L’intégration récente des systèmes de communication numériques embarqués à bord des trains pour la gestion du trafic introduit de nouveaux problèmes de compatibilité électromagnétique dans le milieu ferroviaire, notamment, pour le système GSM-R « Global System for Mobile Communications - Railway» sur lequel se focalisent les travaux de la thèse. Ce système est un système numérique élaboré employant des protocoles de communication qui lui permettent de résister à certaines perturbations électromagnétiques. Ainsi, son immunité électromagnétique ne peut pas être étudiée selon les méthodes traditionnelles standardisées, puisqu’elles sont adaptées principalement à des systèmes analogiques. La thèse consiste à caractériser l’environnement EM ferroviaire d’une manière adaptée au contexte du système GSM-R. En effet, il faut préalablement connaitre les perturbations EM qu’il peut rencontrer à bord d’un train. Ainsi, nous avons exploité les méthodes fréquentielle et temporelle pour caractériser les perturbations EM que peut subir son signal utile sous des conditions normales d’opération. Les résultats obtenus ont montré que les perturbations EM transitoires qui apparaissent lors d’un mauvais contact entre la caténaire et le pantographe sont la source principale de perturbations EM pour le système GSM-R. Ainsi, nous avons étudié minutieusement leurs caractéristiques temporelles et d’amplitude à travers une étude statistique de chaque paramètre. Suite aux résultats obtenus, nous avons pu générer des signaux de test représentatifs de ce que peut voir le système GSM-R à bord d’un train avant d’exploiter ces signaux pour l’étude de l’immunité EM de ce système en laboratoire. / The management of the European railway traffic will be ensured by the use of train’s embedded communication systems, particularly the GSM-R (Global System for Mobile communications – Railways). This system is exposed to the EM interferences observed on board trains and its EM immunity has to be guaranteed. However, the immunity the GSM-R cannot be studied according to the current standardized methods mainly developed for the test of analog systems. The GSM-R is a digital communication system having the ability to stand to some EM interferences, and its immunity has to be performed according to new methodologies considering these particular characteristics.The aim of this work is to develop new methodologies to characterize the railway EM environment adapted to the context of the GSM-R communication system. Firstly, the frequency and temporal measurement methods have been used in order to characterize the EM interferences observed on the GSM-R antennas in railway environment. The obtained results have shown that the transient EM events taking place between the catenary and the pantograph are the main source of disturbances for the GSM-R system. In order to study the immunity of this system against transient EM disturbances, in the second part, we have characterized these transients in terms of time and amplitude parameters. In the following, a statistical study of each parameter has been performed, and we have developed signals for immunity tests statistically similar to the observed railway environment’s interferences. At the end, the test signals have been used in order to study the immunity of the GSM-R system in a laboratory context.

Ce travail présente une nouvelle méthode de détermination des perturbations conduites générées par les convertisseurs statiques à plusieurs cellules de commutation. Cette méthode permet de faciliter la prise en compte des contraintes de Compatibilité Electromagnétique le plus tôt possible lors de la conception. La méthode proposée consiste en une étude conjointe des perturbations conduites en mode commun et en mode différentiel, en décomposant les circuits en blocs élémentaires, puis en superposant les perturbations dues aux différentes sources de pollution. Les performances CEM des circuits sont alors déterminées directement dans le domaine fréquentiel. Cette méthode vient en complément des méthodes de simulation des perturbations dans le domaine temporel qui sont plus précises, mais plus coûteuses en temps de calcul. Notre démarche a été rendue possible par l'utilisation d'un nouveau type de condensateurs dont les performances en découplage des hautes fréquences ne sont pas limitées par l'inductance série de leurs connexions, ceci grâce à une structure originale de réalisation des connexions en forme de quadripôles. Les cellules de commutation découplées au moyen de ces condensateurs forment des sources de perturbations indépendantes qui permettent l'étude des circuits complexes en effectuant une décomposition en "cellules CEM élémentaires".

Les convertisseurs de puissance sont largement utilisés de nos jours dans des applications qui demandent une grande autonomie énergétique, comme par exemple ceux qui sont alimentés par des batteries. En particulier, les amplificateurs de type Class-D sont fréquemment utilisés dans les applications audio. Ces amplificateurs commutés ont une architecture ressemblante à celle d'un convertisseur DC-DC, ce qui les permet d'avoir une efficacité énergétique élevée. Cependant, leur inconvénient majeur est la forte émission en perturbations électromagnétiques (EM). Cela peut causer des problèmes de conformité avec les normes de compatibilité électromagnétique (CEM), ou bien perturbé le bon fonctionnement des applications électroniques qui l'entour. Pour cela, ils existent de nombreuses études qui permettent de réduire les émissions d'un amplificateur de Class D. Cependant, cela n'est pas suffisant pour retirer le filtre de CEM. Il est donc nécessaire d'optimiser ces filtres et de faciliter leurs conceptions. Ceci est le but de la présente thèse et il est divisé en quatre grandes parties. La première partie commence par développer une technique de modélisation dans le domaine fréquentiel. Cette technique qui est basée sur la détermination et la manipulation des matrices d'impédances a comme but de simuler et prédire les perturbations EM générées par un amplificateur de Class D. Tous les aspects théoriques de la méthode ont été développés. Ensuite, une application pratique sur un système de Class D dédié à la téléphonie mobile nous a permis de valider la méthode jusqu'à une fréquence de 100 MHz. Un amplificateur de Class D est une source de perturbation aussi bien sur les rails d'alimentation que sur les rails de sortie. Pour cela, le filtre de CEM est nécessaire sur les rails de l'alimentation comme il y est en sortie. Néanmoins, un filtre correctement construit doit être conçu en prenant en compte l'impédance de la charge qui est la batterie dans ce cas. Pour cela, la deuxième partie a pour objectif la mesure de l'impédance de la batterie sur la gamme de fréquence considérée. Ainsi, une technique de mesure d'impédance de batterie en utilisant un impédance mètre est développée. Ensuite, une application expérimentale sur un convertisseur DC-DC et une batterie nous a permis de valider la procédure de mesure. La troisième partie s'est focalisée sur l'optimisation du filtre de CEM. Le modèle fréquentiel développé dans la première partie est intégré dans une boucle d'optimisation basée sur un algorithme génétique. L'optimisation inclus plusieurs critères dans sa fonction objective qui sont l'augmentation de la capacité du filtre à réduire les émissions EM, la diminution des pertes supplémentaires due à l'utilisation du filtre et finalement le gain du filtre dans la bande de fréquence du signal audio. Cette étude est poursuivie par une validation expérimentale. La quatrième et la dernière partie étudie et quantifie les impacts du filtre de CEM sur la qualité audio de l'amplificateur. En effet, le filtre de CEM est l'un des chemins propagation du signal audio. Par suite, tout comportement non linéaire du filtre conduit à la distorsion du signal audio. Pour cela, cette partie est dédiée à la modélisation et la simulation des composants passifs contenant un matériau magnétique. En particulier, l'étude s'est focalisée sur la modélisation des perles de ferrite en utilisant le modèle de matériaux magnétiques Jiles-Aterthon. Les résultats de simulations sont comparés avec la mesure dans le domaine temporel et fréquentiel. En plus, le calcul du taux de distorsion harmonique nous a permis de valider le modèle sur une large plage d'amplitude. / Switching power management circuits are widely used in battery powered embedded applications in order to increase their autonomy. In particular, for audio applications, Class-D amplifiers are a widespread industrial solution. These, have a similar architecture of a buck converter but having the audio signal as reference. The switching nature of these devices allows us to increase significantly the power efficiency compared to linear audio amplifiers without reducing the audio quality. However, because of the switching behavior, Class-D amplifiers have high levels of electromagnetic (EM) emissions which can disturb the surrounding electronics or might not comply with electromagnetic compatibility (EMC) standards. To overcome this problem much architecture appeared in the state of the art that reduces the emissions, however, this has never been enough to remove electromagnetic interference (EMI) filters. It is then useful to optimize these filters, thus, it has been set as the goal of this PhD thesis. The latter has been divided to four main axes which can be resumed by the following. First, this work started by developing a frequency domain modeling method in order to simulate and predict the EMI of Class-D amplifiers in the final application. The method is based on system to block decomposition and impedance matrix modeling and manipulation. After providing all the theoretical background, the method has been validated on integrated differential Class-D amplifier. The experimental measurements have permitted to validate the method only up to 100MHz. However, this is sufficient to cover the conducted EMC frequency band. Second, the EMI at the supply rails of Class-D amplifiers has been treated. As the battery is often the same power supply for all applications in an embedded system, an EMI filter or a decoupling capacitor is needed to prevent the noise coupling by common impedance. Designing this filter needs the knowledge of the battery impedance at the desired frequencies. Therefore the present work dealt also with measuring the high frequency impedance of a battery. Afterwards, an experimental validation has been carried on with a DC-DC converter and a Class-D amplifier. The developed model allows a virtual test of the switching device in the final application. However, it is more useful if the model is able to help the system integrator in designing filters. Thus, third, the model has been implemented in an optimization loop based on a genetic algorithm in order to optimize the filter response, and also, reduce the additional power losses introduced by an EMI filter. The optimization search space has been limited to the components available on the market and the optimization result is given as component references of the optimal filter referring to the optimal solution found. This procedure has been validated experimentally. Finally, EMI filters often are constituted by magnetic components such as ferrite beads or inductors with magnetic cores. Thus, introducing the EMI filter in the audio path, adds a nonlinear behavior in the audio frequency band. Designing a high quality EMI filter require taking into account this phenomenon and studying its impact of the original amplifier audio performance. Therefore, the Jiles-Atherton model for magnetic materials has been used for ferrite bead modeling. Hereafter, the impact on the time and frequency domain signals has been simulated and compared to measurements. Finally, the total harmonic distortion (THD) has been computed for different signal amplitudes and compared to the THD measured using an audio analyzer. Accurate results have been obtained on a wide range of signal amplitudes. As a conclusion, this work aimed to design optimal EMI filters for Class-D amplifiers. Thus, we dealt with improving their EMI response, reducing their additional power losses and evaluating their impact on the audio quality.

Le travail traite la réduction de la pollution électromagnétique d'une alimentation de 600 W. Avec les normes utilisées dans les télécommunications, type EN-55022, les alimentations doivent respecter les gabarits. La solution de réduction des perturbations est l'insertion de filtres anti-parasites lesquels sont chères. Nous travaillons sur de nouveaux moyens de dépollution.<br />Le premier chapitre explique l'ensemble de la problématique liée aux perturbations. Le chapitre suivant présente un logicielle prédéterminant la pollution du premier étage du convertisseur sur la plage 150 kHz-30 MHz. Dans le troisième chapitre, nous modélisons le second étage puis l'ensemble du convertisseur. Dans le chapitre quatre, un travail d'optimisation est expliqué. Dans le cinquième chapitre, nous développons le concept « du filtrage à répartition », puis nous nous focalisons sur l'influence d'un matériau magnétique pour l'inductance de boost. Nous finissons par un résumé de l'ensemble de la thèse.

Ces travaux de recherche portent sur la problématique CEM (Compatibilité Electromagnétique) en électronique de puissance. Cette étude s'intéresse particulièrement à la modélisation HF (haute fréquence) des convertisseurs d'énergie dans le but d'étudier la propagation des perturbations conduites vers le réseau avec ou sans l'utilisation du RSIL (Réseau Stabilisateur d'Impédance de Ligne). Une première partie présente les outils de modélisation des sources de perturbation dans les convertisseurs statiques.La seconde partie est consacrée à la modélisation HF d'un système d'entraînement à vitesse variable. L'onduleur de tension triphasé est représenté par trois générateurs équivalents afin de reconstituer le découpage des tensions de sortie. Un modèle HF du câble blindé de 4 conducteurs tenant compte de la dissymétrie est ensuite proposé. Les résultats de simulation ont été validés par des relevés expérimentaux. La comparaison montre qu'il est possible de modéliser correctement le comportement HF du dispositif jusqu'à 20MHz.Une troisième partie porte sur la propagation des perturbations conduites vers le réseau sans RSIL. Il a fallu pour cela déterminer et modéliser l'impédance du réseau. L'influence du pont redresseur à diodes sur la propagation des perturbations de mode commun a ensuite été étudiée. Les résultats de simulation montrent que l'impact de ces perturbations sur la tension réseau est prépondérant lorsque le pont redresseur est à l'état bloqué. Les résultats expérimentaux ont permis de valider cette étude. Ce travail se termine par une étude préliminaire sur l'association de deux convertisseurs connectés localement à une même source d'énergie

La fiabilité des microcontrôleurs est cruciale compte tenu de leur utilisation massive dans de nombreux domaines, surtout dans des environnements sévères. De ce fait, la robustesse aux perturbations électromagnétiques, en particulier à propos des alimentations, est un axe de développement majeur, que ce soit pour acquérir un avantage comparatif sur le marché, ou simplement pour assurer la sécurité des biens et des personnes. En ce sens, nous avons étudié le test de ces circuits soumis à des agressions transitoires rapides en salve définies par la norme IEC 61000-4-4. Les mécanismes spécifiques de propagation de la perturbation en mode commun sont mis en évidence, ainsi que leur conversion en mode différentiel. Plusieurs méthodes de mesure, dont certaines originales, ont été développées pour valider cette conversion, ainsi que les modes de propagation. Sur cette base, le réseau de distribution des alimentations a été particulièrement étudié et son influence sur la robustesse du circuit a été mise en évidence. Enfin, cette thèse ouvre de nouvelles perspectives d’amélioration de la robustesse des microcontrôleurs, pour ce type d’agression, et donc de leur fiabilité. / The reliability of the microcontrollers is crucial considering their massive use in numerous domains, especially in severe environments. Therefore, the robustness in the electromagnetic disturbances, in particular for the power supply network, is a major development, whether it is to acquire a comparative advantage on the market, or simply to assure the goods and people safety. Therefore, we studied the Fast Transient Burst test of integrated circuits, as defined by the IEC 61000-4-4 standard. The specific propagation mechanisms of the disturbance in common mode are highlighted, as well as their conversion in differential mode. Several measurements methods, among which certain novel, were developed to validate this conversion, as well as the propagation modes. Based on this, the power distribution network was particularly studied and its influence on the robustness of the circuit was highlighted. Finally, this work opens new perspectives of improvement of the microcontrollers’ robustness, for this kind of aggression, and thus their reliability.

Ces travaux de recherche portent sur la problématique CEM (Compatibilité Electromagnétique) en électronique de puissance. Cette étude s'intéresse particulièrement à la modélisation HF (haute fréquence) des convertisseurs d'énergie dans le but d'étudier la propagation des perturbations conduites vers le réseau avec ou sans l’utilisation du RSIL (Réseau Stabilisateur d'Impédance de Ligne). Une première partie présente les outils de modélisation des sources de perturbation dans les convertisseurs statiques.La seconde partie est consacrée à la modélisation HF d'un système d'entraînement à vitesse variable. L'onduleur de tension triphasé est représenté par trois générateurs équivalents afin de reconstituer le découpage des tensions de sortie. Un modèle HF du câble blindé de 4 conducteurs tenant compte de la dissymétrie est ensuite proposé. Les résultats de simulation ont été validés par des relevés expérimentaux. La comparaison montre qu'il est possible de modéliser correctement le comportement HF du dispositif jusqu'à 20MHz.Une troisième partie porte sur la propagation des perturbations conduites vers le réseau sans RSIL. Il a fallu pour cela déterminer et modéliser l'impédance du réseau. L'influence du pont redresseur à diodes sur la propagation des perturbations de mode commun a ensuite été étudiée. Les résultats de simulation montrent que l'impact de ces perturbations sur la tension réseau est prépondérant lorsque le pont redresseur est à l'état bloqué. Les résultats expérimentaux ont permis de valider cette étude. Ce travail se termine par une étude préliminaire sur l'association de deux convertisseurs connectés localement à une même source d'énergie / These research works focus on EMC (Electromagnetic Compatibility) in power electronics systems. Specifically, the study focuses on HF (high frequency) modeling of the power converters in order to study the conducted emissions toward the power grids with or without the use of an LISN (Line Impedance Stabilisation Network). The first part presents the modeling tools of the electromagnetic emissions sources in power converters.The second part describes the HF modeling method of an adjustable speed drive (ASD) that will be used to estimate the conducted emissions. In a first part, a behavioural model of PWM inverter is proposed as an EMI noise source. Then, a model of the shielded 4-wire energy cable that taking into account of the dissymmetry structure is proposed and validated in the frequency domain for two different lengths. The comparison of measurement and simulation results of conducted emissions (with LISN) shows the good compromise between the simulation duration and accuracy of the results.A third part is dedicated to the propagation of conducted emissions toward the power grid without using a LISN. The first stage consists in proposing a model impedance of the network impedance. The influence of the bridge rectifier diodes on the propagation paths of common mode disturbances has been studied in the second step. The simulation results show that the impact of these disturbances on the network voltage is more important when the bridge rectifier is normally off-state. The experimental results have validated this study. This work concludes with a preliminary study on the association of two converters connected locally to a single energy source

Avec les progrès technologiques réalisés au cours de ces dernières décennies, la complexité et les vitesses de fonctionnement des circuits intégrés ont beaucoup été augmentées. Bien que ces évolutions aient permis de diminuer les dimensions et les tensions d’alimentations des circuits, la compatibilité électromagnétique (CEM) des composants a fortement été dégradée. Identifiée comme étant un verrou technologique, la CEM est aujourd’hui l’une des principales causes de « re-design » des circuits car les problématiques liées aux mécanismes de génération et de couplage du bruit ne sont pas suffisamment étudiées lors de leur conception.Ce manuscrit présente donc une méthodologie visant à étudier la propagation du bruit à travers les circuits intégrés par mesures et par simulations. Afin d’améliorer nos connaissances sur la propagation d’interférences électromagnétiques (IEM) et les mécanismes de couplage à travers les circuits, nous avons conçu un véhicule de test développé dans la technologie SMOS8MV® 0,25 µm de Freescale Semiconductor. Dans ce circuit, plusieurs fonctions élémentaires telles qu’un bus d’E/S et des blocs numériques ont été implémentées. Des capteurs de tensions asynchrones ont également été intégrés sur différentes alimentations de la puce pour analyser la propagation des perturbations injectées sur les broches du composant (injection DPI) et sur les conducteurs permettant d’alimenter ce dernier (injection BCI). En outre, nous proposons différents outils pour faciliter la modélisation et les simulations d’immunité des circuits intégrés (extraction des modèles de PCB, approches de modélisation des systèmes d’injection, méthode innovante permettant de prédire et de corréler les niveaux de tension/ de puissance injectés lors de mesures d’immunité conduite, flot de modélisation). Chaque outil et méthode de modélisation proposés sont évalués sur différents cas test. Enfin, pour évaluer notre démarche de modélisation, nous l’appliquons sur un bloc numérique de notre véhicule de test et comparons les résultats de simulations aux différentes mesures internes et externes réalisées sur le circuit / With technological advances in recent decades, the complexity and operating speeds of integrated circuits have greatly increased. While these developments have reduced dimensions and supply voltages of circuits, electromagnetic compatibility (EMC) of components has been highly degraded. Identified as a technological lock, EMC is now one of the main causes of circuits re-designs because issues related to generating and coupling noise mechanisms are not sufficiently studied during their design. This manuscript introduces a methodology to study propagation of electromagnetic disturbances through integrated circuits by measurements and simulations. To improve our knowledge about propagation of electromagnetic interferences (EMI) and coupling mechanisms through integrated circuits, we designed a test vehicle developed in the SMOS8MV® 0.25µm technology from Freescale Semiconductor. In this circuit, several basic functions such as I/O bus and digital blocks have been implemented. Asynchronous on-chip voltage sensors have also been integrated on different supplies of the chip to analyze propagation of disturbances injected on supply pins and wires of the component (DPI and BCI injection). In addition, we propose various tools to facilitate modeling and simulations of Integrated Circuit’s immunity (PCB model extraction, injection systems modeling approaches, innovative method to predict and correlate levels of voltage / power injected during conducted immunity measurements, modeling flow). Each tool and modeling method proposed is evaluated on different test cases. To assess our modeling approach, we finally apply it on a digital block of our test vehicle and compare simulation results to various internal and external measurements performed on the circuit

Ce travail de recherche porte sur l’étude de l’effet du vieillissement par fatigue électrothermique sur la compatibilité électromagnétique des composants de puissance à base de carbure de silicium. Il est axé sur deux grandes parties ; une partie expérimentale et une autre plus orientée modélisation. Sur le plan expérimental, cette thèse étudie l’effet du vieillissement des transistors à base de carbure de silicium utilisés dans les convertisseurs statiques sur les perturbations électromagnétiques générées par ces convertisseurs. La deuxième partie porte sur la modélisation de ces transistors afin d’émuler l’effet de leur vieillissement sur les perturbations électromagnétiques des modules qu’ils composent. Cette dernière étape repose sur une étude de l’évolution des caractéristiques électriques statiques et dynamiques effectuées sur le composant sous test pour extraire les principaux paramètres intrinsèques du transistor de puissance dégradé après les séries de stress appliquées. En effet, ces paramètres intrinsèques dégradés émulent l’effet du vieillissement et sont représentatifs des principaux phénomènes pouvant influencer les convertisseurs de puissance étudiés. De ce fait, le changement de leurs valeurs dans le modèle du dit composant, décrit en VHDL-AMS et implémenté sur le simulateur de type circuit ANSYS SIMLORER, nous permet d’obtenir un modèle d’un tel composant après vieillissement. Cette étape a permis de valider la méthodologie développée pour la simulation des perturbations électromagnétiques conduites d’un composant sain dans un premier temps et d’un composant vieilli dans un second. Globalement, cette approche de modélisation innovante développée dans ce travail permet d’aider les concepteurs des convertisseurs statiques à prédire les perturbations électromagnétiques conduites avant et après vieillissement sans passer par la mesure et ses points faibles. Ceci apporte des informations complémentaires sur l’évolution des signatures CEM de tels modules durant sa durée de vie et d’estimer donc le risque lié au vieillissement des composants. / This research work focuses on the electrothermal aging effect on the electromagnetic compatibility of power components based on silicon carbide SiC. It focuses on two major parts ; an experimental part and another more oriented modelization. Experimentally, this thesis studies the aging effect of SiC transistors used in static converters on the electromagnetic interferences EMI generated by these converters. The second part deals with the modeling of these transistors in order to emulate the effect of their aging on the EMI of the modules they compose. This step made it possible to validate the methodology developed for the simulation of the conducted EMI of a healthy SiC MOFSET at first and of an aged SiC MOSFET in a second time. Overall, this innovative modeling approach developed in this work helps the designers of static converters to predict the conducted EMI before and after aging without going through the measurement. This provides additional information on the evolution of the EMC signatures of such modules during its lifetime and thus to estimate the risk associated with the aging of the components.