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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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17392
06/09/2017

Study of photovoltaic system integration in microgrids through real-time modeling and emulation of its components using HiLeS

A.GUTIERREZ GALEANO

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 6 Septembre 2017, 213p., Président: G.GARCIA, Rapporteurs: R.CASALLAS GUTIERREZ, J.J.RODRIGUEZ ANDINA, Examinateurs: C.CARREJO, O.LOPEZ SANTOS, Directeurs de thèse: C.ALONSO, F.JIMENEZ, Co-encadrant de thèse: M.BRESSAN , N° 17392

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01629204

Diffusable

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Résumé

L’intégration actuelle des systèmes photovoltaïques dans les systèmes d’alimentation conventionnels a montré une croissance importante, ce qui a favorisé l’expansion rapide des micro-réseaux du terme anglais microgrid. Cette intégration a cependant augmenté la complexité du système d’alimentation qui a conduit à de nouveaux défis de recherche. Certains de ces défis de recherche encouragent le développement d’approches de modélisation innovantes en temps réel capables de faire face à cette complexité croissante. Dans ce contexte, une méthodologie innovante est proposée et basée sur les composants pour la modélisation et l’émulation de systèmes photovoltaïques en temps réel intégrés aux microgrids. L’approche de modélisation proposée peut utiliser le langage de modélisation des systèmes (SysML) pour décrire la structure et le comportement des systèmes photovoltaïques intégrés en tenant compte de leurs caractéristiques multidisciplinaires. De plus, cette étude présente le cadre de spécification de haut niveau des systèmes embarqués (HiLeS) pour transformer les modèles SysML développés en code source destinés à configurer le matériel intégré. Cette caractéristique de la génération automatique de code permet de profiter de dispositifs avec un haut degré d’adaptabilité et de performances de traitement. Cette méthodologie basée sur HiLeS et SysML est axée sur l’étude des systèmes photovoltaïques partiellement ombragés ainsi que des architectures flexibles en électronique de puissance en raison de leur influence sur les microgrids actuels. En outre, cette perspective de recherche est utilisée pour évaluer les stratégies de contrôle et de supervision dans les conditions normales et de défauts. Ce travail représente la première étape pour développer une approche innovante en temps réel pour modéliser et émuler des systèmes photovoltaïques complexes en tenant compte des propriétés de modularité, de haut degré d’évolutivité et des conditions de travail non uniformes. Les résultats expérimentaux et analytiques valident la méthodologie proposée.

Abstract

Nowadays, the integration of photovoltaic systems into electrical grids is encouraging the expansion of microgrids. However, this integration has also increased the power system complexity leading to new research challenges. Some of these research challenges require the development of innovative modeling approaches able to deal with this increasing complexity. Therefore, this thesis is intended to contribute with an innovative methodology component-based for modeling and emulating in real-time photovoltaic systems integrated to microgrids. The proposed modeling approach uses the Systems Modeling Language (SysML) to describe the structure and behavior of integrated photovoltaic systems. In addition, this study presents the High Level Specification of Embedded Systems (HiLeS) to transform automatically the developed SysML models in embedded code and Petri nets. These characteristics of automatic code generation and design based on Petri nets allow taking advantage of FPGAs for application of real-time emulation of photovoltaic systems. This dissertation is focused on partially shaded photovoltaic systems and flexible power electronics architectures because of their relevant influence on current microgrids. Furthermore, this research perspective is intended to evaluate control and supervision strategies in normal and fault conditions. This work represents the first step to develop an innovative real-time approach to model and emulate complex photovoltaic systems considering properties of modularity, high degree of scalability, and non-uniform working conditions. Finally, experimental and analytical results validate the proposed methodology.

Mots-Clés / Keywords
FPGA; HiLes; Microgrid; Ombragé partiel; Photovoltaïque;

141333
17135
04/05/2017

Conception et réalisation d'un interrupteur bidirectionnel silicium pour des applications secteur : le transistor BipAC

H.RIZK

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 4 Mai 2017, 186p., Président: F.RICHARDEAU, Rapporteurs: Z.KHATIR, S.LEFEBVRE, Examinateurs: M.BREIL-DUPUY, L.THEOLIER, Directeurs de thèse: F.MORANCHO, A.BOURENANNE , N° 17135

Non diffusable

140053
17065
08/03/2017

Structuration de collecteurs de courant d'or pour la réalisation de micro-supercondensateurs à base d'oxyde de ruthénium

A.FERRIS

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 8 Mars 2017, 192p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: A.BALDUCCI, F.FAVIER, Examinateurs: P.SIMON, S.SADKI, C.LETHIEN, Directeurs de thèse: D.PECH, D.GUAY , N° 17065

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01502210

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Abstract

The increasing importance of portable and wearable electronics as well as embedded wireless sensor networks has made energy autonomy a critical issue. Micro-energy autonomy solutions based on the combination of energy harvesting and storage may play a decisive role. However, the short lifetime of micro-batteries is problematic. Micro-supercapacitors are a promising solution in terms of energy storage for embedded systems on the account of their important lifetime. In this work we have focused on the optimization of the performances of micro-supercapacitors in terms of energy and power density. As the capacitance is directly related to the accessible surface area of the electrodes, we have investigated the structuration of the current collectors in order to improve the performances of ruthenium oxide-based micro-supercapacitors. Two mains technics have been studied to obtain three dimensional structures. In a first phase, the oblique angle physical vapor deposition (OAD) has been investigated to fabricate a columnar gold structure, subsequently covered by an electrochemical ruthenium oxide. In a second phase, a highly porous gold architecture has been studied using electrodeposition via a hydrogen bubbles dynamic template. The ruthenium oxide electrodeposited on the resulting mesoporous gold structure shows good compatibility, in terms of homogeneous deposition, with a significant capacitance at slow rate (> 3F.cm-2) and an important cyclability. As proof of concept, a device has been designed in a stack configuration with good performances. Moreover, the technology finalized for electrodes fabrication has been transferred to the micro-scale on planar interdigitated devices using a suitable photolithography process.

Résumé

Depuis une dizaine d’années, on observe un développement de l’électronique embarquée intégrée à la plupart des objets que nous utilisons au quotidien. Il s’agit maintenant de les interconnecter en créant des réseaux embarqués connectés tels que les réseaux de capteurs autonomes sans fils. La miniaturisation des composants permet d’envisager une autonomie énergétique de ces réseaux composés de capteurs, récupérateurs d’énergie et de micro-batteries. Cependant la faible durée de vie des batteries et leur puissance limitée sont problématiques pour de telles applications. Les micro-supercondensateurs représentent une alternative pertinente pour la gestion de l’énergie dans les systèmes embarqués, notamment grâce à leur durée de vie très élevée. L’objectif de cette thèse concerne l’optimisation des performances de ces dispositifs en termes de densité de puissance et d’énergie. La capacité du supercondensateur étant proportionnelle à la surface spécifique des électrodes, nous nous sommes donc intéressés à la structuration de collecteurs de courant en or pour optimiser les performances des micro-supercondensateurs à base d’oxyde de ruthénium. Nous avons sélectionné deux principales techniques pour fabriquer une structure tridimensionnelle de l’or. Dans un premier temps, le dépôt physique d’or par évaporation à angle oblique (OAD) nous a permis de réaliser un substrat colonnaire suivi d’un dépôt d’oxyde de ruthénium. Dans un deuxième temps, nous avons mis en place un dépôt électrochimique d’or avec un modèle dynamique à bulles d’hydrogène. Cette technique permet la fabrication d’une structure d’or en trois dimensions par le biais d’un dépôt d’or réalisé simultanément avec une évolution d’hydrogène. L’électrodéposition de l’oxyde de ruthénium sur cette structure mésoporeuse a montré une très bonne compatibilité notamment en terme d’homogénéité du dépôt, une forte capacité à faible vitesse de balayage (> 3 F/cm2) et une bonne cyclabilité. Pour tester les performances de ces électrodes, nous avons réalisé un dispositif complet en configuration empilée présentant de bonnes caractéristiques. Cette technologie de fabrication a pu par ailleurs être transférée à la micro-échelle pour des dispositifs planaires à l’aide de procédés de photolithographie sur électrodes interdigitées.

Mots-Clés / Keywords
Dioxyde de ruthénium; Micro-supercondensateurs; Pseudo-capacité; Stockage de l'énergie; Structures 3D; Energy storage; Micro-supercapacitors; Supercapacitors; Pseudo-capacitance; Ruthenium oxyde; Structuration; Oblique angle deposition; Hydrogen bubbles dynamic template;

139393
17100
26/01/2017

Contribution à l'analyse des mécanismes de défaillance lors de décharges électrostatiques et de radiations aux ions lourds de composants MESFET en carbure de silicium

T.PHULPIN

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 26 Janvier 2017, 150p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: N.MALBERT, D.PLANSON, Examinateurs: X.PERPINYA, D.TOURNIER, A.TOUBOUL, Directeurs de thèse: P.AUSTIN, K.ISOIRD, D.TREMOUILLES , N° 17100

Lien : https://hal-univ-tlse3.archives-ouvertes.fr/tel-01493393

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Abstract

Power management is nowadays crucial with the global warming and the electronic needs of the society. Wideband gap semi-conductors like Silicon Carbide (SiC) are emerging in power electronic landscape because of their better properties in comparison with Silicon. Nevertheless reliability and knowledge about internal physic during electrostatic discharge (ESD) or radiation event is still missing and need specific studies. In this work, several SiC MESFET have been tested and results show two mains failure mechanism. First the passivation oxide clamping, and secondly the SiC sublimation induced by a parasitic structure in the device. An ESD protection was tested and validated. Unfortunately, this solution isn’t efficient for heavy ion protection. Indeed, no impact on the radiation robustness is noticed on the MESFET during a radiation event. SiC ESD reliability doesn’t look better than for Silicon devices. ESD robustness improvements are proposed in this work even if integration of this MESFET is still required to validate the improvement.

Résumé

La gestion de l’énergie électrique est aujourd’hui au cœur des enjeux environnementaux. L’éclosion de semi-conducteurs à grand gap comme le carbure de silicium (SiC) permet la réalisation de composants aux performances supérieures à celles des composants en silicium pour l'électronique de puissance. Toutefois, le comportement de ces dispositifs lors de décharges électrostatiques (ESD) ou lors de radiations est mal connu et nécessite des études spécifiques. Dans ces travaux, plusieurs composants MESFET SiC ont ainsi été testés face aux ESD et l’étude des mécanismes de défaillance a montré soit la défaillance de l’oxyde de passivation, soit la sublimation du SiC suite au déclenchement d’une structure parasite. L’intégration d’une diode Zener sur le drain du MESFET a ainsi été testée et validée comme protection ESD. La simulation démontre que la protection est inefficace par rapport à la tenue aux radiations d’ions lourds. Assurer la robustesse de ces technologies n’apparaît pas plus simple que pour les composants en silicium. Des solutions sont toutefois envisageables pour aider les concepteurs à améliorer la robustesse aux ESD, bien que des études supplémentaires restent à mener.

Mots-Clés / Keywords
Conception; Driver; ESD; Lock'in thermography; MESFET; Radiation; Robustesse; SiC;

139553
16450
01/12/2016

Conception et réalisation de composants de puissance à superjonction et à tranchées profondes pour des applications 600 V et 1200 V

S.NOBLECOURT

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 1 Décembre 2016, 150p., Président: P.AUSTIN, Rapporteurs: D.PLANSON, G.GAUTIER, Examinateurs: L.THEOLIER, Y.SPIGEL, Directeurs de thèse: F.MORANCHO, J.TASSELLI , N° 16450

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01451021

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Résumé

L’énergie et le transport sont au centre des recherches de développement durable. L’amélioration du rendement de la chaine énergétique passe inévitablement par une amélioration du rendement de chacune des parties la composant. Les activités de recherche en électronique de puissance s’inscrivent pleinement dans ces perspectives. L’objet de cette thèse est de proposer des solutions alternatives à l’utilisation de l’IGBT dans les convertisseurs employés pour le transport dans les gammes de 600V et 1200V. De nombreuses recherches se sont concentrées sur l’amélioration des composants MOSFET, notamment pour améliorer la résistance à l’état passant. Le concept de superjonction est le premier à avoir dépasser la limite théorique du silicium. Il consiste en une alternance de bandes N et P à la place de la zone de drift. A surfaces de silicium identiques, la surface de la jonction PN ainsi obtenue est alors beaucoup plus importante dans la superjonction que dans une diode traditionnelle. La tenue en tension va dépendre de la balance des charges entre ces différentes bandes et ne dépendra plus du dopage. Cela permet d’augmenter le dopage de la zone intrinsèque et d’ainsi diminuer la résistance à l’état passant sans entacher les performances dynamiques du composant. Ainsi, il est donc possible d’améliorer le rendement du composant et donc d’améliorer le rendement de la chaine énergétique. Dans une première partie, les travaux de thèse se sont focalisés sur la conception et l’optimisation de composants à superjonction et à tranchées profondes dans les gammes de 600V et 1200V. L’objectif est d’obtenir le meilleur compromis tenue en tension/ résistance à l’état passant pour ces gammes de tension. L’étude théorique a permis de comprendre le comportement de la tenue en tension de différents paramètres technologiques et géométriques. La tenue en tension est très sensible à l’équilibre des charges et à la verticalité des tranchées. La résistance passante, elle, est sensible à la profondeur de diffusion autour des tranchées et, plus généralement, au ratio de conduction entre la surface de la zone N et la surface totale. La structure a donc été optimisée afin de garantir le meilleur ratio « tenue en tension/résistance à l’état passant » en vue d’une réalisation technologique. De plus, les composants à Superjonction nécessitent une protection en périphérie adaptée. En effet, les terminaisons surfaciques telles que les anneaux de garde ne permettent pas d’étaler la zone de charge d’espace à des profondeurs suffisantes. La terminaison qui est la plus adaptée à cette technologie est la Deep Trench Termination car elle permet de conserver l’équilibre des charges en périphérie et ne rajoute pas d’étapes technologiques supplémentaires. Cette terminaison a donc fait l’objet d’une optimisation aux cours de ces travaux de thèse. La seconde partie de mes travaux concerne la réalisation de la structure optimisée précédemment. L’optimisation de la diode à Superjonction est liée à certains paramètres technologiques pouvant s’avérer critiques pour obtenir les performances électriques désirées: la verticalité des tranchées, l’implantation des zones de type P sur les flancs des tranchées et la maîtrise de leur remplissage par un diélectrique. Afin d’assurer un parfait équilibre des charges entre les régions N et P, la fabrication des tranchées profondes a été optimisée afin d’obtenir des flancs de gravure les plus verticaux possible avec une rugosité de surface la plus faible possible. De plus, un procédé visant à obtenir une même profondeur de gravure quelle que soit l’ouverture a été mis en place afin de permettre un remplissage total des tranchées profondes avec du BenzoCycloButene (BCB). L’étude du remplissage des tranchées a permis de mettre au point un procédé permettant le remplissage des tranchées en un seul dépôt.

Mots-Clés / Keywords
Benzocyclobutène; Composants de puissance; Energie; Superjonction;

138433
16260
22/06/2016

Optimization of the elaboration of insulating layers for the gate structures and the passivation of MIS-HEMT transistors on GaN

R.MEUNIER

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 22 Juin 2016, 141p., Président: A.CAZARRE, Rapporteurs: Y.CORDIER, M.P.BESLAND, Examinateurs: G.TOULON, F.MEDJOUB, Directeurs de thèse: F.MORANCHO, A.TORRES , N° 16260

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01376016

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Abstract

The objective of this Ph.D. is to define the best gate dielectric material to introduce in order to create a high-performance MIS-HEMT transistor on an AlGaN/GaN heterostructure. The aim is to reduce gate leakage current as much as possible while preserving a threshold voltage as high as possible in the case of normally-on type transistors. In order to achieve this, surface treatments before the high-k deposition were, and the deposition technique in itself was investigated. The choice made was to use alumina Al2O3 deposited by PEALD(plasma enhanced atomic layer deposition). In a second time, if time is sufficient, another objective is to achieve the creation of normally-off MIS-HEMT transistors, keeping in mind applying to those transistors the results previously obtained. This was done through complete recces etching of the AlGaN barrier under the gate, integrated in the making of a MIS-HEMT structure. Objectives were achieved in both cases, with state of the art results and their presentation in 4 international conferences. a paper was also published in a scientific journal.

Résumé

La thèse a pour but de définir quel est le diélectrique de grille optimal à introduire dans le cadre de la réalisation d'un transistor MIS-HEMT sur hétérostructure AlGaN/GaN. L'objectif est de réduire les courants de fuite de grille au maximum, tout en assurant une tension de pincement la plus élevée possible dans le cas de transistors de type normally-on. Afin de réaliser cela, les traitements de surface avant dépôt ont été étudiés, ainsi que la méthode de déposition en elle-même. Le choix réalisé a été celui de l'alumine Al2O3 déposé par PEALD (Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition). Un objectif secondaire fut la réalisation de structures MIS-HEMT de type normally-off, en leur appliquant les résultats obtenus précédemment. La solution retenue a été la gravure totale de la barrière d'AlGaN sous la grille par gravure ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching) à base de BCl3 intégrée dans la réalisation d'une structure MIS-HEMT. Les objectifs ont été atteints dans les deux cas, avec des résultats à l'état de l'art et des présentations dans 4 conférences internationales. Une publication a été faite dans une revue scientifique.

137413
15744
16/11/2015

Convertisseurs DC/DC à base de HFETs GaN pour applications spatiales

G.DELAMARE

ISGE

Doctorat : INP de Toulouse, 16 Novembre 2015, 136p., Président: F.MORANCHO, Rapporteurs: F.FOREST, J.P.FERRIEUX, Examinateurs: J.EVERTS, P.MAYNADIER, Directeur de thèse: H.SCHNEIDER , N° 15744

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01499458

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Résumé

L'amélioration de la compacité et du rendement des convertisseurs à découpage est une problématique centrale en électronique de puissance; elle l'est encore plus à bord des satellites où chaque gramme et chaque watt comptent. Chacun des nombreux émetteurs et récepteurs radiofréquence qui équipent les satellites de télécommunication a besoin d'être alimenté par diverses tensions, converties de façon isolée à partir du bus principal de distribution de puissance. En raison des lourdes contraintes thermiques, de fiabilité et de résistance aux radiations qui pèsent sur les composants électroniques dans les applications spatiales, les degrés de liberté pour améliorer les alimentations sont restreints, en tout cas avec les technologies actuelles de semiconducteurs qualifiés (couteuses et très en retrait des performances de l'état de l'art). La commercialisation assez récente de transistors de puissance en nitrure de gallium (GaN) à canal normalement bloqué, présentant des caractéristiques électriques supérieures à celles des meilleurs MOSFET de puissance en silicium, est prometteuse sur ce point. En effet leur robustesse intrinsèque aux radiations semble permettre leur emploi dans des convertisseurs spatiaux. Le but de ce travail est l'évaluation des apports possibles de cette technologie dans la réalisation d'alimentations DC/DC isolées pour des équipements typiques des charges utiles des satellites de télécommunication. Le fonctionnement à des fréquences de découpage plus élevées avec ces composants plus performants doit, au premier abord, réduire l'encombrement des convertisseurs à rendement égal (voire meilleur) tout en continuant à respecter le cahier des charges spécifique à chaque application. La pertinence de cette hypothèse et l'architecture de mise en œuvre la plus adéquate ont été explorées pour l'alimentation faible puissance d'un récepteur RF, avec réalisation et comparaison de plusieurs maquettes de démonstration. Afin d'aborder des convertisseurs de plus fortes puissances, une étude théorique et expérimentale des pertes par commutation dans les jambes de pont de transistors GaN a été menée. Un programme de calcul de performances a été développé en Python et mis en œuvre pour identifier l'optimum global du dimensionnement d'un convertisseur Dual Active Bridge destiné à l'alimentation d'un amplificateur RF de puissance (250 W DC). Une maquette prototype a été réalisée et a démontré l'intérêt de la topologie et des composants GaN dans cette application, tout en mettant en évidence la prédominance des pertes haute fréquence des composants magnétiques parmi les pertes totales du convertisseur. Ce dernier point s'avère finalement être la principale limitation de l'approche, précieuse pour l'ingénierie, de dimensionnement optimal par le calcul : les modèles actuellement existants d'estimation des pertes dans les éléments magnétiques se révèlent insatisfaisants pour prédire les performances de ce type de convertisseur.

Mots-Clés / Keywords
Convertisseur DC-DC; FET GaN; HFET; Spatial; Satellite; Electrotechnique;

139176
14667
16/12/2014

New concepts for normally-off power Gallium Nitride (GaN) High Electron Mobility Transistor (HEMT)

S.HAMADY

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 16 Décembre 2014, 121p., Président: J.G.TARTARIN, Rapporteurs: Y.CORDIER, C.FRANCIS, Examinateurs: F.LETERTRE, M.GAVELLE, F.MEDJOUB, Directeurs de thèse: F.MORANCHO , N° 14667

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01132563

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Abstract

AlGaN/GaN HEMTs are very promising candidates for high frequency applications with high power and low noise. While switching applications strongly demand normally-off operation, conventional HEMTs attain a channel populated with electrons at zero gate voltage making them normally-on. For the sake of achieving normally-off HEMTs, several structures have been proposed such as recessed gate structures, fluorine ion treatment, pn junction gate structures, thin AlGaN barrier and Gate Injection transistor. The effectiveness of the agent used to obtain normally-off, whether it is recessing the gate, introducing a cap layer or implanting fluorine, increases as the agent comes closer to the AlGaN/GaN interface. Unfortunately, when introducing a cap layer or recessing the gate, coming closer to the interface means decreasing the barrier thickness, which strongly affects the density of the 2DEG. In the case of fluorine implantation, getting closer will increase the probability of fluorine ions getting into the channel and hence degrade the mobility of the 2DEG. In this work we propose two new concepts to achieve normally-off operation. We suggest the introduction of negative fluorine ions on one hand or a p-GaN region on the other hand, below the channel, under the AlGaN/GaN interface and away from high current density regions. After calibrating the simulator using experimental results from a normally-on HEMT device, we have shown that our proposed structures are more effective: the concentration required to achieve normally-off operation is lower than in the other existing solutions and the confinement of the two dimensional electron gas below the gate is better. The proposed ideas were also applied to Metal Insulator Semiconductor HEMT (MIS-HEMT) and Gate Injection Transistor (GIT), giving rise to a normally-off HEMT with high controllable threshold voltage.

Résumé

Les transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) en AlGaN/GaN sont des candidats très prometteurs pour les applications haute fréquence, forte puissance et faible bruit. Alors que les applications de puissance exigent des interrupteurs normally-off, les HEMTs conventionnels sont, eux, normally-on, leur canal (gaz bidimensionnel d’électrons 2DEG) étant peuplé d’électrons pour une tension de grille nulle. Plusieurs structures de HEMTs ont été récemment proposées afin de satisfaire à la fonctionnalité normally-off : les plus notables sont celles à grille enterrée (“recessed gate”), à traitement aux ions fluor, à grille de jonction pn, à fine barrière d’AlGaN et à injection de grille (“Gate Injection Transistor”). L’efficacité de l’ « agent » utilisé pour obtenir la fonctionnalité “normally-off”, que ce soit une grille enterrée, une couche barrière ou du fluor implanté, augmente lorsque cet agent se rapproche de l’interface AlGaN/GaN. Malheureusement, introduire une couche barrière ou enterrer une grille proche de cette interface implique une diminution de la hauteur de barrière, ce qui affecte fortement la densité du gaz 2DEG. Dans le cas d’une implantation de fluor, se rapprocher de l’interface augmente la probabilité que des ions de fluor pénètrent dans le canal et dégradent ainsi la mobilité du 2DEG. Dans ce travail nous proposons deux nouveaux concepts pour réaliser la fonctionnalité normally-off. Nous suggérons l’introduction d’ions fluor négatifs d’une part ou d’une région P-GaN d’autre part, sous le canal et sous l'interface AlGaN/GaN, loin des régions à forte densité de courant. Après étalonnage du simulateur, à partir de résultats expérimentaux d’un dispositif HEMT conventionnel normally-on, nous avons montré que les structures proposées étaient plus efficaces : la concentration requise pour réaliser la fonctionnalité normally-off est plus faible que dans les solutions existantes et le confinement du gaz 2D d’électrons sous la grille est meilleur. Les idées proposées ont été aussi appliquées au Métal-Isolant-Semiconducteur HEMT (MIS-HEMT) et au Gate Injection Transistor (GIT), mettant en évidence la possibilité d’obtenir des HEMTs normally-off avec des tensions de seuil élevées.

134103
14628
09/12/2014

Ferrite-based micro-inductors for Power Systems on Chip: from material elaboration to inductor optimisation

T.Y.M.NGUYEN

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 9 Décembre 2014, 133p., Président: T.PARRA, Rapporteurs: E.LABOURE, S.ROY, Examinateurs: P.LEFRANC, Directeurs de thèse: M.BRUNET, J.P.LAUR , N° 14628

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01110428

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Résumé

Les composants passifs intégrés sont des éléments clés pour les futures alimentations sur puce, compactes et présentant des performances améliorées: haut rendement et forte densité de puissance. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier les matériaux et la technologie pour réaliser de bobines à base de ferrite, intégrées sur silicium, avec des faibles empreintes (<4 mm ²) et de faible épaisseur (<250 μm). Ces bobines, dédiées à la conversion de puissance (≈ 1 W) doivent présenter une forte inductance spécifique et un facteur de qualité élevé dans la gamme de fréquence visée (5-10 MHz). Des ferrites de NiZn ont été sélectionnées comme matériaux magnétiques pour le noyau des bobines en raison de leur forte résistivité et de leur perméabilité stable dans la gamme de fréquence visée. Deux techniques sont développées pour les noyaux de ferrite: la sérigraphie d’une poudre synthétisée au laboratoire et la découpe automatique de films de ferrite commerciaux, suivi dans chaque cas du frittage et le placement sur les conducteurs pour former une bobine rectangulaire. Des bobines tests ont été réalisées dans un premier temps afin que la caractérisation puisse être effectuée : les propriétés magnétiques du noyau de ferrite notamment les pertes volumiques dans le noyau sont ainsi extraites. L’équation de Steinmetz a permis de corréler les courbes de pertes mesurées avec des expressions analytiques en fonction de la fréquence et de l'induction. La deuxième phase de la thèse est l'optimisation de la conception de la micro-bobine à base de ferrite, en tenant compte des pertes attendues. L’algorithme générique est utilisé pour optimiser les dimensions de la bobine avec pour objectif ; la minimisation des pertes et l’obtention de la valeur d'inductance spécifique souhaitée, sous faible polarisation en courant. La méthode des éléments finis pour le magnétisme FEMM est utilisée pour modéliser le comportement électromagnétique du composant. La deuxième série de prototypes a été réalisée afin de valider la méthode d'optimisation. En perspective, les procédés de photolithographie de résine épaisse et le dépôt électrolytique sont en cours de développement pour réaliser les enroulements de cuivre épais autour des noyaux de ferrite optimisés et ainsi former le composant complet.

Abstract

On-chip inductors are key passive elements for future power supplies on chip (PwrSoC), which are expected to be compact and show enhanced performance: high efficiency and high power density. The objective of this thesis work is to study the material and technology to realize small size (<4 mm²) and low profile (< 250 μm) ferrite-based on-chip inductor. This component is dedicated to low power conversion (≈ 1 W) and should provide high inductance density and high quality factor at medium frequency range (5-10 MHz). Fully sintered NiZn ferrites are selected as soft magnetic materials for the inductor core because of their high resistivity and moderate permeability stable in the frequencies range of interest. Two techniques are developed for the ferrite cores: screen printing of in-house made ferrite powder and cutting of commercial ferrite films, followed in each case by sintering and pick-and place assembling to form the rectangular toroid inductor. Test inductors were realized first so that the characterization could be carried out to study the magnetic properties of the ferrite core and the volumetric core losses. The core losses were fit from the measured curve with Steinmetz equation to obtain analytical expressions of losses versus frequency and induction. The second phase of the thesis is the design optimization for the on-chip ferrite based inductor, taking into account the expected losses. Genetic algorithm is employed to optimize the inductor design with the objective function as minimum losses and satisfying the specification on the inductance values under weak current-bias condition. Finite element method for magnetics FEMM is used as a tool to calculate inductance and losses. The second run of prototypes was done to validate the optimization method. In perspective, processes of thick-photoresist photolithography and electroplating are being developed to realize the completed thick copper windings surrounding ferrite cores.

Mots-Clés / Keywords
Electromagnetic simulation; Ferrite; Integration; Micro inductor; Screen printing;

133965
14684
30/10/2014

Développement de filières technologiques pour la réalisation de micro-supercondensateurs intégrés sur silicium

T.T.MDINH

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 30 Octobre 2014, 169p., Président: P.SIMON, Rapporteurs: D.BELANGER, T.BROUSSE, Examinateurs: C.LETHIEN, Directeurs de thèse: M.BRUNET, D.PECH , N° 14684

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01150481

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Abstract

The recent advances in microelectronics have led, during the last decade, to the development of embedded systems, particularly wireless sensor networks. Many applications of these systems (industrial process optimization, traffic and environmental monitoring...) have attracted the attention of researchers and investors. One of the main challenges limiting the implementation of these wireless sensor networks remains the autonomy of energy. Harvesting micro-devices extracting renewable energy from various ambient environmental sources (thermal, mechanical, solar energy) have received in this sense an increasing research interest in recent years, with the objective to obtain autonomous self-powered systems. The harvested energy is usually stored in micro-batteries. However, these devices have low power, limited lifetime and restricted operation temperatures. The use of micro-supercapacitors, as an alternative or a complementary device to micro-batteries, could overcome these limitations. In this thesis, we have focused on the development of technological fields to realize on-chip micro-supercapacitors, with good properties in terms of power and energy density, operating voltage, size and lifetime. High resolution micro-supercapacitors with high performance have been obtained in this thesis. Innovative electrolytes as gels allowed to develop all-solid-state micro-devices, which can be produced on a large scale. Ultra-high specific capacitance has been also obtained by combining materials of high specific surface and materials of high specific capacitance within an electrode. Finally, asymmetric micro-supercapacitors have been developed for extending the potential window and, therefore, improving the energy density of the micro-devices.

Résumé

Les récents progrès de la micro-électronique ont permis, au cours de la dernière décennie, un développement des systèmes embarqués, particulièrement, les réseaux de capteurs autonomes sans fil. Les nombreuses applications qui en découlent (optimisation des procédés industriels, suivi de trafic, surveillance de l’environnement, de structures, médicale…) ont attiré, ces dernières années, l’attention des chercheurs et des investisseurs. L’un des principaux défis limitant la mise en oeuvre de ces réseaux de capteurs reste l’autonomie énergétique. Des solutions ont été proposées, notamment la récupération et le stockage de l’énergie présente dans l’environnement du capteur afin d’obtenir un système énergétiquement indépendant. Le stockage est actuellement principalement assuré par des micro-batteries. Ces dispositifs possèdent cependant une faible puissance, une durée de vie limitée et un domaine de fonctionnement en températures restreint. L’utilisation de micro-supercondensateurs, alternative ou complémentaire aux micro-batteries, permettrait de s’affranchir de ces limitations. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous nous sommes focalisés sur le développement de filières technologiques pour réaliser des micro-supercondensateurs intégrés sur silicium, possédant de bonnes performances en termes de densité de puissance et d’énergie, de tension d'utilisation, de taille et de durée de vie. Des micro-supercondensateurs performants et de forte résolution ont été obtenus au cours de cette thèse. Des électrolytes innovants sous forme de gels ont permis d’élaborer des micro-dispositifs tout solides, pouvant être produit à grande échelle. Des capacités spécifiques énormes ont par ailleurs été obtenues en combinant des matériaux de forte surface spécifique à des matériaux de forte capacité spécifique au sein d’une électrode. Enfin, des micro-supercondensateurs asymétriques ont été élaborés, permettant d’élargir la fenêtre de potentiel d’opération et, par conséquent, d’améliorer la densité d’énergie des micro-dispositifs.

Mots-Clés / Keywords
Matériaux énergétiques; Micro-supercapacitor; Nanotubes de carbone; Dépôt électrophorétique; Stockage de l'énergie;

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