In 1927 an experimental farm was established in Carbon County, Utah. The farm is on a new irrigation tract south of the Price River and about four miles south of Price. The agricultural problems of the Carbon County Experimental Farm and the locality which it serves are distinctly different from those of most of the farming sections in Utah. The soil of this region is of a sandy, silty nature apparently with deflocculated colloids which make it somewhat difficult to manage. There is a low percentage of organic matter in this soil, and because of this and its impervious condition the soil absorbs water slowly. The range in moisture content at which the soil may be tilled is rather narrow.

Electromagnetic compatibility (EMC) standards for an accredited test laboratory require that the measurement uncertainty of the measuring instruments be characterized. The CISPR 16-4 standard gives guidance to the magnitude of this uncertainty, but no method of characterization. This thesis describes a method to perform this characterization on a conducted emissions measurement system, taking advantage of full system analysis techniques to reduce the uncertainty to exceptionally low levels. In addition, a framework is introduced whereby uncertainty can decomposed into its constituent parts such that the laboratory operator can identify methods to improve the systems performance.

Magister Legum - LLM / South Africa

Avec l'électrification des moyens de transports, en particulier dans les applications avions et l’automobile, la consommation électrique est en pleine croissance. Cela conduit à de nouveaux problèmes dans la phase de conception. Même si le développement en électronique de puissance permet d’avoir une meilleure gestion d’énergie, avoir un meilleur rendement et avoir une réduction de prix, cela génère des niveaux d’interférences électromagnétiques élevées. L’intégration de l’étude de la CEM dès la phase de conception pourra aider à prédire le profil des émissions conduites avant de passer au prototypage et donc éviter de perdre du temps et du coût de conception.Dans ce contexte, nous avons mis en évidence le besoin de la modélisation de nos composants d’un point de vue CEM. Ces modèles doivent être valable dans une plage de fréquence définit par la norme CISPR 25 dédiée au secteur automobile. L’approche de la modélisation doit être applicable sur tous les types de composants utilisés dans ce domaine tout en étant indépendants des fournisseurs qui ne donnent pas toutes les caractéristiques des composants qu’ils vendent ni des logiciels commercialisés qui aident à fournir des modèles de nos composants. Les travaux effectués pourraient se diviser en plusieurs étapes : la modélisation des composants passifs, la modélisation des composants actifs, la modélisation du PCB et l’optimisation du routage. / With the electrification of the transportation means, especially in avionics and automotive applications, power consumption is growing. This leads to new problems in the design phase. Even though the development in power electronics allows for better energy management, better performance and lower prices, it generates high levels of electromagnetic interference. Integrating the EMC study early in the design phase can help predict the profile of emissions conducted prior to prototyping and thus avoid wasting time and cost of design. In this context, we have highlighted the need for modeling our components from an EMC point of view. These models must be valid in a frequency range defined by the CISPR 25 standard dedicated to the automotive sector. The modeling approach should be applicable to all types of components used in this area while being independent of suppliers that do not provide all the features of the components they sell, or commercial software that helps provide models of our components. The work could be divided into several stages: passive component modeling, active component modeling, PCB modeling and routing optimization.

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This thesis develops a novel method to predict radiated emissions measurements. The techniques used are based on standard Electromagnetic Compatibility (EMC) qualification test methods. The empirical data used to formulate the final results was restricted to pertinent data protocol waveforms however the entire method may be applied to any waveforms for which empirical radiated emissions have been measured. The method provides a concise means for predicting worst case radiated emissions profiles based on empirical measured data.

Power factor correction (PFC) converter is a species of switching mode power supply (SMPS) which is widely used in offline frond-end converter for the distributed power systems to reduce the grid harmonic distortion. With the fast development of information technology and multi-media systems, high frequency PFC power supplies for servers, desktops, laptops and flat-panel TVs, etc. are required for more efficient power delivery within limited spaces. Therefore the critical conduction mode (CRM) PFC converter has been becoming more and more popular for these information technology applications due to its advantages in inherent zero-voltage soft switching (ZVS) and negligible diode reverse recovery. With the emerging of the high voltage GaN devices, the goal of achieving soft switching for high frequency PFC converters is the top priority and the trend of adopting the CRM PFC converter is becoming clearer. However, there is the stringent electromagnetic interference (EMI) regulation worldwide. For the CRM PFC converter, there are several challenges on meeting the EMI standards. First, for the CRM PFC converter, the switching frequency is variable during the half line cycle and has very wide range dependent on the AC line RMS voltage and the load, which makes it unlike the traditional constant-frequency PFC converter and therefore the knowledge and experience of the EMI characteristics for the traditional constant-frequency PFC converter cannot be directly applied to the CRM PFC converter. Second, for the CRM PFC converter, the switching frequency is also dependent on the inductance of the boost inductor. It means the EMI spectrum of the CRM PFC converter is tightly related the boost inductor selection during the design of the PFC power stage. Therefore, unlike the traditional constant-frequency PFC converter, the selection of the boost inductor is also part of the EMI filter design process and EMI filter optimization should begin at the same time when the power stage design starts. Third, since the EMI filter optimization needs to begin before the proto-type of the CRM PFC converter is completed, the traditional EMI-measurement based EMI filter design will become much more complex and time-consuming if it is applied to the CRM PFC converter. Therefore, a new methodology must be developed to evaluate the EMI performance of the CRM PFC converter, help to simplify the process of the EMI filter design and achieve the EMI filter optimization. To overcome these challenges, a novel mathematical analysis method for variable frequency PFC converter is thus proposed in this dissertation. Based on the mathematical analysis, the quasi-peak EMI noise, which is specifically required in most EMI regulation standards, is investigated and accurately predicted for the first time. A complete approximate model is derived to predict the quasi-peak DM EMI noise for the CRM PFC converter. Experiments are carried out to verify the validity of the prediction. Based on the DM EMI noise prediction, worst case analysis is carried out and the worst DM EMI noise case for all the input line and load conditions can be found to avoid the overdesign of the EMI filter. Based on the discovered worst case, criteria to ease the DM EMI filter design procedure of the CRM boost PFC are given for different boost inductor selection. Optimized design procedure of the EMI filter for the front-end converter is then discussed. Experiments are carried out to verify the validity of the whole methodology. / Ph. D. / Power factor correction (PFC) converter is widely used in offline frond-end converter for the distributed power systems to reduce the grid harmonic distortion. With the fast development of information technology and multi-media systems, high frequency PFC power supplies for servers, desktops, laptops and flat-panel TVs, etc. are required for more efficient power delivery within limited spaces. Therefore the critical conduction mode (CRM) PFC converter has been becoming more and more popular for these information technology applications. However, there is the stringent electromagnetic interference (EMI) regulation worldwide. For the CRM PFC converter, there are many challenges on meeting the EMI standards. To overcome these challenges, a novel mathematical analysis method for variable frequency PFC converter is thus proposed in this dissertation. A complete approximate model is derived to predict the quasi-peak DM EMI noise for the CRM PFC converter. Experiments are carried out to verify the validity of the prediction. Based on the DM EMI noise prediction, worst case analysis is carried out and based on the discovered worst case, criteria to ease the DM EMI filter design procedure of the CRM boost PFC are given for different boost inductor selection. Optimized design procedure of the EMI filter for the front-end converter is then discussed. Experiments are carried out to verify the validity of the whole methodology.

Actuellement, le développement de semiconducteurs et la demande croissante de convertisseurs en électronique de puissance dans les différents domaines de l’énergie électrique, notamment pour des applications dans l’aéronautique et les réseaux de transport et de distribution, imposent de nouvelles spécifications comme le fonctionnement à hautes fréquences de commutation, densités de puissance élevées, hautes températures et hauts rendements. Tout ceci contribue au fort développement des composants en SiC (Carbure de Silicium). Cependant, ces composants créent de nouvelles contraintes en Compatibilité Electromagnétique (CEM) à cause des conditions de haute fréquence de commutation et fortes vitesses de commutation (forts di/dt et dv/dt) en comparaison à d’autres composants conventionnels de l'électronique de puissance. Une étude des perturbations générées par les composants SiC est donc nécessaire. L'objectif de ce travail est de donner aux ingénieurs amenés à concevoir des convertisseurs une méthode capable de prédire les niveaux d'émissions conduites générées par un convertisseur électronique de puissance qui intègre des composants en SiC. La nouveauté du travail présenté dans cette thèse est l’intégration de différents modèles de type circuit pour tous les constituants d’un convertisseur (un hacheur série est pris comme exemple). Le modèle est valable pour une gamme de fréquences de 40Hz à 30MHz. Des approches de modélisation des parties passives du convertisseur sont présentées. Ces approches sont différentes selon que les composants modélisés soient disponibles ou à concevoir : elles sont basées sur des mesures pour la charge et les capacités ; elles sont basées sur des simulations prédictives pour routage du convertisseur. Le modèle complet du convertisseur (éléments passifs et actifs) est utilisé en simulation pour prédire les émissions conduites reçues dans le réseau stabilisateur d’impédance de ligne. Le modèle est capable de prédire l'impact de différents paramètres comme le routage, les paramètres de contrôle comme les différents rapports cycliques et les résistances de grille avec des résultats satisfaisants dans les domaines temporels et fréquentiels. Les résultats obtenus montrent que le modèle peut prédire les perturbations en mode conduit pour les différents cas jusqu'à une fréquence de 15MHz. Finalement, une étude paramétrique du convertisseur a été élaborée. Cette étude a permis de voir l’influence de la qualité des différents modèles comme les éléments parasites du routage, des composants passifs et actifs et d'identifier les éléments qui ont besoin d’un modèle précis pour avoir des résultats valides dans la prédiction des perturbations conduites. / The recent technological progress of semiconductors and increasing demand for power electronic converters in the different domains of electric energy particularly for applications in aeronautics and networks of transport and distribution impose new specifications such as high frequencies, high voltages, high temperatures and high current densities. All of this contributes in the strong development of SiC (Silicon Carbide) components. However these components create new issues in Electromagnetic Compatibility (EMC) because of the conditions of high frequency switching and high commutation speeds (high di/dt and dv/dt) compared to other conventional components in power electronics. A precise study of the emissions generated by SiC components is therefore necessary. The aim of this work is to give a method able to predict levels of conducted emissions generated by a power electronics converter with SiC components to engineers which design power converters. The novelty of the work presented in this thesis is the integration of different modeling approaches to form a circuit model of a SiC-based converter (a buck dc–dc converter is considered as an example). The modeling approach is validated in the frequency range from 40Hz to 30MHz. Modeling approaches of the passive parts of the converter are presented. Theses approaches differs according to whether the component is existing or to be designed : they are based on measurements for the load and capacitors; they are based on numerical computation and analytical formulations for PCB. The complete model obtained (passive and active components) is used in simulations to predict the conducted emissions received by the line impedance stabilization network. The model is able to predict the impact of various parameters such as PCB routing, the control parameters like duty cycles and different gate resistors in the time and frequency domains. A good agreement is obtained in all cases up to a frequency of 15MHz. Finally, a parametric study of the converter has been elaborated. This study allowed to see the influence of different models such as parasitic elements of the PCB, passive and active components and to identify the elements that need a precise model to obtain valid results in the prediction of conducted EMI.

Avec l’avancement technologique des circuits intégrés à travers la miniaturisation des tailles des transistors et leur multiplication au sein d’une même puce, l’intégration des circuits dans des systèmes embarqués complexes, principalement dans l’industrie aéronautique, spatiale et automobile, rencontre de plus en plus d’exigences en termes de respect des niveaux d’émission et d’immunité. De plus, étant donné que l’évolution des niveaux de Compatibilité Electromagnétique (CEM) des équipements électroniques doit respecter ces exigences à long terme, les marges définis par les industriels sont souvent surestimés et les systèmes de filtrages établis par les équipementiers peuvent être surdimensionnés. De ce fait, pour les circuits intégrés dédiés aux applications embarquées, il est nécessaire d’étudier les deux aspects qui concernent la modélisation CEM ainsi que la modélisation de la fiabilité. Ces dernières années, des standards ont été proposés et permettent la construction de modèles CEM prédictifs tel que ICEM-CE/RE (Integrated Circuit Emission Model for Conducted and Radiated Emission) et ICIM-CI (Integrated Circuit Immunity Model for Conducted Immunity). De plus, pour intégrer l’effet du vieillissement dans les modèles CEM, il faut étudier les principaux mécanismes de dégradation intrinsèques aux circuits intégrés qui accélèrent leur vieillissement tels que le HCI (Hot Carrier Injection), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), EM (Electromigration) et NBTI (Negative Bias Temperature Instability). Des modèles standardisés sont utilisés dans les différents domaines industriels qui permettent la construction de modèle de fiabilité tels que le standard MIL-HDBK-217 et le standard FIDES. Cependant, ils ne permettent de prendre en compte qu’un seul mécanisme de dégradation à la fois. Ce manuscrit de thèse introduit ces aspects de modélisation CEM et de fiabilité. Il traite également la construction d’un modèle d’émission conduite d’un FPGA avec la proposition de nouvelle méthodologie de modélisation. Ensuite, l’étude de la fiabilité du FPGA est décrite à travers l’utilisation d’un nouveau modèle permettant la prise en compte des différents mécanismes de dégradations et a été combiné au modèle CEM pour la prédiction des niveaux d’émissions conduite à long terme. / With the technological evolution of integrated circuits (ICs) through the transistors scaling, which leads to the multiplication of the number of transistors within a chip, the requirements in terms of emission and immunity levels become more restrictive in the aeronautic, space and automotive industries. Moreover, since the evolution of Electromagnetic Compatibility (EMC) levels of electronic equipment after aging must meet the EMC long-term requirements, the EMC margins defined by the manufacturers are often overestimated and the filtering systems designed by the equipment manufacturer could be oversized.Therefore, for the integrated circuits dedicated to embedded applications, it is necessary to study the different aspects of EMC modeling as well as the reliability the modeling. These last years, several standards have been proposed for the construction of predictive EMC models such as ICEM-CE/RE (Integrated Circuit Emission Model for Conducted and Radiated Emission) and ICIM-CI (Integrated Circuit Immunity Model for Conducted Immunity). On the other hand, to integrate the effect of aging in EMC models, it is important to study the main intrinsic degradation mechanisms that accelerate the aging of ICs, such as HCI (Hot Carrier Injection), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), EM (Electromigration) and NBTI (Negative Bias Temperature Instability). For this purpose, there are existing models for the reliability prediction, such as the MIL-HDBK-217 standard and the FIDES standard. However, these models could take into account only the activation of one degradation mechanism. The combination of several degradation mechanisms could be critical for the IC performances and could contribute in the evolution of EMC level.This thesis introduces the different aspects of EMC and reliability modeling. This work deals with the construction of a conducted emission model of an FPGA and the proposition of new modeling methodologies. Furthermore, the reliability of the tested FPGA is described using a new predictive model, which takes into account the activation of the different degradation mechanisms. The reliability model has been combined with the EMC model for the long-term conducted emission level prediction.

Au cours de ces dernières décennies, les avionneurs n’ont cessé d’augmenter la puissance électrique embarquée à bord des avions. Cette intensification de l’usage de l’électricité, dans le but de rationaliser les énergies secondaires de l’avion (pneumatique, hydraulique, mécanique) constitue le fondement du concept de l’avion plus électrique. Une des contreparties de l’augmentation du nombre de charges électriques réside dans le fait qu’elles doivent fonctionner dans le même environnement électromagnétique, ce qui engendre des problèmes de compatibilité. Cette discipline a été traitée jusqu’à présent en fin de développement d’un système, avant l’étape de la certification et de l’intégration sur avion. La prise en compte de ces contraintes dès la phase de conception, via l’estimation des perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées par simulation, peut permettre d’importants gains de temps et de coûts en réduisant les phases d’essais. La première étape de ce projet de recherche est la mise en place d’une approche de modélisation compatible avec les processus d’optimisation. Il est alors indispensable de prendre en compte l’ensemble des sous-systèmes qui composent la chaîne électromécanique, à savoir les RSILs, les câbles, le convertisseur et le moteur. L’approche de modélisation choisie est de type directe ; elle consiste à représenter la chaîne électromécanique dans la base de mode commun par des quadripôles. Ce modèle générique permet d’estimer les courants de mode commun directement dans le domaine fréquentiel en différents points du système. Par ailleurs, afin d’être compétitif vis-à-vis des autres vecteurs d’énergie présents sur avion, la densité de puissance des systèmes électriques doit être drastiquement augmentée. L’introduction des semi conducteurs grands gaps à base de Carbure de Silicium (SiC) permet de contribuer à l’augmentation de la densité de puissance des électroniques de puissance. Cependant, dans ces travaux de thèse, nous veillons à la non régression des performances au niveau système et notamment vis-à-vis de l’impact des émissions électromagnétiques conduites de mode commun. Une fois les modèles en émission établis, diverses solutions de filtrage sont étudiées : filtrage passif externe et interne. Une démarche d’optimisation multi-objectifs (masse, pertes) et multi contraintes (qualité réseau, stabilité, CEM, thermique, etc.) est proposée. Des études de sensibilité mettent en évidence les variables de conception ayant le plus d’impact sur les émissions conduites. Cette approche permet le dimensionnement optimal des composants de l’onduleur (module de puissance, dissipateur, filtres de mode commun et de mode différentiel, paramètres de la commande rapprochée). Les résultats obtenus grâce à l’algorithme génétique employé permettent de construire des courbes de tendance utiles pour l’aide au dimensionnement. / Over the last decades, aircraft manufacturers have not ceased to increase the electrical power on board aircrafts. This intensification of the use of electricity, in order to rationalize the secondary energies of the aircraft, lays the foundation for the concept of the More Electric Aircraft (MEA). One of the counterparts to increasing the number of the electrical loads is that they must operate in the same electromagnetic environment, which creates compatibility issues. This discipline has been treated so far at the end of the development of a system, before the stage of certification and aircraft integration. Taking into account these constraints from the design phase, via the estimationof conducted and radiated electromagnetic disturbances by simulation, significant time and costs savings could be achieved by reducing the test phases. The first step of this research project is the implementation of a modeling approach suitable with optimization processes. It is then essential to take into account all subsystems that form the electromechanical drive, namely the LISNs, the cables, the power converter and the electric motor. The modeling approach chosen is of the direct type; it consists of representing the electromechanical chain in the common mode base by two ports networks. This generic model allows us to estimate common mode currents directly in the frequency domain at different locations. Besides, one of the main challenges associated to MEA is thus to drastically increase the power density of electrical power systems, without compromising on reliability. The development of new Wide Bandgap (WBG) semiconductor technologies made of Silicon Carbide, can significantly increase efficiency, performance and power density of adjustable speed electrical power drive systems. Nevertheless, due to their higher switching speed and voltage overshoot, WBG semiconductors used in power converters of an electromechanical chain may have some drawbacks when it comes to ElectroMagnetic Interference. Understanding the switching behavior of WBG components is necessary in order to keep switching speed and overvoltage at a reasonable level. In this PhD thesis, we ensure that the introduction of this emerging technology does not lead to a regression of performance at system level. Once we establish the conducted emissions models, different filtering solutions have been used: external and internal passive filters. An optimization dedicated to the resolution of a multi-objectives problem (mass, losses) and multi-constraints (quality, stability, EMC, thermal, etc.) in order to minimize the mass of the converter is accomplished. Sensitivity studies led to the identification of the design variables which have the biggest impacts on conducted emissions. This tool allows the optimal sizing of the inverter’s components (power module, heat sink, common mode and differential mode filters, close control parameters). The results obtained thanks to the use of a genetic algorithm make it possible to develop trend curvesfor an inverter sizing.