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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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43documents trouvés

18537
17/12/2018

Stockage adaptatif pour noeud de capteur sans fil autonome et sans batterie

F.EL MAHBOUBI

ESE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 17 Décembre 2018, 195p., Président: N.NOLHIER, Rapporteurs: S.BASROUR, S.SISKOS, Examinateurs: C.LETHIEN, Directeurs de thèse: M.BAFLEUR, V.BOITIER , N° 18537

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02009722

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Abstract

Energy autonomy is a major challenge in the massive deployment of wireless sensor networks in numerous applications. Energy harvesting and storage can serve as solutions to the autonomy issues. However, the harsh environment of certain applications requires a long lifetime since the use of batteries for storage is prohibited. We then resort to storage on ultra-capacitors. This type of storage has disadvantages that require a compromise between 3 factors: the fast charge of ultra-capacitors (low capacity), the maximum energy storage (strong capacity), and the maximization of stored energy utilization (low residual voltage). To meet these seemingly contradictory criteria, we propose three self-adaptive storage architectures. The first consists of a matrix of four identical ultra-capacitors, interconnected by switches, whose equivalent capacity adapts to the stored energy. The second and third architectures consist of two ultra-capacitors, one of low capacity and the other of large capacity, the difference between the two architectures being related to the number and type of switches used. The self-adaptive storage architectures that we propose include a suitable self-powered control circuitry to vary the apparent capacity of the device. In addition, each architecture allows a cold start with completely empty ultracapacitors. These three architectures were first optimized through simulation, and then validated experimentally with discrete components. Finally, we implemented the self-adaptive storage architecture with two ultra-capacitors in a completely wireless measurement system, using an energy harvesting source and its associated electronics for its power supply, and demonstrated the relevance of this approach of reconfigurable storage. In conclusion, we deduce that the topologies can reach an efficiency of energy usage of up to 94.7% by employing discrete components, a value that could be further improved through the exploitation of a silicon integrated version for both the control circuitry and the ultra-capacitors.

Résumé

L’autonomie énergétique est un verrou majeur au déploiement massif de réseau de capteurs sans fil dans nombreuses applications. La récupération d’énergie et son stockage constituent une voie pour améliorer cette autonomie. Dans certaines applications en environnement sévère ou nécessitant des durées de vie élevées, l’utilisation de batteries pour le stockage est prohibée. On a alors recours à du stockage sur supercondensateurs. Ce type de stockage présente des inconvénients nécessitant un compromis entre 3 facteurs : la charge rapide des supercondensateurs (capacité faible), l’énergie maximale stockée (capacité forte) et la maximisation de l’usage de l’énergie stockée (tension résiduelle basse). Pour répondre à ces critères apparemment contradictoires, nous avons proposé trois architectures de stockage auto-adaptatif. La première est composée d’une matrice de quatre supercondensateurs identiques, interconnectés par des interrupteurs, dont la capacité équivalente s’adapte à l’énergie stockée. Les deuxième et troisième architectures sont constituées de deux supercondensateurs, l’une de capacité faible et l’autre de capacité grande, la différence entre les deux architectures étant liée au nombre et type d’interrupteurs utilisés. Les architectures de stockage auto-adaptatif que nous avons proposées incluent une circuiterie de contrôle appropriée autoalimentée et permettant de faire varier la capacité apparente du dispositif. De plus, chaque architecture permet un démarrage à froid avec des supercondensateurs complètement vides. Ces trois architectures ont d’abord été optimisées en simulation puis validées expérimentalement en composants discrets. Finalement, nous avons implémenté l’architecture de stockage auto-adaptatif à deux supercondensateurs au sein d’un système de mesure sans fil complet utilisant une source de récupération d’énergie et son électronique associée pour son alimentation et montré la pertinence de cette approche de stockage reconfigurable. En termes d’efficacité d’usage de l’énergie, elles permettent d’atteindre jusqu’à 94,7% en composants discrets, valeur qui pourrait être encore améliorée en version intégrée sur silicium à la fois pour la circuiterie de contrôle et les supercondensateurs.

Mots-Clés / Keywords
Stockage adaptif; Supercondensateur; Capteur sans fil; Récupération d’énergie;

146375
18595
13/12/2018

Conception d'un réseau LVDC à base de sources d'énergie durable et de plusieurs types d'éléments de stockage électrochimiques

K.NEUHAUS

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 13 Décembre 2018, 176p., Président: B.ESTIBALS, Rapporteurs: A.DEBERNARDINIS, J.P.FERRIEUX, Examinateurs: G.DA COSTA, M.SUGIYAMA, Directeurs de thèse: C.ALONSO, P.L.TABERNA , N° 18595

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02080092

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Résumé

Dans le contexte d’une crise énergétique, écologique et climatique, l’intégration de sources d’énergie renouvelables dans les réseaux électriques apparait comme une nécessité absolue. Cette thèse en collaboration entre le LAAS et le CIRIMAT propose dans un premier temps une étude bibliographique des technologies de production d’énergie renouvelable, des éléments de stockage d’énergie et des réseaux électriques avec un focus sur les micro-réseaux LVDC. Des méthodologies sont mises en place pour la modélisation de la production photovoltaïque de la plateforme BIPV ADREAM du LAAS-CNRS en se basant sur la base de données intégrée au bâtiment ainsi que pour la modélisation de différentes technologies de stockage électrochimique telles que les batteries au plomb, lithium, polymère ou encore hybrides Carbone. L’hydrogène est étudié comme un possible vecteur d’énergie de demain. Une synthèse est donnée sur ! ses applications industrielles et comme moyen de stockage d’énergie ainsi que sa production par électrolyse de l’eau en utilisant des sources photovoltaïque, concept nommé « Solar fuels ». Un prototype de chaîne de conversion d’énergie solaire en hydrogène a été conçu en collaboration avec le laboratoire RCAST de Tokyo, et comprenant panneaux photovoltaïques haut rendement à triple jonction, électrolyseurs à taille réduite, architectures de micro-convertisseurs Buck et Boost distribués et éléments de stockage lithium, et est proposé pour la partie expérimentale de cette thèse avec le but d’obtenir un haut rendement tout en permettant un contrôle précis.

Abstract

In the context of an energy, ecological and climate crisis, integrating renewable energy sources in electrical grids appears as an absolute necessity. A bibliographic study of renewable energy production technologies, energy storage elements and electrical grids with a specific focus on LVDC micro-grids is proposed in this thesis. Modeling methodologies for the photovoltaic energy production of the BIPV platform ADREAM of LAAS-CNRS based on the building’s integrated database as well as for multiple electrochemical storage technologies such as lead, lithium polymer and hybrid carbon batteries in collaboration with the CIRIMAT. Hydrogen is investigated as a possible vector of energy for the future. An overview of industrial hydrogen applications and usages of hydrogen as energy storage is given as well as an insight on the concept of hydrogen production through water electrolysis using photovoltaic sources, named “solar fuels”. A prototype of a sola! r to hydrogen energy conversion chain was designed in collaboration with the RCAST laboratory, Tokyo. The prototype serves as an experimental part for this thesis and is composed of high efficiency triple junction photovoltaic cells, small scale electrolyzer cells, distributed Buck and Boost micro-converter architectures and lithium storage elements with the goal of achieving high solar to hydrogen conversion efficiency while permitting precise control.

Mots-Clés / Keywords
LVDC; Electrolysis; CPV; Distributed architecture; LIC; Modeling;

146857
18587
11/12/2018

Optimisation de modèles comportementaux de composants pour la prédiction de défaillances fonctionnelles et matérielles liées aux décharges électrostatiques (ESD)

F.ESCUDIE

ESE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 11 Décembre 2018, 195p., Président: J.G.TARTARIN, Rapporteurs: G.DUCHAMP, M.KADI, Examinateurs: J.SCHUTT-AINE, P.BESSE, Directeurs de thèse: F.CAIGNET , N° 18587

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02056013

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Abstract

Electrical Fast Transient (EFT) are one of the concerns of embedded system engineers. They can lead to system malfunction. EFT are the cause of a large number of hardware and software failures. Our study is mainly focused on the impact of Electro Static Discharge (ESD) on embedded electronic systems, focusing on car’s applications. According to a Renault’s study, a car can suffer two discharges per day during its entire life. System engineers do not have any tools to predict the ESD impact on the systems. In order to predict the ESD path throughout the electronic system and adjust the ESD protection strategy to provide proper protection for all critical components, some researches around the world are in process. The research results from ESE working group from the LAAS-CNRS laboratory, were mainly on passive components, integrated circuits and electronics boards modeling methods, implemented in VHDL-AMS language. Integrated circuits have an internal ESD protection network that helps to deflect the stress from critical areas. The methodology developed in the last few years allows to model the behavior of this protection network. However, these models are basically made, they are made of the triggering level of the protection and the impedance value of the component depending on the ESD stress amplitude. No information on the transient behavior of the protections is included in this model. It is not possible to predict some failures related to the transient phenomenon of the protection like triggering and turning on time that induce very high overvoltage or mismatch on the current levels estimation. The various topics covered during this thesis allows to solve these problems by using a, proposed dynamic model. Different methods are proposed to extract the parameters used into the dynamic model. One important point also aborted into this document is that the model have to be able to predict the soft failure which can appear in the system during an ESD stress. A dedicated block has been added to the dynamic models to predict data transmission faults during an automotive communication (LIN Bus) under stress conditions. The first part of this thesis is a summary of the different discharge waveforms known and defined by the IEC and ISO standards. It also lists some measurement techniques used to extract information on the component like the robustness level. The second part presents the behavioral models of passive components and integrated circuits. We have shown non-linear behavior of capacitors when they are under EFT stress. The way to extract our dynamic model of ESD protection from electrical measurement on the integrated circuit is included in this part. This model uses the previous model named quasistatic model on which we add elements that describe the transient behavior of the protections. In the third part, we explore different techniques and tools to extract some information about the dynamic behavior of internal ESD protections of the component. We used time domain reflectometry techniques as well as mathematical methods applied in hyper frequency domain like the S parameters and X parameters. Comparison between measurement and simulation is systematically performed for each method to evaluate their efficiency. Finally, the fourth part presents the study of hardware and software failures on integrated circuits used in automotive communication application. Experimental results are used in the component model which is now able to predict both failures.

Résumé

Les événements transitoires de forte puissance (EFT – Electrical Fast Transient) sont l’une des préoccupations des concepteurs de systèmes embarqués. Ils peuvent conduire au dysfonctionnement du système et sont à l’origine d’un grand nombre de défaillances matérielles et fonctionnelles. Notre étude est principalement portée sur l’impact des décharges électrostatique (ESD - Electro Static Discharge) sur l’électronique embarquée dans un véhicule. D’après une étude de Renault, un véhicule peut subir deux décharges par jour durant sa vie. Les ingénieurs systèmes ne disposent pas de moyen pour prédire l’impact de ces décharges dans les systèmes, et les solutions actuelles sont essentiellement basées sur l’expérience. Afin de prédire le chemin d’un ESD dans tout le système électronique et la stratégie de protection à adopter pour protéger les composants les plus sensibles, des recherches dans le monde entier sont en cours. Les travaux de recherche du groupe ESE du LAAS-CNRS ont mené à des méthodologies de modélisation de composant passif, de circuit intégré et de carte électronique en VHDL-AMS. Les circuits intégrés sont dotés d’un réseau de protection ESD interne qui permet de détourner le stress des zones critiques. La méthodologie développée au cours des précédentes années permet de modéliser le comportement de ce réseau de protection. Cependant, ces modèles sont rudimentaires, ils décrivent uniquement le niveau de déclenchement de la protection et son impédance quasi-statique en fonction du niveau de stress ESD. Aucune information sur le comportement transitoire de la protection n’est décrite dans le modèle. Il est donc difficile de prévoir certaines défaillances liées aux phénomènes transitoires de déclenchement des protections faisant apparaître de très fortes surtensions ou des niveaux de courant mal évalués. Les différents aspects abordés durant cette thèse permettent de résoudre ces problèmes en proposant des modèles dynamiques, et différentes méthodes pour pouvoir extraire les paramètres des modèles. Un des points important développé dans ce document et de pouvoir prédire les défaillances fonctionnelles des systèmes. Un bloc dédie a été ajouté aux modèles dynamiques pour prédire des défauts de transmission de données lors de stress ESD dans les bus de communication automobiles (LIN). La première partie de cette thèse concerne le recensement des formes d’onde de décharges connues et définies par les standards IEC et ISO. Elle recense également les techniques de mesures appliquées sur les composants pour en extraire des informations tels que les niveaux de robustesse. La seconde partie présente les recherches menées sur la réalisation de modèles comportementaux de composants passifs et de circuits intégrés. Nous avons montré les comportements non-linéaires des capacités lorsqu’elles sont soumises à des EFT. Le modèle dynamique de protection ESD que nous avons développé à partir de caractérisation électrique sur le circuit intégré y est également présenté. Ce modèle est constitué du modèle précédemment développé (quasi-statique) sur lequel nous rajoutons des éléments qui décrivent le comportement transitoire de la protection. La troisième partie détaille différentes techniques et outils pour extraire des informations sur le comportement dynamique des protections ESD internes aux composants. Nous utilisons des techniques de réflectométrie temporelle ainsi que des méthodes mathématiques appliquées aux hyper-fréquences comme les paramètres S et X. Une validation entre mesure et simulation est systématiquement réalisée à chaque étape. Finalement, la quatrième partie présente l’étude des défaillances matérielles et fonctionnelles sur des circuits intégrés dédiée à la communication automobile. Ces résultats expérimentaux sont utilisés pour enrichir nos modèles qui intègrent désormais la détection de défaillances matérielles et fonctionnelles.

Mots-Clés / Keywords
ESD; EMC; EFT; Modélisation; Modeling;

146757
18119
04/05/2018

Micro-dispositifs dédiés au stockage de l’énergie électrique embarquée

D.PECH

ISGE

Habilitation à diriger des recherches : 4 Mai 2018, 125p., Président: F.MORANCHO, Rapporteurs: L.NICOLAS, D.ROCHEFORT, Examinateurs: Y.CHABAL, D.GUAY, S.SADKI, Marraine: M.BAFLEUR , N° 18119

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01810054

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Abstract

The realization of high-energy micro-supercapacitors is currently a big challenge but the ineluctable applications requiring such miniaturized energy storage devices are continuously emerging. Their high power and extended lifetime are interesting for the complement or replacement of micro-batteries in embedded micro-systems. New types of electrodes for micro-supercapacitors will be reviewed with a focus on device fabrication methods and their performances. A 3D paradigm shift of micro-supercapacitor design will also be discussed to improve their energetic performances while maintaining reduced footprint occupancy.

Résumé

Les microsupercondensateurs sont des microdispositifs de stockage réversible de l’énergie électrique constituant une alternative intéressante aux microbatteries en raison de leur puissance élevée et de leur durée de vie importante. La faible quantité d’énergie qu’ils peuvent emmagasiner reste cependant un point critique au déploiement de ces composants dans les microsystèmes embarqués. Cette soutenance sera dédiée aux nouveaux types d’électrodes de microsupercondensateurs, des filières technologiques pour les intégrer au sein du microdispositif et des performances de ces électrodes. Il sera notamment question de l’utilisation d’électrodes tridimensionnelles pour accroître leur densité d’énergie surfacique.

Mots-Clés / Keywords
Electronique embarquée; Stockage de l’énergie; Micro-supercondensateur; Micro-batterie; Embedded electronics; Energy storage; Micro-supercapacitor; Micro-battery;

143493
17470
13/12/2017

Development and validation of a predictive model to ensure the long-term electromagnetic compatibility of embedded electronic systems

C.GHFIRI

ESE

Doctorat : INSA de Toulouse, 13 Décembre 2017, Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: B.DEUTSCHMANN, F.VARGAS, Examinateurs: G.DUCHAMP, F.LAFON, Directeurs de thèse: S.BEN DHIA, A.BOYER , N° 17470

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02062116

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Résumé

Avec l’avancement technologique des circuits intégrés à travers la miniaturisation des tailles des transistors et leur multiplication au sein d’une même puce, l’intégration des circuits dans des systèmes embarqués complexes, principalement dans l’industrie aéronautique, spatiale et automobile, rencontre de plus en plus d’exigences en termes de respect des niveaux d’émission et d’immunité. De plus, étant donné que l’évolution des niveaux de Compatibilité Electromagnétique (CEM) des équipements électroniques doit respecter ces exigences à longterme, les marges définis par les industriels sont souvent surestimés et les systèmes de filtrages établis par les équipementiers peuvent être surdimensionnés. De ce fait, pour les circuits intégrés dédiés aux applications embarquées, il est nécessaire d’étudier les deux aspects qui concernent la modélisation CEM ainsi que la modélisation de la fiabilité. Ces dernières années, des standards ont été proposés et permettent la construction de modèles CEM prédictifs tel que ICEM-CE/RE (Integrated Circuit Emission Model for Conducted and Radiated Emission) et ICIM-CI (Integrated Circuit Immunity Model for Conducted Immunity). De plus, pour intégrer l’effet du vieillissement dans les modèles CEM, il faut étudier les principaux mécanismes de dégradation intrinsèques aux circuits intégrés qui accélèrent leur vieillissement tels que le HCI (Hot Carrier Injection), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), EM (Electromigration) et NBTI (Negative Bias Temperature Instability). Des modèles standardisés sont utilisés dans les différents domaines industriels qui permettent la construction de modèle de fiabilité tels que le standard MIL-HDBK-217 et le standard FIDES. Cependant, ils ne permettent de prendre en compte qu’un seul mécanisme de dégradation à la fois. Ce manuscrit de thèse introduit ces aspects de modélisation CEM et de fiabilité. Il traite également la construction d’un modèle d’émission conduite d’un FPGA avec la proposition de nouvelle méthodologie de modélisation. Ensuite, l’étude de la fiabilité du FPGA est décrite à travers l’utilisation d’un nouveau modèle permettant la prise en compte des différents mécanismes de dégradations et a été combiné au modèle CEM pour la prédiction des niveaux d’émissions conduite à long-terme.

Abstract

With the technological evolution of integrated circuits (ICs) through the transistors scaling, which leads to the multiplication of the number of transistors within a chip, the requirements in terms of emission and immunity levels become more restrictive in the aeronautic, space and automotive industries. Moreover, since the evolution of Electromagnetic Compatibility (EMC) levels of electronic equipment after aging must meet the EMC long-term robustness requirements, the EMC margins defined by the manufacturers are often overestimated and the filtering systems designed by the equipment manufacturer could be oversized. Therefore, for the integrated circuits dedicated to embedded applications, it is necessary to study the different aspects of EMC modeling as well as the reliability the modeling. These last years, several standards have been proposed for the construction of predictive EMC models such as ICEM-CE/RE (Integrated Circuit Emission Model for Conducted and Radiated Emission) and ICIM-CI (Integrated Circuit Immunity Model for Conducted Immunity). On the other hand, to integrate the effect of aging in EMC models, it is important to study the main intrinsic degradation mechanisms that accelerate the aging of ICs, such as HCI (Hot Carrier Injection), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), EM (Electromigration) and NBTI (Negative Bias Temperature Instability). For this purpose, there are existing models for the reliability prediction, such as the MIL-HDBK-217 standard and the FIDES standard. However, these models could take into account only the activation of one degradation mechanism. The combination of several degradation mechanisms could be critical for the IC performances and could contribute in the evolution of EMC level. This dissertation introduces the different aspects of EMC and reliability modeling. This work deals with the construction of a conducted emission model of an FPGA and the proposition of new modeling methodologies. Furthermore, the reliability of the tested FPGA is described using a new predictive model, which takes into account the activation of the different degradation mechanisms. The reliability model has been combined with the EMC model for the long-term conducted emission level prediction.

Mots-Clés / Keywords
EMC modeling; Reliability modeling; FPGA; Prediction;

141913
17526
08/12/2017

Dimensionnement et gestion optimaux d'éléments de stockage pour le déploiement de sources renouvelables, réalisation d'un micro-réseau LVDC

J.DULOUT

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 8 Décembre 2017, 158p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: M.ALONSO, J.M.VINASSA, Examinateurs: C.E.CARREJO GONZALEZ, Directeurs de thèse: C.ALONSO, B.JAMMES , N° 17526

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01719288

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Abstract

Because of our global high consumption of fossil fuels, these resources are becoming scarce and the environmental equilibrium of the Earth is endangered. Other energy sources are developed in order to build a new diversified and decarbonised energy mix. For example, in an urban context, the solar photovoltaic system has many assets such as the decentralized production of electricity, easy integration in buildings, transportation losses reduction, no sound during production, low environmental impact, etc. However, the production of this energy source is highly varying, difficult to predict (several timescales, from the cloud shadows to seasonal meteorological variations) and not correlated across time with our consumption needs. In order to enable a massive penetration of renewable energy sources in our conventional grid, the use of energy storage systems (e.g. electrochemical storage) seems a promising solution, taking into account the costs, supply security, technological maturity and ease of set up. Hence, new microgrids constituted by decentralized energy sources and energy storage systems have been developed in order to replace or complement the main centralized grid by ensuring some support functions (i.e. enhancement of the grid stability, black-start operation, replacement of diesel generators, etc.). The consumers become actors able to inject a part of all their surplus energy to the main grid, if the operation is accepted by the transmission system operator. A new business model is to define, especially in the case of putting a valuation on the functions that can help the main grid. During this thesis, several years of data from production and consumption of a photovoltaic building have been analysed in order to define the operating profile of an energy storage system that ensures the equilibrium of the microgrid. A behavioural model taking into account the ageing has been made for three storage technologies: lead-acid batteries, lithium-ion batteries, and supercapacitors. It enables the optimal sizing, the hybrid association of storage systems, and the optimal energy management of the microgrid. Several criteria assessing the operation of microgrids have been studied (e.g. annual cost of the storage system, self-consumption rate, loss of load probability, etc.). A multi-objective methodology, based on Pareto optimality, has been developed in order to optimize economic, environmental, and autonomy aspects. A low voltage DC prototype of some kilowatts has been developed for validating the different concepts presented in this thesis.

Résumé

La forte consommation des énergies fossiles au niveau mondial entraine une raréfaction de ces ressources et met en danger l’équilibre environnemental global du fait de la pollution qu’elle engendre. D’autres sources d’énergie dites renouvelables se développent afin de proposer un mix énergétique très diversifié et progressivement décarboné. Par exemple, dans un contexte urbain, le solaire photovoltaïque présente de nombreux atouts comme la possibilité de produire de l’électricité de façon décentralisée, l’intégration aisée dans les bâtiments et infrastructures publiques, la réduction des pertes liées au transport de l’électricité, pas de pollution sonore, pas ou peu d’impact sur l’écosystème environnant, etc. Cependant, cette source est très intermittente et difficilement prédictible (diverses échelles de temps liées au passage de nuages, cycle diurne ou cycle saisonnier) et doit être implantée dans des endroits sans ombrage d’infrastructure pour assurer la meilleure production et durée de vie. De plus, sa production n’est généralement pas temporellement en phase avec des profils de consommation de type résidentiel ou tertiaire. Afin de répondre à la problématique d’intégration des énergies renouvelables dans nos réseaux électriques conventionnels, l’usage de moyens de stockage, par exemple de type électrochimique, semble aujourd’hui la meilleure solution, en considérant le coût, la sécurité d’approvisionnement, la maturité technologique et la facilité de mise en oeuvre. Ainsi, de nouveaux micro-réseaux constitués de sources décentralisées et d’éléments de stockage apparaissent en concurrence du réseau centralisé conventionnel ou en complément de ce dernier afin d’atteindre de nouveaux objectifs (stabilité accrue du réseau, mode isolé de secours en cas de panne avec possibilité d’aider le redémarrage du réseau principal, remplacement de générateurs diesel auxiliaires, etc.). Parmi les grandes transformations actuelles, les consommateurs de plus en plus acteurs et peuvent injecter tout ou partie du surplus d’énergie produit vers le réseau ou choisir de consommer de l’énergie du réseau selon leurs souhaits. Un nouveau modèle économique se dessine avec la possibilité de voir apparaître de nouvelles tarifications de l’électricité notamment liées aux prestations assurant une plus grande robustesse du réseau. Durant cette thèse, plusieurs années de données de production et de consommation d’un bâtiment photovoltaïque ont été analysées pour définir les contraintes imposées à l’unité de stockage assurant l’équilibre du micro-réseau électrique. Un modèle de performance et de vieillissement a été élaboré pour trois technologies de stockage: batteries plomb-acide, batteries lithium-ion et supercondensateurs. Celui-ci permet le dimensionnement, l’association d’éléments de stockage et la gestion optimale des flux énergétiques au sein du micro-réseau. Divers critères permettant d’évaluer le fonctionnement des micro-réseaux ont également été étudiés comme le coût annuel de l’unité de stockage, le taux d’autoconsommation de l’énergie photovoltaïque, la quantité d’énergie qui n’a pas été fournie au consommateur, etc. Une approche multi-objective, basée sur le concept d’optimum de Pareto, a été mise en oeuvre afin d’optimiser les aspects économique, environnemental et d’autonomie de fonctionnement des futurs réseaux électriques distribués. Un démonstrateur basse tension continue de quelques kilowatts a été développé pour valider les différents points étudiés dans cette thèse.

Mots-Clés / Keywords
Micro-réseau; Éléments de stockage; Gestion d’énergie électrique; Dimensionnement optimal; Commande bus DC; Modélisation de batteries et supercondensateurs; Microgrid; Energy storage systems; Energy management; Optimal sizing; DC bus control; Batteries and supercapacitors modelling;

142455
17525
07/12/2017

Architectures d'intégration mixte monolithique-hybride de cellules de commutation de puissance sur puces multi-pôles silicium et assemblages optimisés

A.LALE

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 7 Décembre 2017, 212p., Président: S.LEFEBVRE, Rapporteurs: B.ALLARD, N.BATUT, Examinateurs: E.LABOURE, Directeurs de thèse: A.BOURENANNE, F.RICHARDEAU, Membres invités: V.BLEY, E.IMBERNON , N° 17525

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01730586

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Abstract

Currently, the standard 2D hybrid power module (power converter) is the reference technology for the medium and high power market. This hybrid power module is a discrete multi-chip case. The semi-conductor chips are interconnected by wire-bonding to form switching cells. The wire-bonding interconnection technology is a limiting factor in terms of electrical and thermomechanical performances, three-dimensional integrability and productivity. The aim of this thesis is to study new architectures of very integrated power converters. Compared to the so-called hybrid reference technology, the proposed architectures aim at a greater degree of integration, with an integration at both the semi-conductor level (monolithic integration) and the packaging level (hybrid integration). Monolithic integration consists in integrating switching cells into new multi-terminal macro-chip architectures. Hybrid integration consists in developing of new technologies to assemble these macro-chips. To validate the different proposed integration architectures, the first step was to study and validate the operating modes of the new chips by SentaurusTM TCAD simulations. Then, the multi-terminal chips were realized in the micro and nanotechnology platform of LAAS-CNRS laboratory. Finally, the chips were bonded on PCB substrates to realize power converter circuit prototypes. The highly integrated switching loop presents a stray inductance loop lower than one nanohenry, wich is an important improvement as compared to the values reported in literature (about 20 nH).

Résumé

Actuellement, le module de puissance (convertisseur de puissance) standard hybride 2D est la technologie de référence qui domine le marché de la moyenne et de la forte puissance. Ce dernier se présente sous la forme d’un boitier à multi-puces discrètes. Les puces à semi-conducteur sont reliées entre elles par des faisceaux de wire-bonding (câblage par fils) pour former des cellules de commutation. La technologie d’interconnexion wire-bonding présente une grande maturité technologique, et ses modes de défaillance sont bien connus aujourd’hui. Toutefois, cette technologie est un facteur limitant en termes de performances électrique et thermomécanique, d’intégrabilité tridimensionnelle et de productivité. Ces travaux de thèse ont pour objectif de proposer et d’étudier de nouvelles architectures de convertisseurs de puissance très intégrés. Comparée à la technologie hybride, dite de référence, les architectures proposées visent à un degré d’intégration plus poussé, avec un effort d’intégration partagé et conjoint au niveau semi-conducteur (intégration monolithique) et au niveau assemblage (intégration hybride). L’intégration monolithique consiste à intégrer les interrupteurs formant les cellules de commutation dans de nouvelles architectures de puces, passant ainsi de la notion de puce dipôle à celle de macro-puce multi-pôle. L’intégration hybride repose sur le développement de nouvelles technologies de report et d’assemblage de ces macro-puces. Pour valider les trois nouvelles architectures d’intégrations proposées, la démarche a consisté dans un premier temps à étudier et valider le fonctionnement des nouvelles puces par des simulations SentaurusTM TCAD. Ensuite, les puces multi-pôles ont été réalisées en s’appuyant sur la filière IGBT disponible dans la plateforme de micro-fabrication du LAAS-CNRS. Pour finir, les puces ont été reportées sur des cartes PCB, afin de réaliser des circuits de conversions prototypes. La maille de commutation très intégrée proposée présente une inductance parasite inférieure au nanohenry, ce qui est remarquable comparée à ce qui est présenté dans l’état de l’art (env. 20 nH).

Mots-Clés / Keywords
Convertisseur de puissance multi-phase; Cellule de commutation; Intégration monolithique; Intégration hybride; Reverse Conducting-IGBT (RC-IGBT); Simulation SentaurusTM TCAD; Carte PCB prototype; Microélectronique; Microfabrication; Multi-phase power converter; Power switching cell; Monolithic integration; Hybrid integration; SentaurusTM TCAD simulation; PCB prototype; Microelectronics;

142453
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-01978781

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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
17627
02/06/2017

Analysis and modeling methods for predicting functional robustness of integrated circuits during fast transient events

R.BEGES

ESE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Juin 2017, 168p., Président: , Rapporteurs: G.DUCHAMPS, P.NOUET, Examinateurs: F.LAFON, A.SAUVAGE, P.AUSTIN, Directeurs de thèse: F.CAIGNET, P.BESSE, M.BAFLEUR , N° 17627

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01811079

Diffusable

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Résumé

La miniaturisation des circuits intégrés se poursuit de nos jours avec le développement de technologies toujours plus fines et denses. Elle permet une intégration des circuits toujours plus massive, avec des performances plus élevées et une réduction des coûts de production. La réduction de taille des circuits s'accompagne aussi d'une augmentation de leur sensibilité électrique. L'électronique automobile est un acteur majeur dans la nouvelle tendance des véhicules autonomes. Ce type d'application a besoin d'analyser des données et d'appliquer des actions sur le véhicule en temps réel. L'objectif à terme est d'améliorer la sécurité des usagers. Il est donc vital de garantir que ces modules électroniques pourront effectuer leurs tâches correctement malgré toutes les perturbations auxquelles ils seront exposés. Néanmoins, l'environnement automobile est particulièrement sévère pour l'électronique. Parmi tous les stress rencontrés, les décharges électrostatiques (ESD - Electrostatic Discharge) sont une importante source d'agression électrique. Ce type d'évènement très bref est suffisamment violent pour détruire des composants électroniques ou les perturber pendant leur fonctionnement. Les recherches présentées ici se concentrent sur l'analyse des défaillances fonctionnelles. À cause des ESD, des fonctions électroniques peuvent cesser temporairement d'être opérantes. Des méthodes d'analyse et de prédiction sont requises au niveau-circuit intégré afin de détecter des points de faiblesses susceptibles de générer des fautes fonctionnelles pendant l'exposition à un stress électrostatique. Différentes approches ont été proposées dans ce but. Une méthode hiérarchique de modélisation a été mise au point afin d'être capable de reproduire la forme d'onde ESD jusqu'à l'entrée du circuit intégré. Avec cette approche, chaque élément du système est modélisé individuellement puis son modèle ajouté au schéma complet. Un cas d'étude réaliste de défaillance fonctionnelle d'un circuit intégré a été analysé à l'aide d'outils de simulation. Afin d'obtenir plus de données sur cette faute, une puce de test a été développée, contenant des structures de surveillance et de mesure directement intégrées dans la puce. La dernière partie de ce travail de recherche est concentrée sur le développement de méthodes d'analyse dans le but d'identifier efficacement des fautes par simulation. Une des techniques développées consiste à modéliser chaque bloc d'une fonction individuellement puis permet de chaîner ces modèles afin de déterminer la robustesse de la fonction complète. La deuxième méthode tente de construire un modèle équivalent dit boite-noire d'une fonction de haut-niveau d'un circuit intégré. Ces travaux de recherche ont mené à la mise au point de prototypes matériels et logiciels et à la mise en évidence de points bloquants qui pourront constituer une base pour de futurs travaux.

Abstract

Miniaturization of electronic circuits continues nowadays with the more recent technology nodes being applied to diverse fields of application such as automotive. Very dense and small integrated circuits are interesting for economic reasons, because they are cheaper to manufacture in mass and can pack more functionalities with elevated performances. The counterpart of size reduction is integrated circuits becoming more fragile electrically. In the automotive world, the new trend of fully autonomous driving is seeing tremendous progress recently. Autonomous vehicles must take decisions and perform critical actions such as braking or steering the wheel. Those decisions are taken by electronic modules, that have now very high responsibilities with regards of our safety. It is important to ensure that those modules will operate no matter the kind of disturbances they can be exposed to. The automotive world is a quite harsh environment for electronic systems. A major source of electrical stress is called the Electrostatic Discharge (ESD). It is a very sudden flow of electricity of large amplitude capable of destroying electronic components, or disturb them during their normal operation. This research focuses on functional failures where functionality can be temporarily lost after an ESD with various impact on the vehicle. To guarantee before manufacturing that a module and its components will perform their duty correctly, new analysis and prediction methods are required against soft-failures caused by electrostatic discharges. In this research, different approaches have been explored and proposed towards that goal. First, a modelling method for reproducing the ESD waveforms from the test generator up to the integrated circuit input is presented. It is based on a hierarchical approach where each element of the system is modelled individually, then added to the complete setup model. A practical case of functional failure at silicon-level is analyzed using simulation tools. To acquire more data on this fault, a testchip has been designed. It contains on-chip monitoring structures to measure voltage and current, and monitor function behavior directly at silicon-level. The last part of this research details different analysis methods developed for identifying efficiently functional weaknesses. The methods rely heavily on simulation tools, and prototypes have been implemented to prove the initial concepts. The first method models each function inside the chip individually, using behavioral models, then enables to connect the models together to deduce the full function's robustness. It enables hierarchical analysis of complex integrated circuit designs, to identify potential weak spots inside the circuit that could require more shielding or protection. The second method is focused on constructing equivalent electrical black box models of integrated circuit functions. The goal is to model the IC with a behavioral, black-box model capable of reproducing waveforms in powered conditions during the ESD. In summary, this research work has led to the development of several hardware and software prototypes. It has also highlighted important modelling challenges to solve in future works to achieve better functional robustness against electrostatic discharges.

Mots-Clés / Keywords
Electrostatic discharge (ESD); Functional robustness; Electromagnetic compatibility; Integrated circuits; Circuits intégrés; Robustesse fonctionnelle; Compatibilité électromagnétique; Décharges électrostatiques (ESD);

143733
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

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02006357

Diffusable

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