Thèse Année : 2025

Design toolkit for PCB-based power electronic systems

Boîte à outils de conception pour les systèmes électroniques de puissance à base de circuits imprimés (PCB)

Bahaeddine Ben Hamed
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1634326
  • IdRef : 292333757

Résumé

Power converters are complex systems involving tightly coupled multiphysics phenomena, including electromagnetic behavior, thermal effects, and material interactions. Their design is particularly challenging due to the heterogeneous nature of components, materials, voltage levels, and cooling strategies. In addition, growing demands for performance, miniaturization, and reliability further increase the complexity of the development process. Modern electronic computer-aided design (ECAD) and simulation tools have significantly advanced. They offer improved accuracy, usability, and the ability to model detailed behaviors. However, the design workflow remains fragmented. Different specialized tools are used for each task, requiring multiple expert profiles, complex data handling, and raising compatibility issues between proprietary formats. This fragmentation slows down the process, especially when iterating between electrical, thermal, and mechanical aspects. Physical prototyping represents another major bottleneck, particularly for advanced technologies like embedded PCBs. Lead times can reach several months, with high associated costs. Virtual prototyping is a promising alternative, but it remains underdeveloped in power electronics compared to fields like microelectronics. This thesis introduces a design tool that automatically generates virtual prototypes of power converter PCBs. The goal is to produce reliable electro-thermal simulation models directly from PCB layout data, reducing reliance on physical prototypes. The tool integrates multiple steps: layout extraction, geometry simplification, electromagnetic modeling, thermal finite element analysis, and the generation of electronic schematics for circuit simulation. Experimental validations were conducted on both simple and complex layouts. The tool successfully simulated parameters that are otherwise difficult to measure, such as junction temperature and switching waveforms. Results were compared to measurements from physical prototypes, validating the credibility of the generated models. Performance analysis has shown that the thermal FEM (Finite Element Method) simulation stage accounts for the majority of computation time, consuming up to 95%. This is primarily due to the complexity of the transient FEM simulation and the mesh. However, this time consumption is still relatively minor compared to the time needed for hardware prototyping. The ability to explore designs before fabrication and access internal variables highlights the practical benefits of the proposed virtual prototyping approach. Some limitations remain: dependence on proprietary software (Altium, ANSYS), meshing quality issues, partially automated electronic schematics' generation, and the need for manual input of boundary conditions. Future improvements could include adopting open standards like IPC-2581 and integrating open-source tools to improve interoperability and long-term sustainability. In conclusion, this thesis demonstrates the potential of automated, layout-based virtual prototyping in embedded power electronics. The proposed tool is a solid proof of concept for a more unified, faster, and reliable design process. It lays the groundwork for next-generation ECAD environments where virtual prototypes can effectively complement or replace physical ones during early design stages.

Les convertisseurs de puissance sont des systèmes complexes faisant intervenir des phénomènes multiphysiques couplés : comportement électromagnétique, effets thermiques et interactions matériaux. Leur conception est rendue difficile par la diversité des composants, matériaux, niveaux de tension et stratégies de refroidissement utilisés. À cela s'ajoutent des exigences croissantes en matière de performance, de miniaturisation et de fiabilité. Les outils actuels de CAO électronique (ECAD) et de simulation ont beaucoup évolué. Ils sont plus précis, conviviaux et capables de modéliser des comportements détaillés. Toutefois, le processus de conception reste morcelé. Différents outils spécialisés sont utilisés à chaque étape, nécessitant des expertises variées, une gestion complexe des données, et impliquant des problèmes d'interopérabilité entre formats propriétaires. Ce cloisonnement ralentit le développement, notamment lors des itérations entre les aspects électriques, thermiques et mécaniques. Le prototypage physique représente également un frein, en particulier pour les technologies avancées comme les PCB embarqués. Les délais de fabrication peuvent atteindre plusieurs mois, avec des coûts élevés. Le prototypage virtuel apparaît ainsi comme une alternative prometteuse, mais encore peu développée dans le domaine de l'électronique de puissance. Cette thèse propose un outil de conception permettant de générer automatiquement des prototypes virtuels de cartes électroniques de convertisseurs. L'objectif est de produire des modèles de simulation électro-thermiques fiables à partir du layout PCB, en réduisant le recours au prototypage physique. L'outil développé intègre plusieurs étapes : extraction du layout, simplification géométrique, modélisation électromagnétique, simulation thermique par éléments finis et génération de schéma électronique pour la simulation de circuits. Les validations expérimentales menées sur des cartes simples et complexes ont confirmé la pertinence des modèles générés. L'outil permet de simuler des paramètres difficiles à mesurer comme la température de jonction ou les formes d'onde de commutation. Les résultats ont été comparés à des mesures sur prototypes réels, renforçant la crédibilité de l'approche. L'analyse des performances montre que la simulation thermique est l'étape la plus coûteuse en temps (jusqu'à 95% du calcul total), mais reste négligeable face aux délais de fabrication. La capacité à explorer des variantes avant fabrication, et à accéder à des variables internes, montre la valeur pratique du prototypage virtuel. Des limites subsistent : dépendance à des logiciels propriétaires, problèmes de maillage, génération de "netlists" partiellement automatisée, et absence de prise en compte automatique des conditions environnementales. Des pistes d'amélioration incluent l'adoption de standards ouverts (IPC-2581) et l'intégration d'outils open-source. En conclusion, cette thèse démontre le potentiel du prototypage virtuel automatisé basé sur le layout dans le domaine de l'électronique de puissance embarquée. L'outil développé constitue une preuve de concept solide pour une approche unifiée, plus rapide et plus fiable du processus de conception.

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Dates et versions

tel-05462434 , version 1 (16-01-2026)

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  • HAL Id : tel-05462434 , version 1

Citer

Bahaeddine Ben Hamed. Design toolkit for PCB-based power electronic systems. Electronics. INSA de Lyon, 2025. English. ⟨NNT : 2025ISAL0071⟩. ⟨tel-05462434⟩
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