L'objectif de cette thèse s'oriente principalement sur l'étude du de puisclaquage post-radiatif des MOSFET sances irradiés aux ions lourds. Nous avons pu constater, pour la première fois, une réduction des paramètres de fiabilité et de durée de vie des MOSFET de puissance irradiés aux ions lourds grâce à un protocole de test combinant les connaissances sur les effets des rayonnements et des tests électriques accélérés. Les MOSFET ont été irradiés principalement en absence de polarisation, dans le but de discriminer tout effet dû aux polarisations. Grâce à des irradiations réalisées à différentes valeurs d'énergie, nous nous sommes intéressés aux effets de l'énergie des particules et des pertes d'énergie associées. Nous avons pu constater que la dégradation de la fiabilité des MOSFET ne peut pas être corrélée uniquement à l'énergie perdue par excitation électronique (LET), ou pour des ions avec la même valeur de LET obtenue pour deux énergies différentes, le pire cas a été observé à l'énergie la plus faible. Cette dégradation est même plus importante que celle obtenue à la valeur maximale de LET (au pic de Bragg). Appuyé par des résultats obtenus grâce à des irradiations aux neutrons, nous avons pu proposer une hypothèse qui est basée sur une corrélation entre l'effet des pertes d'énergie associées aux passages des ions et les mécanismes de claquage des diélectriques. / The goal of this thesis is oriented mainly on the study of Post Irradiation Gate Stress (PiGS) of power MOSFETs irradiated with heavy ions. We have seen, for the first time, a reduction of reliability parameters and lifetime of power MOSFETs irradiated with heavy ions using a test panel combining the knowledge of the effects of radiation and accelerated electrical test. MOSFETs were irradiated mainly with no polarization, in order to discriminate any effect attributed to the polarizations. Using irradiation performed at different energy values, we investigated the effects of the energy and energy lost by ionizing and non ionizing process. We have seen that the reliability degradation of MOSFETs can't be correlated only to the energy lost by electron excitation (LET), or ions with the same LET value obtained for two different energies, the worst case was observed at the lowest energy. This degradation is even greater than that obtained with the maximum value of LET (the Bragg peak). Supported by results obtained by neutrons irradiation, we could propose a hypothesis that is based on a correlation between the effect of energy lost associated with the passage of ions and mechanisms of dielectric breakdown.

L’environnement radiatif naturel est connu pour être sévère sur les composants électroniques de puissance. Il est caractérisé par des particules chargées électriquement, notamment des ions lourds et des protons. Dans le contexte avionique, c’est maintenant essentiel d’estimer les effets de dites particules : les MOSFETs de puissance sont en fait largement utilisés pour les caractéristiques électriques et le coût. Cette étude s’occupe de la prédiction du Single Event Effect (SEB) dans les MOSFETs de puissance : sur la base d’une analyse physique à travers des simulations TCAD, lemodèle de prédiction DELPHY est construit pour calculer les taux d’occurrence du SEB généré par ions lourds et protons. Le SEB provient de la génération d’une charge dans le composant, qui évolue via un courant élevé et auto-alimenté, ayant comme conséquence la destruction thermique du composant. Le SEB a été étudié dans ses différents aspects : c’est admit qu’il dépend de plusieurs facteurs, notamment la géométrie du composant, son dopage et sa polarisation ; la nature et le LET (Linear Energy Transfer) de la particule, le lieu et l’angle d’impact. Tous ces paramètres ne peuvent pas être contrôlés, et le compromis entre le coût et la fonctionnalité limite la mise en place des solutions de durcissement. Pour cette raison, un modèle de prédiction de l’occurrence SEB est nécessaire, ce qui fait l’objet de cette étude. Le modèle DELPHY est basé sur l’analyse physique du Single Event Burnout, à travers la simulation composant 2D TCAD, afin de maîtriser les paramètres cités auparavant qui sont pertinents pour le phénomène. Deux différentes topologies de composant on été étudiées (HEXFET et STRIPFET). A partir de cette analyse, une loi empirique de déclenchement a été calculée et un critère SEB basé sur le champ électrique et la charge déposée dans la couche epitaxiée a été défini. Les sections efficaces SEB ont été calculées pour des injections d’ions lourds. En prenant en compte la probabilité différentielle de génération des particules secondaires sous impact proton, les taux SEB ont été prédis aussi pour le cas du SEB généré par les protons. Toutes les sections efficaces calculées ont été comparées avec succès aux données expérimentales : d’abord avec les caractérisations composant publiées par le CNES ; en suite dans le cadre d’une étude spécifique commune ONERA-CERN afin de caractériser la prochaine génération des convertisseurs de puissance dans le Large Hadron Collider. DELPHY propose donc d’avoir un rôle essentiel comme instrument de prédiction SEB, et trace la route pour une amélioration de l’estimation des taux SEB. / The natural radiation environment has proved to be particularly harsh on power electronics devices. It is characterized by electrically charged particles such as heavy ions and protons among others. In particular, inside the atmosphere it has now become essential to estimate the effects of these particles: power MOSFETs in fact are widely used because of their appealing electrical characteristics and costs, thus making the prediction of destructive effects one of the fundamental parts of the project. This work focuses on the prediction of Single Event Burnout (SEB) inside power MOSFETs: based on physical analysis through TCAD simulations, the predictionmodel DELPHY is built in order to calculate occurrence rates of heavy ion and proton induced SEB. SEB consists of a charge generation inside the device, which evolves into a high and self-sustained current, whose main consequence is the thermal destruction of the component. SEB has been deeply studied in several aspects: it is now established that it depends on multiple factors, such as component geometry, doping and bias; particle nature and Linear Energy Transfer, impact location and angle. A power electronics designer does not have control over all the cited parameters, and the trade-off between cost and functionality limits the application of hardness measures at circuit and device level. For this reason, a SEB rate prediction model is neededand represents the object of this work. DELPHY model moves from physical analysis of SEB, performed with TCAD 2D simulations, in order to control the aforementioned factors which are relevant for the phenomenon. Two different MOSFET topologies have been studied (HEXFET and STRIPFET). Starting from this analysis, an empirical triggering law has been calculated and a SEB criterion based on electric field and charge deposition inside the epitaxial layer has been defined. SEB cross sections have then been calculated for heavy ion impacts. Taking into account the differential probability of secondary generation by proton impact, a SEB rate has been predicted also for proton induced SEB. All the calculated cross sections have been successfully compared to experimental data: firstly from a device characterization published by CNES; and secondly in the frame of a dedicated joint study ONERA-CERN to characterize next generation of Large Hadron Collider power converters. As a general conclusion, DELPHY model leads the way as a valid SEB prediction tool and opens new roads for enhancement of SEB rates estimation.

Dans le contexte écologique actuel, les équipementiers automobiles européens sont dans l’obligation de développer des systèmes innovants afin de réduire les rejets de gaz à effet de serre des véhicules. Les nouvelles applications électroniques micro-hybrides exigent le développement de stratégies quant à l’intégration des systèmes et la réduction des pertes. Ainsi, une proposition a consisté à réaliser des modules de puissance constitués de transistors MOSFETs basse tension fort courant. L’application de type alterno-démarreur plus communément nommée « Stop & Start »exige des composants toujours plus robustes et fiables du fait de la sollicitation en mode d’avalanche sous des températures pouvant atteindre 175°C.Les travaux de recherche présentés dans cette thèse portent donc sur l’aspect d’optimisation de la robustesse et de la fiabilité des composants. Tout d’abord, il était essentiel de comprendre l’avalanche et ses enjeux pour la technologie. Ensuite dans ce contexte, le procédé notamment autour de l’oxyde de grille a été amélioré afin de garantir la tenue en mode de sollicitation grille-source et grille-drain pour satisfaire les exigences de fiabilité. En outre, le développement d’un test innovant de la puce, dérivé du QBD, a permis d’évaluer précisément les modifications apportées sur le procédé de fabrication et d’être corrélé avec les résultats des essais de fiabilité. Enfin, le cycle de vie d’un MOSFET nécessite un suivi qualité précis qui se compose de deux aspects essentiels. En premier lieu, le suivi des paramètres électriques et de leur dérive par une analyse statistique « postprocessing». En second lieu, la mise en place d’un outil de traçabilité du module à la puce pour traquer les éventuels rejets dans l’application finale et remonter à la cause d’origine. Toutes les innovations présentées, dans ce mémoire, s’inscrivent dans une démarche novatrice de l’amélioration continue de la qualité des composants de type MOSFET de puissance / In the current ecologic context, the European automotive suppliers have to develop innovating systems inorder to reduce greenhouse gas rejects produce by vehicles. The new mild-hybrid electronic applications require the development of new strategies due to their integration and the reduction of power losses.Thereby, a proposition consisted in creating power modules constituted by MOSFETs characterized by alow blocking voltage under high current. The starter alternator reversible application also named “Stop &Start” requires robust and reliable components in order to support a high current solicitation in avalanche mode for temperatures up to 175°C.Research work presented in this thesis concerns the robustness and reliability enhancement of MOSFET components. First of all, the important part is about avalanche mode understanding and their issues. Inthis context, the fabrication process is a main part for quality and reliability requirements. Then, the workis focused on gate oxide process quality in order to hold gate-source and gate-drain stress modes.Moreover, the development of an innovating test at wafer level derivate from QBD test, allowed the precise evaluation of process modification thanks to the correlation with reliability campaign results. Finally, theMOSFET life cycle needs a quality monitoring constituted by two main steps. The first one is the monitoring of electrical parameters in time with a post-processing statistical analysis. The second one is the use of a traceability tool between the power module and the silicon die in order to highlight possible defects in the final starter alternator application, and understand failure root causes. The innovations presented in this thesis are included in the continued improvement approach for MOSFETs quality and robustness enhancement.

ABSTRACT The Lateral Double-Diffused Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (LDMOSFET or LDMOS) has made an enormous impact in the field of power electronics. Its integration, low cost, and power performance have made it the popular choice for power system on chips (SoC's). Over the years, much research has gone into ways of optimizing this crucial power device. Particularly, the safe operating area (SOA) has become a focus of research in order to allow a wide range of various bias schemes. More so, device ruggedness is an important factor in the usability of these devices as there are many circuits in which high current and voltage are present in a device. In this study, a conventional LDMOS is simulated using a 2-D device simulator. Two specific device enhancement techniques are implemented and analyzed, including a p+ bottom layer and an n-adaptive layer. The parasitic BJT of the LDMOS and its effect on SOA is investigated by using meaningful and in depth device cross-section analysis. The ruggedness of these devices are then considered and analyzed by means of an undamped inductive switching test (UIS). The purpose is to realize the relationship and the possible trade-offs between safe operating area enhancement and device ruggedness.

No description available.

Les systèmes d’imagerie médicale, principalement les systèmes à rayons X, sont devenus incontournables dans le diagnostic et le traitement des maladies complexes. Le générateur à rayons X fait partie des sous-systèmes critiques d’un système à rayons X. La technologie des générateurs à rayons X se complexifie et les contraintes vues par les composants augmentent. L’évaluation de la fiabilité du générateur à rayons X est par conséquent nécessaire afin d’optimiser la durée de vie de ce dernier. Dans ces travaux de thèse, une méthodologie d’évaluation de la fiabilité d’un générateur à rayons X est proposée. La méthodologie repose sur l’évaluation de la fiabilité allant du composant au système. Des essais de vieillissement sont d’abord réalisés au niveau des composants critiques du générateur afin d’identifier les mécanismes de défaillance et de construire les courbes de durée de vie permettant d’effectuer une prévision de fiabilité. Les paramètres du recueil de fiabilité FIDES ont aussi été utilisés pour construire les courbes de durée de vie des composants critiques. Une méthode de prévision de la fiabilité basée sur l’hypothèse du dommage cumulé avec la règle de Miner est proposée pour évaluer la durée de vie des composants critiques sous contraintes thermomécaniques. Cette méthode utilise les règles de comptage rainflow pour obtenir une distribution des différences de température vues par les composants critiques. Une association de fiabilité permet enfin d’estimer la durée de vie de chaque sous système du générateur à rayons X à travers ses composants critiques. / Medical imaging systems, mainly X-rays imaging systems, have become essential in the diagnosis and treatment of complex diseases. X-rays generator is one of the critical subsystems of a medical system. Its technology became more complex and constraints seen by the components increase. An assessment of X-rays generator reliability is therefore necessary to optimize its lifetime. In this thesis, a reliability assessment method of an X-rays generator is proposed. The methodology is based on the assessment of the reliability from component to system. Aging tests are first performed for X-rays generator critical components in order to identify failure mechanisms and build lifetime curves for performing reliability prediction. FIDES guide parameters were also used to construct critical components lifetime curves. A reliability prediction method based on the assumption of cumulative damage with Miner's rule is proposed to evaluate critical components lifetime under thermomechanical stresses. This method uses rainflow counting rules for the temperature cycles distribution of critical components. A reliability block diagram is finally used to estimate the lifetime of each X-ray generator subsystem through its critical components.

The purpose of this thesis is proposal of auxiliary power sources in electric traction. Specifically we deal with two converters. Both of them were used in traction vehicle's applications, which are developed by the Department of Power Electrical and Electronic Engineering, Brno University of Technology. First converter was used as a power supply in secondary traction mechanism of electric locomotive. Second one to power supply of dash board in automobile with fuel cells.

Solar Bora AB is a Linköping based company that provides end to end solution for clean and reliable energy. System developed by them generates high power 230V AC to run electrical appliances. The system consist of string of batteries which are charged by rooftop solar cells and the energy stored in the batteries is converted to AC to provide a grid voltage like experience even though the system is not connected to a grid. Energy stored in the batteries need to be converted from DC to AC efficiently. Inverter used for conversion should be efficient enough to reduce losses. This master thesis deals with optimization and Up-gradation of Half-Bridge inverter board so that switching loss can be minimized to increase efficiency. Initial part of the thesis involves investigation of different parameters which contribute to losses in inverter. Based on that some improvements were suggested in existing design of half-bridge board. Another task involved in the thesis was complete re-design of half-bridge. More efficient and robust components were selected for complete re-design. Based on new components and its specifications a new circuit and PCB was designed in Altium Designer. Lab testing was performed to verify the functionality of new Half-bridge.

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. / Power electronics has a role increasingly growing up in transport:electric and hybrid vehicles, trains and aircraft. For these applications, security is a critical point, thus the reliability of the power assembly must be optimized. The knowledge of time to failure is very important information for the designers of these systems. Inthis context, an early failure indicator would predict system failuresbefore it becomes effective. In this thesis, we focused on the electromechanical characterization of power transistors: MOSFET and IGBT. Based on these results this electromechanical characterization should help us in the longer term, to highlight an early failure indicator of the power assembly.

Diploma thesis describes the design of an switched mode power supply with switching at zero voltage for driving the anode of Anode-layer type ion source. First aim of thesis is ion sources and specialy Anode-layer type of ion source in detail. Main aim of thesis are important aspects of the design of switching mode power supply, which comes later the detailed construction of an switched mode power supply with output voltage 2800 V at output power 2800 W.