraînement et de contre-la-montre peut fournir une information précieuse sur le profil de l'athlète, permettre d'identifier les composantes physiologiques à optimiser chez l'athlète et d'évaluer sa réponse au programme d'entraînement, et serait un outil pertinent à ajouter au suivi effectué auprès des athlètes de canoë-kayak / Performance in sprint canoe-kayak has been associated with maximal O2 uptake (VO2max), lactate threshold, as well as anaerobic fitness and muscle qualities. However, the physiological peculiarities of sprint canoe-kayak suggest that the peripheral component of the aerobic system, and more precisely the muscle O2 extraction capacity, is an important determinant of performance. A good understanding of the key performance indicators is crucial to validate training programs and tests used to monitor training adaptations in athletes. With the advent of portable and affordable near infrared spectroscopy devices, it is now possible to measure changes in muscle oxygenation (SmO2) in different active muscles during exercise. Thus, the goals of the four articles included in this thesis were to characterize the changes in muscle oxygenation during exercise and in response to different types of training in order to better understand the role of peripheral adaptations in sprint canoe-kayak performance and explore the effect of different types of training on these physiological parameters and on performance. Study 1, examining the association between muscle oxygenation parameters and 200m, 500m and 1000m performance in provincial to international level canoe-kayak athletes, concludes that maximal O2 extraction in the muscles studied is the best predictor of performance over all three distances, and suggests that O2 extraction is a better predictor of performance than VO2max in sprint canoe-kayak. In Study 2, the evaluation of the acute physiological response to various interval training sessions indicated that sprint interval training (SIT), compared to short interval training (HIIT), induces the lowest SmO2 levels and cumulates the longest time at low SmO2, potentially making it a stimulus of choice to generate muscle O2 extraction adaptations, and therefore improve performance in sprint canoe-kayak. Study 3 assessed changes in muscle oxygenation in response to a 3-week training camp in a group of elite athletes, to assess whether the training usually prescribed to kayakers elicits peripheral adaptations. After the training camp, the improvement in performance over 200m and 1000m was concomitant with reduced SmO2, suggesting an improvement in O2 extraction capacity. Finally, in the last study of this thesis, the effect of a SIT or HIIT program on muscle oxygenation parameters and on performance over 200m, 500m and 1000m was measured, in order to assess whether sessions generating low and sustained levels of SmO2 present an optimal stimulus for improving O2 extraction capacity. HIIT improved performance in all three time trials, while performance improvements were trivial after SIT. VO2max was unchanged after training, but the maximum deoxygenation achieved in the 1000m time trial was increased in response to both training types. In the 1000m, the increase in performance with training was associated with the increase in maximal deoxygenation in the latissimus dorsi and vastus lateralis muscles, especially in the HIIT group. While these results do not support the hypothesis that SIT would be a better stimulus than HIIT to induce peripheral adaptations, they do highlight the important contribution of peripheral adaptations to sprint kayaking performance. Thus, the results presented in this thesis allow for a better understanding of the physiological demand of sprint canoe-kayak and attest to the role of peripheral adaptations, and more specifically of the muscle O2 extraction capacity, as a physiological determinant of performance. They confirm that training is associated with increased O2 extraction capacity, and that the latter is associated with increased performance. Given these results, it becomes clear that the training of sprint canoe-kayak athletes should aim at optimizing peripheral adaptations. Measuring changes in muscle oxygenation during exercise during tests, training sessions and time trials can provide valuable information on the athlete's profile, help identify the physiological components to be optimized and assess the athlete's response to the training program, and would be a valuable tool to add to the monitoring performed with canoe-kayak athletes.

Les travaux de cette thèse portent sur l'intégration monolithique de nouvelles fonctions pour les transistors de puissance à technologie verticale et grille isolée. Les efforts se sont concentrés plus particulièrement autour de deux fonctions : l'intégration monolithique d'un dispositif d'alimentation pour le circuit de commande rapprochée, et l'intégration monolithique d'un récepteur optique nécessaire à l'isolation galvanique entre la commande rapprochée et la commande éloignée. Le mémoire de thèse se structure en trois chapitres équivalents : présentation et validation des structures, modélisation analytique des phénomènes, et enfin conception et caractérisation des dispositifs. Les champs<br />d'applications de ces travaux couvrent un large spectre, favorisant l'émergence de convertisseurs de puissance innovants, à haute densité de puissance et coût de fabrication réduit.

Ce rapport de synthèse présente l'activité de recherche conduite au LEG par<br />Jean-Christophe Crébier sur intégration monolithique autour et au sein des<br />composants de puissance. La première partie présente les grandes lignes de ce<br />thème de recherche à travers la présentation des activités de recherche passées et<br />en cours et leurs positionnements par rapport à la communauté nationale et<br />internationale, scientifique et industrielles. Deux volets traitent par en particulier<br />des thèmes : auto-alimentation des commande de grille et protection réflexe en<br />tension. L'approche système, le contexte particulier de l'intégration monolithique<br />et les forts couplages de l'activité aux procédés technologiques sont abordés en<br />détails. La seconde partie du document de synthèse présente les perspectives de<br />recherche rattachées à cette thématique. On découvre entre autres les évolutions<br />futures envisagées vis à vis des travaux actuels. En particulier, la vision globale<br />des perspectives intégration de l'environnement électronique du composant de<br />puissance est bien détaillée, depuis l'alimentation, l'amplification de l'étage de<br />commande rapprochée jusqu'aux protections et dispositifs d'interfaçages. Un<br />volet particulier aborde le thème de la conception et plus particulièrement celui<br />de la conception assistée et de la capitalisation en intégration des systèmes de<br />puissance sur silicium.

Dans le domaine aéronautique, les systèmes électriques remplacement progressivement les systèmes de contrôle mécaniques ou hydrauliques. Les bénéfices immédiats sont la réduction de la masse embarquée et des performances accrues à condition que l'électronique supporte l'absence de système de refroidissement. Si la haute température de fonctionnement n'empêche pas d'atteindre une fiabilité suffisante, il y aura réduction des coûts opérationnels. Des étapes clefs ont été franchies en introduisant des systèmes à commande électriques dans les aéronefs en lieu et place de systèmes conventionnels : freins électriques, inverseur de poussée, vérins électriques de commandes de vol... Toutes ces avancées se sont accélérées ces dernières années grâce entre autre à l'utilisation de nouveaux matériaux semiconducteurs, dit à grand gap (SiC, GaN...), opérant à haute température et palliant ainsi une faiblesse des dispositifs classiques en silicium (Si). Des composants de puissance haute température, diode Schottky ou transistor JFET SiC, sont ainsi disponibles commercialement et peuvent supporter des ambiantes de plus de 220°C. Des modules de puissances (onduleur) à base de transistor JFET SiC ont été réalisés et validés à haute température. Finalement la partie " commande " de ces modules de puissance reste à concevoir pour les environnements sévères pour permettre leur introduction dans le module de puissance. C'est dans ce contexte de faiblesse concernant l'étage de commande rapprochée qu'a été construit le projet FNRAE COTECH, et où s'inscrivent les travaux de cette thèse, Dans un premier temps, un état de l'art sur les drivers et leurs technologies nous a permis de souligner le lien complexe entre électronique et température ainsi que le potentiel de la technologie CMOS sur Silicium sur Isolant (SOI) pour des applications hautes températures. La caractérisation en température de drivers SOI disponibles dans le commerce nous a fourni des données d'entrée sur le comportement de tels dispositifs. Ces caractérisations sont essentielles pour visualiser et interpréter l'effet de la température sur les caractéristiques du dispositif. Ces mesures mettent aussi en avant les limites pratiques des technologies employées. La partie principale de cette thèse concerne la conception et la caractérisation de blocs ou IPs pour le cœur d'un driver haute température de JFET SiC. Elle est articulée autour de deux runs SOI (TFSmart1). Les blocs développés incluent entre autres des étages de sortie et leurs buffers associés et des fonctions de protection. Les drivers ainsi constitués ont été testés sur un intervalle de température allant de -50°C à plus de 250°C sans défaillance constatée. Une fonction originale de protection des JFETs contre les courts-circuits a été démontrée. Cette fonction permet de surmonter la principale limitation de ces transistors normalement passant (Normaly-ON). Finalement, un module de bras d'onduleur a été conçu pour tester ces driver in-situ.

Les composants actifs en électronique de puissance sont principalement à base de Silicium. Or, le silicium a des limites en termes de température d'utilisation, fréquence de commutation et de tenue en tension. Une alternative au Si peut être les semi-conducteurs à grand gap tels que le SiC-4H. Grâce aux travaux de plusieurs équipes de chercheurs dans le monde, les performances s'améliorent d'année en année. Le laboratoire AMPERE conçoit, réalise et caractérise des composants de puissance en SiC-4 H. Cette thèse s'inscrit dans les projets SiCHT2 et VHVD du laboratoire. Le travail réalisé au cours de cette thèse repose sur la conception la fabrication et la caractérisation électrique de composantes haute tension en SiC-4H. Les paramètres de protection pour la diode bipolaire 6500V sont optimisés à l'aide des simulations à base d'éléments finis. Les paramètres du SiC pour les modèles utilisés pour la simulation sont développés par des travaux précédents. Ensuite, le masque est dessiné. La diode est réalisée chez IBS. La première caractérisation est effectuée avant le recuit post-métallisation en directe et inverse sans passivation finale. Après le recuit post-métallisation la résistance de contact est plus faible. La caractérisation de la tenue en tension a été effectuée à AMPERE puis à l'ISL à très haute tension. A l'aide de simulations à base d'éléments finis, les paramètres tels que la résistance de contact et la durée de vie des porteurs ont été affinés à partir des caractérisations électriques obtenues par l'expérience. Les autres travaux portent sur la conception, les optimisations et les fabrications des diodes 10 kV et transistors 6500 V.