CHAPITRE 2 AUTOMATISATION DE L EXPLOITATION DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX ET DE SIMULATION

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1 CHAPITRE 2 AUTOMATISATION DE L EXPLOITATION DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX ET DE SIMULATION 47

2 2.1 Objectif Dans le premier chapitre, nous avons présenté la physique des composants à semiconducteur et leurs comportements statiques et dynamiques. Puisque notre tâche d identification et de validation repose sur une confrontation entre des mesures électriques et des simulations, nous avons besoin de concevoir un système expérimental qui nous permette d acquérir des données expérimentales, basé sur les circuits des figures 1.7, 1.15 et La comparaison doit donc être faite entre la simulation et l expérience. Mais la simple comparaison des courbes, au sens, par exemple, des moindres carrés continus, n est pas toujours opportune. Par exemple sur la figure 2.1 nous comparons le courant mesuré et celui simulé pendant l ouverture d une diode. L écart sur les amortissements en fin de commutation conduit à une valeur importante de la norme L 2 de l écart de simulation/expérience. Toutefois, ces oscillations proviennent de phénomènes résiduels qui sont très difficiles à bien modéliser et on peut finalement les considérer comme peu importantes pour l intérêt du modèle dans des applications de conception. Aussi, avons nous dû comparer directement les caractéristiques par des paramètres qui décrivent les courbes transitoires, comme I RM, V RM, t RR. Ces paramètres transitoires doivent être analysés en mesure et en les simulation. Figure 2.1 Comparaison du courant mesuré et de simulation de la diode PiN pendant la commutation à l ouverture 48

3 Aussi, nous devons développer un logiciel pour contrôler les simulations et extraire les paramètres provenants des résultats de simulation. C est pourquoi, une partie non négligeable de notre travail a été axée sur la mise en place d une méthode d exploitation des résultats expérimentaux et de simulation. Nous commençons ce chapitre par l introduction du système de test basé sur le bus GPIB qui nous permet d acquérir automatiquement les signaux électriques et d extraire des données nécessaires, indépendamment du circuit utilisé. Deuxièmement, nous aborderons un langage orienté objet JAVA [Horstmann-99] et deux techniques utiles à notre projet: JNI [JNI-97] nous permet le pilotage en C++ de la carte GPIB [Asch-99]et la classe process qui permet de contrôler les processus de simulation, indépendamment du circuit utilisé. La dernière partie de ce chapitre sera consacrée à la description d une méthode pour tracer automatiquement les caractéristiques statiques des composants. Cela nous permettra de bien illustrer le fonctionnement du système matériel et logiciel. 49

4 2.2 Pilotage: banc de mesure, piloté par un bus GPIB En général, un système d acquisition de données est composé d un ordinateur, d un logiciel et d une carte d acquisition de données. On adopte une carte GPIB basée sur la transmission de données en parallèle ce qui permet des transferts rapides [Asch- 99]. Le bus GPIB (General Purpose Interface Bus) est également appelé HP-IB (Hewlett-Packard Interface Bus). Il sert à simplifier les interconnections entre des divers instruments de mesure et un contrôleur/ordinateur. Les appareils de mesures sont connectés à un ordinateur par un bus GPIB ayant une norme baptisée IEEE-488 (IEEE Standard Digital Interface for Programmable Instrumentation) qui définit ainsi le nombre de fils, la nature des signaux qui y circulent, leurs fonctions et leur séquencement, l organisation du connecteur et, plus généralement, les règles d échanges entre les divers matériels appelés à dialoguer. Grâce à ce bus, la réalisation d un banc de mesures piloté par ordinateur se réduit à une simple connexion (figure. 2.2). On peut classer ces appareils en trois types, en fonction de leurs rôles. Figure 2.2 Système GPIB Les contrôleurs, souvent des ordinateurs, commandent et supervisent les échanges : configuration des appareils, séquencement des opérations. Il peut y avoir plusieurs contrôleurs dans le système mais un seul est actif à la fois. Les émetteurs (talkers) envoient des messages à destination d autres appareils : il s agit d appareils de mesure transférant leurs résultats. Les récepteurs (listeners) reçoivent les messages envoyés par d autres appareils. 50

5 Tous les appareils ont leurs propres adresses physiques dont la gamme est entre 0 et 30, mais leur nombre est limité à seize, y compris pour l ordinateur. Une carte d extension à la norme IEEE-488, fournie par la société Keithley Instrument Corporation, a été choisie pour dialoguer avec l oscilloscope et les alimentations pilotées par GPIB. Cette carte comporte un circuit d interface ordinateur/bus GPIB et un buffer permettant de transférer les données par 1.5M bytes/seconde entre l ordinateur et les appareils. La société fournit une librairie de programmes ainsi qu un driver universel pour Windows. Il s agit d une couche logicielle permettant de programmer directement les registres de la carte, de gérer son fonctionnement et son intégration au sein des ressources du PC (interruptions du processeur, DMA, mémoire, etc.). C est-à-dire, que le logiciel driver s occupe des détails de la programmation de bas niveau. Pour contrôler des appareils et acquérir des données à partir de l ordinateur, on se trouve face à un double choix : soit on utilise un progiciel d application spécialisé conçu pour l acquisition de données, par exemple LabWindows ou TestPoint, soit on développe un progiciel à l aide de langages généraux traditionnels. Nous avons choisi la dernière approche, car nous devons faire des tâches similaires dans le programme de pilotage des mesures et dans le programme d analyse des résultats de simulation. Donc, dans notre projet, plusieurs logiciels sont développés en langage JAVA, en adoptant la technique JNI pour piloter la carte GPIB. Tous les instruments doivent comporter une interface GPIB et être conforme à la norme standard IEEE-488. Un expandeur/isolateur de bus GPIB est mis en œuvre entre l ordinateur et les appareils pour deux raisons : Pour éviter l introduction des perturbations. En réalité, dans tous les milieux où l électricité et l électronique sont utilisés, il y a présence de sources de perturbations électromagnétiques et des appareils sensibles à ces perturbations. Dans notre cas, les perturbations les plus importantes se composent de deux parties. Une part elles proviennent des composants de puissance sous test avec leurs di/dt très élevés. D autre part, les alimentations à découpage, les sources de tension et de courant, contribuent à la prolifération de ces perturbations électriques. Pour isoler le bus côté ordinateur et le bus flottant côté oscilloscope. Afin de mesurer des signaux électriques, il est choisi de placer la masse de 51

6 l oscilloscope sur la borne positive de l alimentation de tension. En effet, le câble GPIB force les masses des différents appareils au même potentiel. Par contre, la masse de l ordinateur est fixée à la terre. Avec le GPIB-120 bus expandeur, les deux systèmes de bus séparés physiquement sont isolés électriquement en améliorant la compatibilité électromagnétique. La structure de notre équipement est décrite par les figures 2.3 et 2.4. Dans ce système automatique de mesure, nous utilisons une alimentation en mode tension XANTREX "XKW300-10" et une alimentation en mode courant HP "6652A". Un autre générateur "TOE-8704" dont la tension de sortie est très précise sert à donner la valeur de la tension grille V GS pour les composants telles que le MOSFET et l IGBT. Chaque appareil électrique peut être contrôlé par le PC avec un programme développé en JAVA. De la même façon, un oscilloscope numérique est relié à l ordinateur à l aide du bus d interface GPIB. Nous pouvons le manipuler en envoyant des commandes à travers le bus GPIB, de la même manière que nous manœuvrons les boutons, les bornes sur le panneau avant. Cet appareil peut enregistrer les courbes électriques et transfère ces courbes au PC. Figure 2.3 Photographie du système automatique de mesure 52

7 Figure 2.4 Structure du système automatique de mesure 53

8 2.3 Technique Java Généralité Java [Horstmann-99] est un langage orienté objet, multi-plate-forme, conçu pour être facilement utilisable et maniable par une large majorité de développeurs. Développé par Sun Microsystems, Java rassemble aujourd hui derrière lui une large communauté d acteurs informatiques majeurs tels que HP,IBM, Oracle, Borland. Quand on aborde ce langage, on met souvent en exergue: Java est un langage simple, orienté objet, réparti, interprété, robuste, sécurisé, indépendant de l architecture, portable, efficace, multithreads et dynamique. Java a été choisi pour notre travail pour les raisons suivantes : Java est résolument basé sur la technologie objet et emprunte de nombreux éléments au C++. En revanche, les concepteurs de Java ont supprimé les concepts plus difficiles. Donc le code Java est plus simple et plus clair que celui de C++. En transférant facilement du code C++ à Java, nous avons bénéficié des fonctions ou classes matures qui se trouvent dans le programme PACTE écrit en C++ au CEGELY. Java s affranchit des plates-formes : il fonctionne en mode interprété. Nous pouvons développer le programme sous n importe quel système d exploitation : Unix, Macintosh, DOS, Windows, Linux, etc. Cet avantage nous permet de réutiliser au maximum toutes les fonctions ou classes en diminuant la durée de développement. Notre projet se divise en deux parties. Une partie est de mesurer les signaux électriques et d extraire les paramètres électriques qui représentent ces courbes sous Windows, tandis que l autre partie est de piloter le simulateur et analyser les résultats sous Unix. Le fonctionnement de Java est assuré par JVM (la machine virtuelle Java) et JDK (le Java Dévelopement Kit) qui peuvent être installé dans les différents systèmes d exploitation. Généralement, un compilateur comme C++, produit un code exécutable lié au processeur et à la plate-forme, puisque destiné à s exécuter directement sur un environnement précis. Au contraire, le code binaire de Java est portable, car son code est compilé et interprété au sein d une machine virtuelle. Cette machine virtuelle assure la 54

9 traduction entre le bytecode et les différents systèmes sur lequel le programme est amené à s exécuter. Afin de garantir la possibilité de s exécuter sur de nombreux systèmes existants ou à venir, la machine virtuelle définit une architecture d exécution complète : un jeu d instructions précis, des registres et une pile. Il s agit donc d un véritable processeur virtuel qui définit et implémente les éléments nécessaires au bon fonctionnement des programmes Java: allocation mémoire, format des programmes Java compilés, interpréteur, etc. Par ailleurs, le JDK regroupe l ensemble des éléments permettant le développement, la mise au point et l exécution des programmes Java. Il inclut de nombreux outils de développement, un jeu de classes et de services et un ensemble de spécification. Le JDK est en évolution constante, et la version courante est 1.4. Pour faciliter le développement en Java, Borland a conçu l outil de développement performant appelé Jbuilder [Acremann-99] qui supporte toutes les technologies Java et peut suivre l évolution du JDK. En fait, il est un environnement complet incluant toutes les fonctionnalités de développement et toutes les technologies liées à Java, qui nous permettent de créer rapidement notre programme. Cet environnement réunit tous les éléments indispensables au développement et à la mise au point des applications. Comme dans tous les produits Borland, l environnement regroupe tous les outils nécessaires : éditeur de fichiers, concepteur visuel d interface, gestion de projet, compilateur, débogueur, etc. 55

10 2.3.2 JNI Pourquoi donc vouloir mélanger Java avec un autre langage, par exemple, C++ dans notre projet? Java est un langage conçu pour être indépendant de plate-forme. Donc il ne permet d accéder aux fonctionnalités spécifiques d un système. C est-à-dire, il n est pas possible avec Java de manipuler le driver Windows de la carte GPIB dans notre système automatique de mesure. Toutes ces manipulations proches du système se feront donc avec le logiciel livré en C++ par le fournisseur de la carte. Donc, il exige une interface entre C++ et Java. Cette interface Java permettant de lier du code natif au code Java est désignée par le terme JNI (Java Native Interface) [JNI-97]. Une méthode native est un programme en C++ qui peut accéder à l information d une classe Java. De même, une classe de Java peut lancer une méthode native et échanger de l information à travers JNI. Nous nous intéressons qu à cette dernière méthode. La figure 2.5 montre la fonctionnalité de JNI entre C++ et Java. La figure 2.6 illustre le pilotage de la carte GPIB par cette interface. Figure 2.5 Fonctionnalité de JNI entre C++ et Java Figure 2.6 JNI pour piloter la carte de GPIB sous Window 98 56

11 Concrètement, à côté de Java, on construit une classe GPIBdriver.class qui contient les méthodes générales du GPIB (figure 2.7-a)). La méthode GPIBdriver.initialize() sert à initialiser le bus GPIB et à définir l adresse du PC. Les autres méthodes envoient les commandes vers le programme C++ et reçoivent les réponses. S il y a une erreur lors de la transmission de GPIB, on peut prendre connaissance du type d erreur en consultant des messages dans la classe GPIBexception.class (figure 2.7-b)). a) b) Figure 2.7 les classes de JAVA pour piloter le bus GPIB Dans le programme d application, on construit les classes correspondant respectivement à chaque alimentation et instrument montrées à la figure 2.8. Figure 2.8 Hiérarchie des classes dans le programme JAVA 57

12 2.3.3 Processus Java possède une classe appelée java.lang.process qui représente un programme s exécutant de manière externe à la machine virtuelle JAVA. Un programme Java peut communiquer avec un processus externe en utilisant des flux de la même manière qu il peut communiquer avec un serveur s exécutant sur un autre ordinateur du réseau. L utilisation d un objet Process est toujours dépendant de la plate-forme et rarement portable, mais il s avère très utile pour appeler un processus de simulation tels que DESSIS ou PACTE. Annexe B nous donne un exemple de DESSIS. 2.4 Mesure des caractéristiques statiques du MOS/IGBT Circuit de test Pour la phase d estimation et d identification, deux types de caractéristiques sont exploités : des caractéristiques statiques d une part et des caractéristiques transitoires d autre part. La méthode la plus aisée pour obtenir la caractéristique statique est d utiliser un traceur électronique, par exemple le traceur TEKTRONIX 371A. Malheureusement, la mesure des caractéristiques statiques pose rapidement le délicat problème de l auto-échauffement du composant pendant la mesure avec ce traceur. Le phénomène de l échauffement s amplifie lorsque la tension est grande. Cela peut engendrer des erreurs dans les résultats d identification. Il est donc nécessaire de développer une méthode pour résoudre ce problème, car notre méthode d identification est basée sur la comparaison entre les résultats d expérience et des résultats de simulation. Le schéma de la figure 2.9 représente le circuit de test pour acquérir les caractéristiques statiques du composant. Il comprend une source de tension E pilotée par GPIB et une résistance de charge R C dont sa valeur dépend du courant maximal traversant le composant sous test T 2. Le circuit comporte un interrupteur IGBT T 1 (BUP314) qui est commandé par un générateur d impulsion. Le composant sous test T 2 est aussi commandé par une alimentation de tension dont la valeur de sortie est très précise. On mesure le courant et la tension, pour T 2, à l aide d un oscilloscope numérique basé sur le bus GPIB. Comme T 2 ne tient jamais la tension, le problème de la 58

13 saturation de l ampliateur d entrée de l oscilloscope ne se pose pas. La tension v DS à mesurer varie entre 0V et V Dson. Figure 2.9 Circuit de test pour mesurer les caractéristiques d un composant bipolaire Comme le montre à la figure 2.10, le signal soumis à l interrupteur T 1 nous permet d estimer les pertes dans T 2, le composant sous test. Le calcul direct de la puissance dissipée pendant les commutations n est pas simple. En revanche, nous pouvons calculer la puissance moyenne sur un cycle : Section d'équation 2 1 t0 + T P= t i 0 T2() t vt2() t dt (2.1) T Où i T2 et v T2 sont le courant et la tension du composant sous test, T la durée d impulsion. Figure2.10 Signaux idéalisés sur T 1 et T 2 59

14 Evaluons la puissance dissipée dans le MOS IRF740 sur un cycle. Avec la condition de fonctionnement : durée de l impulsion t on =40 µs, période de signal T = 20ms, tension maximale V R =300V, résistance de charge R c = 10Ω, tension de grille Vg=15V. Nous obtenons le courant I T 2 VR A R = 10 = (2.2) C La tension à l état passant V T2ON pour l IRF740 dans la condition ci-dessus est égale à 25V, qui correspond à un courant 3 fois supérieur au courant nominal. Donc, la puissance moyenne des pertes des IRF740 40µ s PT2 = IT2 VT2ON = 1, 5( W) (2.3) 20ms provoque une augmentation d environ 1,5 C, d après l impédence thermique transitoire fournie par les données constructeurs. Cela est donc très raisonable. Dans la figure 2.10, t m est le point de mesure. Le logiciel nous permet de régler tm, pour une plage de 80% à 90% du temps de conduction. Pour des valeurs de t m inférieur, le courant i D n est pas stable à cause de la phase transitoire dans T 1 qui se sature, donc la mesure serait erronée. Si on fait varier la tension E, on peut obtenir différentes valeurs pour I D _on et V DS _on, ainsi on obtient la courbe de caractéristique statique à V GS fixée Logiciel La figure 2.11 montre le flot du logiciel. Le fonctionnement Level 50% sert à stabiliser les courbes électriques échantillonnées. De même, pour obtenir la mesure plus précise, avant extraire les valeurs I D _on et V DS _on, on utilise une technique de calibration, qui permet de régler la sensibilité optimale de l amplificateur d entrée de l oscilloscope Résultats Après avoir obtenu les caractéristiques statiques, on compare les résultats avec ceux du traceur 371A. Dans les figures et 2.13, on montre les résultats pour le MOSFET IRF740 et l IGBT BUP202. On remarque que les différences sont petites lorsque la tension de grille est petite. En revanche, l écart augmente lorsque la tension de grille augmente. Dans ces conditions, l influence de l auto-échauffement dans le composant sous test est plus importante pour le traceur par rapport à notre méthode. Cela montre l intérêt du banc que nous avons développé. 60

15 Figure 2.11 Flot du logiciel de l acquisition des caractéristiques statiques Figure 2.12 Comparaison de charactristique statique mesuré par deux moyens pour l IGBT BUP202 61

16 2.5 Conclusion Figure 2.13 Comparaison de charactristique statique mesuré par deux moyens pour le MOS IRF740 Pour atteindre notre objectif de l extraction de paramètres et de la determination du domaine de validité, deux aspects de la caractérisation étaient exposées dans ce chapitre: materiel et logiciel. Nous avons montré l exploitation des signaux simulés et mesurés, et nous avons conçu un système de mesure automatique. Le langage objet orienté, JAVA, a été choisi pour sa portabilité et sa pérenité pour réaliser le logiciel. Nous avons donc maintenant les briques de base, logicielles et materielles pour obtenir des caractristiques simulées et mesurées et les comparer par des analyses des paramètres transistoires: ceux définis au chapitre 1. 62