Energy usage within the world is increasing at a drastic rate. Buildings currently consume a major amount of the total energy used within the United States, and most of this energy usage supports heating and cooling. This demand shows that new passive energy management systems are needed. The use of Increased Thermal Capacitance (ITC) is proposed as a new passive energy management system. To increase thermal capacitance, a piping system is either added into a building’s walls or ceiling. In this paper, a building with ITC added is compared to a similar building without ITC using the simulation program TRNSYS. Along with a comparison between the walls and ceiling, several parameters are analyzed for their effect on the performance of the ITC. ITC was found to be effective especially when located in the ceiling, with the location, specific heat and tank size being the most important factors.

This thesis characterizes the transient thermal response of a 12/16 External Rotor Switched Reluctance Machine (ERSRM) for an E-bike application. A method for calculating coil capacitance based on machine design parameters was introduced and implemented into a standard commercial Lumped Parameter Thermal Network (LPTN). A sizing criterion was proposed for the cuboid number in a physically accurate LPTN coil model design. This sizing criterion considers the change in model size with motor speed or forced convection. The LPTN with a more accurate calculation of capacitance within the coil and a known number of cuboids in the coil was validated with experimental results. An analytical proof was provided that a small number of capacitances is not sufficient to model a typical power-dense coil design. The validated model was used to study the impact of a more accurate capacitance calculation method on motor temperature. Both overload and rated operation were investigated. During overload conditions, it was found that the standard capacitance calculation from commercial software massively underestimated the heating rate and peak temperature of the coil hot spot, even with the same number of cuboids. The capacitance of the rest of the motor was able to be varied and investigated for its effects on cooldown dynamics. It was found that for short-time transients the coil could be assumed to act adiabatically in this operating range. Operating points across the operating envelope for the motor under study were mapped to determine the region where the adiabatic assumption could be made. It was shown that a transition occurred where the adiabatic assumption ceases to be valid. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / This thesis deals with the thermal modelling of electric machines for traction applications using lumped parameter thermal modelling. A novel approach is presented for calculating and distributing thermal capacitance in motor coils. A 12/16 External Rotor Switched Reluctance Motor is characterized based on its transient thermal response and the novel methods proposed are validated. The sizing of a coil-based thermal model is discussed and a criterion for physical validity proposed. The validated model is used in a sensitivity analysis of coil and motor capacitances. For severe overload conditions and short periods, a result is obtained showing the coil can be modelled as adiabatic. Finally, a rated load condition is tested, and a transition is suggested between overload conditions and non-overload conditions.

The result of this assignment is the Model for the Cable Thermal Characteristic Calculation. Firstly, there is a prepared overview that is focused on the essential ideas of cable technology. The following part describes the simple possibilities of passaging the heat. Secondly,the physical essence of warming cables as well as the possibility to discover the methods how to calculate the warming cables are also mentioned in this task.There is an opportunity to find the methods for calculating the warming cables as well. The model was verificationed in the conclusion of my assignment. The measurement was done and the empirical results were compared with the results that were achieved by modeling.

Accurate transistor models are important in wireless and microwave circuit design. Large-signal field-effect transistor (FET) models are generally extracted from current-voltage (IV) characteristics, small-signal S-parameters, and large-signal measurements. This dissertation describes improved characterization and measurement validation techniques for FET models that correctly account for thermal and trapping effects. Demonstration of a customized pulsed-bias, pulsed-RF S-parameter system constructed by the author using a traditional vector network analyzer is presented, along with the design of special bias tees to allow pulsing of the bias voltages. Pulsed IV and pulsed-bias S-parameter measurements can provide results that are electrodynamically accurate; that is, thermal and trapping effects in the measurements are similar to those of radio-frequency or microwave operation at a desired quiescent bias point. The custom pulsed S-parameter system is benchmarked using passive devices and advantages and tradeoffs of pulsed S-parameter measurements are explored. Pulsed- and continuous-bias measurement results for a high-power transistor are used to validate thermal S-parameter correction procedures. A new implementation of the steepest-ascent search algorithm for load-pull is presented. This algorithm provides for high-resolution determination of the maximum power and associated load impedance using a small number of measured or simulated reflection-coefficient states. To perform a more thorough nonlinear model validation, it is often desired to find the impedance providing maximum output power or efficiency over variations of a parameter such as drain voltage, input power, or process variation. The new algorithm enables this type of validation that is otherwise extremely tedious or impractical with traditional load-pull. A modified nonlinear FET model is presented in this work that allows characterization of both thermal and trapping effects. New parameters and equation terms providing a trapping-related quiescent-bias dependence have been added to a popular nonlinear ("Angelov") model. A systematic method for fitting the quiescent-dependence parameters, temperature coefficients, and thermal resistance is presented, using a GaN high electron-mobility transistor as an example. The thermal resistance providing a good fit in the modeling procedure is shown to correspond well with infrared measurement results.

Ce travail de thèse présente une évaluation approfondie des différentes techniques de mesure transitoire et dynamique pour l’évaluation du comportement électro-thermique des transistors bipolaires à hétérojonctions HBT SiGe:C de la technologie BiCMOS et des transistors Métal-Oxyde-Semiconducteur à effet de champ (MOSFET) de la technologie CMOS 45nm. En particulier, je propose une nouvelle approche pour caractériser avec précision le régime transitoire d'auto-échauffement, basée sur des mesures impulsionelles. La méthodologie a été vérifiée par des mesures statiques à différentes températures ambiantes, des mesures de paramètres S à basses fréquences et des simulations thermiques transitoires. Des simulations thermiques par éléments finis (TCAD) en trois dimensions ont été réalisées sur les transistors HBTs de la technologie submicroniques SiGe: C BiCMOS. Cette technologie est caractérisée par une fréquence de transition fT de 230 GHz et une fréquence maximum d’oscillation fMAX de 290 GHz. Par ailleurs, cette étude a été réalisée sur les différentes géométries de transistor. Une évaluation complète des mécanismes d'auto-échauffement dans les domaines temporels et fréquentiels a été réalisée. Une expression généralisée de l'impédance thermique dans le domaine fréquentiel a été formulée et a été utilisé pour extraire cette impédance en deçà de la fréquence de coupure thermique. Les paramètres thermiques ont été extraits par des simulations compactes grâce au modèle compact de transistors auquel un modèle électro-thermique a été ajouté via le nœud de température. Les travaux théoriques développés à ce jour pour la modélisation d'impédance thermique ont été vérifiés avec nos résultats expérimentaux. Il a été montré que, le réseau thermique classique utilisant un pôle unique n'est pas suffisant pour modéliser avec précision le comportement thermique transitoire et donc qu’un réseau plus complexe doit être utilisé. Ainsi, nous validons expérimentalement pour la première fois, le modèle distribué électrothermique de l'impédance thermique utilisant un réseau nodal récursif. Le réseau récursif a été vérifié par des simulations TCAD, ainsi que par des mesures et celles ci se sont révélées en excellent accord. Par conséquent, un modèle électro-thermique multi-géométries basé sur le réseau récursif a été développé. Le modèle a été vérifié par des simulations numériques ainsi que par des mesures de paramètre S à basse fréquence et finalement la conformité est excellente quelque soit la géométrie des dispositifs. / An extensive evaluation of different techniques for transient and dynamic electro-thermal behavior of microwave SiGe:C BiCMOS hetero-junction bipolar transistors (HBT) and nano-scale metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) have been presented. In particular, new and simple approach to accurately characterize the transient self-heating effect, based on pulse measurements, is demonstrated. The methodology is verified by static measurements at different ambient temperatures, s-parameter measurements at low frequency region and transient thermal simulations. Three dimensional thermal TCAD simulations are performed on different geometries of the submicron SiGe:C BiCMOS HBTs with fT and fmax of 230 GHz and 290 GHz, respectively. A comprehensive evaluation of device self-heating in time and frequency domain has been investigated. A generalized expression for the frequency-domain thermal impedance has been formulated and that is used to extract device thermal impedance below thermal cut-off frequency. The thermal parameters are extracted through transistor compact model simulations connecting electro-thermal network at temperature node. Theoretical works for thermal impedance modeling using different networks, developed until date, have been verified with our experimental results. We report for the first time the experimental verification of the distributed electrothermal model for thermal impedance using a nodal and recursive network. It has been shown that, the conventional single pole thermal network is not sufficient to accurately model the transient thermal spreading behavior and therefore a recursive network needs to be used. Recursive network is verified with device simulations as well as measurements and found to be in excellent agreement. Therefore, finally a scalable electro-thermal model using this recursive network is developed. The scalability has been verified through numerical simulations as well as by low frequency measurements and excellent conformity has been found in for various device geometries.

Ce travail concerne les transistors bipolaires à hétérogène TBH SiGe. En particulier, l'auto-échauffement des transistors unitaires et le couplage thermique avec leurs plus proches voisins périphériques sont caractérisés et modélisés. La rétroaction électrothermique intra- et inter-transistor est largement étudiée. En outre, l’impact des effets thermiques sur la performance de deux circuits analogiques est évalué. L'effet d'autoéchauffement est évalué par des mesures à basse fréquence et des mesures impulsionnelles DC et AC. L'auto-échauffement est diminué de manière significative en utilisant des petites largeurs d'impulsion. Ainsi la dépendance fréquentielle de l’autoéchauffementa été étudiée en utilisant les paramètres H et Y. De nouvelles structures de test ont été fabriqués pour mesurer l'effet de couplage. Les facteurs de couplage thermique ont été extraits à partir de mesures ainsi que par simulations thermiques 3D. Les résultats montrent que le couplage des dispositifs intra est très prononcé. Un nouvel élément du modèle de résistance thermique récursive ainsi que le modèle de couplage thermique a été inclus dans un simulateur de circuit commercial. Une simulation transitoire entièrement couplée d'un oscillateur en anneau de 218 transistors a été effectuée. Ainsi, un retard de porte record de 1.65ps est démontré. À la connaissance des auteurs, c'est le résultat le plus rapide pour une technologie bipolaire. Le rendement thermique d'un amplificateur de puissance à 60GHz réalisé avec un réseau multi-transistor ou avec un transistor à plusieurs doigts est évalué. La performance électrique du transistor multidoigt est dégradée en raison de l'effet de couplage thermique important entre les doigts de l'émetteur. Un bon accord est constaté entre les mesures et les simulations des circuits en utilisant des modèles de transistors avec le réseau de couplage thermique. Enfin, les perspectives sur l'utilisation des résultats sont données. / The power generate by modern silicon germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs) can produce large thermal gradients across the silicon substrate. The device opering temperature modifies model parameters and can significantly affect circuit operation. This work characterizes and models self-heating and thermal coupling in SiGe HBTs. The self-heating effect is evaluated with low frequency and pulsed measurements. A novel pulse measurement system is presented that allows isothermal DC and RF measurements with 100ns pulses. Electrothermal intra- and inter-device feedback is extensively studied and the impact on the performance of two analog circuits is evaluated. Novel test structures are designed and fabricated to measure thermal coupling between single transistors (inter-device) as well as between the emitter stripes of a multi-finger transistor (intra-device). Thermal coupling factors are extracted from measurements and from 3D thermal simulations. Thermally coupled simulations of a ring oscillator (RO) with 218 transistors and of a 60GHz power amplifier (PA) are carried out. Current mode logic (CML) ROs are designed and measured. Layout optimizations lead to record gate delay of 1.65ps. The thermal performance of a 60GHz power amplifier is compared when realized with a multi-transistor array (MTA) and with a multi-finger trasistor (MFT). Finally, perspectives of this work within a CAD based circuit design environment are discussed.

Ce travail de thèse présente une étude concernant la caractérisation des effets électrothermiques dans les transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) en SiGe. Lors de ces travaux, deux procédés technologiques BiCMOS à l’état de l’art ont été analysés: le B11HFC de Infineon Technologies (130nm) et le B55 de STMicroelectronics (55nm).Des structures de test dédiées ont étés conçues, pour évaluer l’impact électrothermique du back end of line (BEOL) de composants ayant une architecture à un ou plusieurs doigts d’émetteur. Une caractérisation complète a été effectuée en régime continu et en mode alternatif en petit et en grand signal. De plus, une extraction des paramètres thermiques statiques et dynamiques a été réalisée et présentée pour les structures de test proposées. Il est démontré que les figures de mérite DC et RF s’améliorent sensiblement en positionnant des couches de métal sur le transistor, dessinées de manière innovante et ayant pour fonction de guider le flux thermique vers l’extérieur. L’impact thermique du BEOL a été modélisé et vérifié expérimentalement dans le domaine temporel et fréquentiel et aussi grâce à des simulations 3D par éléments finis. Il est à noter que l’effet du profil de dopage sur la conductivité thermique est analysé et pris en compte.Des topologies de transistor innovantes ont étés conçues, permettant une amélioration des spécifications de l’aire de sécurité de fonctionnement, grâce à un dessin innovant de la surface d’émetteur et du deep trench (DTI).Un modèle compact est proposé pour simuler les effets de couplage thermique en dynamique entre les émetteurs des HBT multi-doigts; ensuite le modèle est validé avec de mesures dédiées et des simulations TCAD.Des circuits de test ont étés conçus et mesurés, pour vérifier la précision des modèles compacts utilisés dans les simulateurs de circuits; de plus, l’impact du couplage thermique entre les transistors sur les performances des circuits a été évalué et modélisé. Finalement, l’impact du dissipateur thermique positionné sur le transistor a été étudié au niveau circuit, montrant un réel intérêt de cette approche. / This work is focused on the characterization of electro-thermal effects in advanced SiGe hetero-junction bipolar transistors (HBTs); two state of the art BiCMOS processes have been analyzed: the B11HFC from Infineon Technologies (130nm) and the B55 from STMicroelectronics (55nm).Special test structures have been designed, in order to evaluate the overall electro-thermal impact of the back end of line (BEOL) in single finger and multi-finger components. A complete DC and RF electrical characterization at small and large signal, as well as the extraction of the device static and dynamic thermal parameters are performed on the proposed test structures, showing a sensible improvement of the DC and RF figures of merit when metal dummies are added upon the transistor. The thermal impact of the BEOL has been modeled and experimentally verified in the time and frequency domain and by means of 3D TCAD simulations, in which the effect of the doping profile on the thermal conductivity is analyzed and taken into account.Innovative multi-finger transistor topologies are designed, which allow an improvement of the SOA specifications, thanks to a careful design of the drawn emitter area and of the deep trench isolation (DTI) enclosed area.A compact thermal model is proposed for taking into account the mutual thermal coupling between the emitter stripes of multi-finger HBTs in dynamic operation and is validated upon dedicated pulsed measurements and TCAD simulations.Specially designed circuit blocks have been realized and measured, in order to verify the accuracy of device compact models in electrical circuit simulators; moreover the impact on the circuit performances of mutual thermal coupling among neighboring transistors and the presence of BEOL metal dummies is evaluated and modeled.