La thèse porte sur l'intégration fonctionnelle autour des composants commandables bidirectionnels en courant et en tension, avec pour application, la conversion AC-AC à prélèvement sinusoïdal (PFC). La première partie du document de thèse présente la mise en oeuvre d'un gradateur AC-AC à l'aide de dispositifs intégrables. Certains bénéfices sont clairement mis en évidence à travers une analyse fonctionnelle et une validation expérimentale complètes. La seconde partie du mémoire porte sur l'intégration fonctionnelle des périphériques nécessaires à la mise en oeuvre d'un composant de puissance à structure verticale. En particulier, les conditions d'intégration, le contexte technologique et les performances électriques sont abordés et analysés. L'étude est conduite à travers un effort de modélisation conséquent, tant au niveau des composants que des interactions entre composants. Une validation expérimentale conduite au CIME-Nanotech apporte des conclusions intéressantes sur la démarche suivie.

L’objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de diagnostic dans le cas d'une commande en vitesse sans capteur mécanique (vitesse/position) d’une machine asynchrone triphasée en présence de défaut d'ouverture des transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) de l’onduleur. Une étude de l’impact de ces défauts sur les performances de ces structures sans capteur mécanique en termes de stabilité et de robustesse des observateurs en mode dégradé est présentée. Un observateur par mode glissant (Sliding Mode Observer) à base de modèle est développé et validé expérimentalement en vue de la commande sans capteur mécanique de la machine asynchrone triphasée. Les signaux issus de l’observateur (approche modèle) sont utilisés conjointement avec ceux mesurés (approche signale) pour former une approche hybride de diagnostic de défauts des transistors IGBT de l’onduleur. Un observateur par mode glissant d’ordre 2 à base d’un algorithme Super-Twisting est ensuite développé en vue d’améliorer la stabilité et d’assurer la continuité de fonctionnement du système en présence d'un défaut afin de pouvoir appliquer une stratégie de commande tolérante aux défauts dans les meilleures délais et conditions de fonctionnement. / The main goal of this thesis is to propose diagnostic strategies in the case of a sensorless speed control of a three-phase induction motor under an opened-switch or opened-phase fault. A qualitative analysis of the performances, in terms of stability and robustness, of sensorless control applied to the electrical drive in pre-fault and post-fault operation modes is presented. A model-based sliding mode observer is developed and experimentally validated for sensorless speed control of three-phase induction motor. The signals issued from the observer (model approach) as well as the measured ones (signal approach) are simultaneously used to form a hybrid approach for inverter open-switch fault detection and identification. A second-order sliding mode observer based on Super-Twisting algorithm (STA) is also developed to improve the stability and to ensure the continuity of operation of the electrical drive especially during transient states induced by the fault, permitting thus to apply the reconfiguration step without losing the control

Radio frequency oscillations up to several hundreds of MHz were observed during turn-off the high-current conducting IGBTs. They are described in this work as Transient Avalanche oscillations. Other than PETT oscillations that happen in the tail current phase, this oscillation appears during the rise of collector-emitter voltage VCE and during the fall of the collectoremitter current ICE. The turn-off process of IGBTs are investigated with the help of measurements, the circuit- and device-simulations to reveal the working mechanisms of transient high-frequency oscillations. For the first time the Transient Avalanche Oscillation is successfully reproduced with computer simulation, which allows the further investigation on the influences of individual parameters. The participation of IMPATT mechanism in Transient Avalanche oscillation is demonstrated. The interaction between IMPATT mechanism und PETT mechanism during the setting up of depletion region in IGBTs was investigated. Measures to suppress such oscillation are discussed on the levels of chip design, module design and the driver concept. Supplying electron current during critical phase is found to be an effctive method to avoid the dynamic avalanche and the TA-oscillation. / Radio Frequenz Oszillationen bis zu mehreren hundert MHz wurden während des Abschaltens von Hochstrom leitenden IGBTs beobachtet. Sie werden in dieser Arbeit als Transient Avalanche Oscillationen beschrieben. Anders als PETT Oszillationen, die in der Tail-Strom Phase vorkommen, erscheint diese Oszillation während des Anstiegs der Kollektor-Emitter-Spannung VCE und des Fallens des Kollektor-Emitter Stroms ICE. In dieser Arbeit werden die Abschaltvorgänge von IGBTs mit Hilfe von Messungen, Schaltungs- bzw. Device-Simulationen untersucht, um die Wirkungsmechanismen der transient erscheinenden hochfrequenten Oszillationen zu erklären. Es ist erstmals gelungen solche Transient Avalanche Oszillationen mit der Simulation zu reproduzieren und anschließend die Einflüsse einzelner Parameter zu untersuchen. Die Beteiligung des IMPATT Mechanismus an der Transient Avalanche Oszillation wurde nachgewiesen. Die Interaktion von IMPATT und PETT während Aufbau der Raumladungszone im IGBT wurde untersucht. Maßnahmen zur Unterdrückung der Oszillation werden auf den Ebenen von Chip-Design, Modulauslegung und der Treiberschaltung diskutiert. Das Zuführen des Elektrostromes während der kritischen Phase wird als ein effective Methode zur Vermeidung der TA-Oscillation nachgewiesen.

A bord des véhicules électriques (VE) et Hybrides (VEH), les fonctions de tractions sont assurées par des convertisseurs électroniques de puissances. Ces derniers sont constitués de module de puissance (IGBTs ou MOSFETs). Au cours de leur fonctionnement, ces modules sont parfois soumis à de fortes contraintes électriques et thermiques qui amènent à une défaillance ou même à une destruction. Le premier objectif sera de réaliser un banc expérimentale permettant d'étudier le vieillissement des modules IGBTs en régîmes extrêmes de fonctionnement (mode de court-circuit). Ainsi, nous évaluerons les différents indicateurs de vieillissements permettant de prédire la défaillance du composant. Il sera question aussi de suivre le vieillissement ou une dégradation initié sur les composants IGBTs par thermographie infrarouge. Le second objectif sera de modéliser et simuler par éléments finis différentes structures d'IGBTs, afin de valider les modèles en fonctionnement statique et dynamique. L'avantage de l'approche multicellulaire par rapport à l'approche unicellulaire sera mis en avant.

L'électronique de puissance a un rôle de plus en plus grandissant dans les systèmes de transports : voitures électriques et hybrides, trains et avions. Pour ces applications, la sécurité est un point critique et par conséquent la fiabilité du système de puissance doit être optimisée. La connaissance du temps de fonctionnement avant défaillance est une donnée recherchée par les concepteurs de ces systèmes. Dans cette optique, un indicateur de défaillance précoce permettrait de prédire la défaillance des systèmes avant que celle-ci soit effective. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la caractérisation électromécanique des puces de puissance IGBT et MOSFET. L'exploitation de cette caractérisation devrait permettre, à plus long terme, de mettre en évidence un indicateur de l'état mécanique des assemblages de puissance à des fins de fiabilité prédictive.

The use of insulated-gate bipolar transistor (IGBT)-based power converters is increasing exponentially. This is due to high performance of these devices in terms of efficiency and switching speed. However, due to the switching action, high frequency electromagnetic interference (EMI) noises are generated. Design of a power converter with reduced EMI noise level is one of the primary objectives of this research. The first part of the work focuses on designing common-mode (CM) filters, which can be integrated with differential-mode (DM) filters for three-phase pulse-width modulation (PWM) rectifier-based motor drives. This work explores the filter design based on the CM equivalent circuit of the drive system. Guidelines are provided for selection of the filter components. Different variants of the filter topology are evaluated to establish the effectiveness of the proposed topology. Analytical results based on Bode plot of the transfer functions are presented, which suggest effective EMI reduction. Experimental results based on EMI measurement on the grid side and CM current measurement on the motor side are presented. These results validate the effectiveness of the filter. In the second part of the work, it is shown that inclusion of CM filters into DM filters results in resonance oscillations in the CM circuit. An active damping strategy is proposed to damp the oscillations in both line-to-line and line-to-ground ac voltages and currents. An approach based on pole placement by state feedback is used to actively damp both the DM and CM filter oscillations. Analytical expressions for state-feedback controller gains are derived for both continuous-and discrete-time models of the filter. Trade-off in selection of the active damping gain on the lower-order grid current harmonics is analysed using a weighted admittance function method. In the third part of the work, single-phase grid-connected power converters are considered. An integrated CM filter with DM LCL filter is proposed. The work explores the suitability of PWM methods for single-phase and parallel single-phase grid-connected power converters. It is found that bipolar PWM and unipolar PWM with 180◦interleaving angle are suitable for single-phase and parallel single-phase power converters, respectively. The proposed configuration along with the PWM methods reduces the CM voltage, CM current, and EMI noise level effectively. It is also shown that the suggested circuit is insensitive to nonidealities of the power converter such as dead-time mismatch, mismatch in converter-side inductors, unequal turn on and turn off of the switches, and propagation delays. In the fourth part of the work, the inter-phase inductor in parallel interleaved power converters is integrated with LCL filter boost inductor. Different variant designs are presented and compared with the proposed structure. It is shown that the proposed structure makes use of standard core geometries and consumes lesser core material as well as copper wire. Hence, it reduces the overall size and cost of the power converter. In the present work, a 10kVA three-phase back-to-back connected with input LCL filter and output dv/dt filter, a 5kVA single-phase grid-connected power converter with LCL filter, and a 7.5kVA parallel single-phase grid-connected power converter with LCL filter are fabricated in the laboratory to evaluate and validate the proposed methods. The experimental results validate the proposed methods that result in significant EMI performance improvement of grid-connected power converters.

Depuis ces dernières années, parmi tous les composants de puissance, l’IGBT (Transistor Bipolaire à Grille Isolée) occupe une place prépondérante, On le retrouve dans une multitude d’applications et il est devenu un composant de référence de l’électronique de puissance. Dans cette thèse, nous nous intéresserons au fonctionnement de l’IGBT en conditions thermiques et électriques extrêmes. À l'aide de la simulation physique bidimensionnelle d'un modèle d'IGBT de type Punch Through à structure de grille en tranchée, on s'intéressera plus particulièrement aux limites des aires de sécurité, et plus précisément aux mécanismes qui peuvent amener à la défaillance du composant. Une étude expérimentale présentera le comportement de différentes structures d’IGBT dans différents modes de fonctionnement, on traitera plus particulièrement l’influence de la température et de la résistance de grille sur ces modes de fonctionnement. Enfin, une proposition d’amélioration d’IGBT sera développée en simulation mettant en œuvre une couche tampon SiGe. / For these last years, the IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) has occupied a dominating place comparing to other power components. Used in a multitude of applications, it became the component of reference in power electronics domain. In this thesis, I will be interested in operation of the IGBT in extreme thermal and electrical conditions. Using the simulation of a bi-dimensional physical model of a Punch Through Trench IGBT, I will be interested more particularly in the limits of the SOA (Safe Operating Area), and more precisely in the mechanisms which can lead to the failure of the component. An experimental study will present the behaviour of various structures of IGBT in various electrical and thermal operating conditions, more particularly the influence of the temperature and the gate resistance. Lastly, a proposal for an improvement of IGBT will be developed in simulation by implementing a layer SiGe in the N+ buffer layer of the IGBT.

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This master thesis deals with design and realization of multistage electromagnetic accelerating device (gun) and possibilities to increase its effectivity. This work contains a simulation of a magnetic circuit and designs of each components, inclusive of control circuits. Reached effectivity will be measured by appropriate methods.

This paper focuses on the Double Fed Induction Machine in the Pumped Storage Power Plants. It includes listing of this plants in the world, where such a technology is used; principle of Double Fed Induction Machine, its usage with variable speed, advantages and disadvantages and also experience of its usage.