REPOBLIKAN’I MADAGASIKARA Fitiavana- Tanindrazana- Fandrosoana MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITÉ D’ANTSIRANANA ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTSIRANANA TRAVAIL DE PROJET TUTOR EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME EN M1 MENTION STIC Parcours EII Revue des modèles SPICE des composants d’électronique de puissance Réalisé par : -AMBININDRAZA Hermeland -W. Maxim Encadreur: - Monsieur RANDRIAMASINORO Hary Bien Aimé - Monsieur ANDRINIRINIAIMALAZA Fanambinantsoa Philibert REMERCIEMENTS Avant tout, mes remerciements s’adressent profondément au Seigneur qui m’a donné la santé, la force, l’intelligence et le courage durant mes études, pour m’avoir bien protégé afin de pouvoir accomplir ce travail. J’exprime ma profonde reconnaissance au : Directeur de l’ESPA, Docteur RANDRIAMAMPIONONA Zarasoa Arnole de m’avoir reçu au sein de l’école. Chef de MENTION STIC, Docteur ANDRIAMIHARINJAKA Hasina de nous avoir donné le meilleur pour nous intégrer chaque jour un peu plus dans le bon état d’esprit dans cette école. J’adresse toute ma gratitude à : Mes encadreurs pédagogiques, Monsieur RANDRIAMASINORO Hary Bien Aimé et Monsieur ANDRINIRINIAIMALAZA Fanambinantsoa Philibert, pour leurs précieux aides et conseils afin de suivre la bonne voie pour mon travail. Sans oublier également de remercier tous les professeurs de l’ESPA, ne pouvant pas les citer individuellement, je souhaite néanmoins leur exprimer ma profonde reconnaissance. J’adresse l’expression de mes remerciements et de ma considération à mes parents qui m’ont toujours soutenu dans la vie et durant mes études. Un grand merci à ma famille. Enfin, j’aimerai aussi témoigner une grande reconnaissance envers mes collègues de promotion qui ont su créer une atmosphère fraternelle durant nos études. Pour ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à l’exécution du présent travail, qu’ils trouvent ici l’expression de ma gratitude et de mes vifs remerciements. ÉCOLE SUPÉRIEURE POLYTECHNIQUE D’A NTSIRANANA MENTION STIC B.P. O 201 - ANTSIRANANA - MADAGASCAR Tél. : +261 (0)32 76 395 40 ¡ Courriel : [email protected] « Maîtriser aujourd’hui la technologie de demain » Projet Tutoré - A.U : 2018/2019 Revue des modèles SPICE des composants d’électronique de puissance (02 Étudiant(e)s TR4 ou EII4) Contexte SPICE reste encore jusqu’à maintenant le logiciel le plus utilisé pour la simulation en électronique, plus particulièrement en électronique de puissance. En effet, il constitue le noyau de la plupart des logiciels de simulation disponibles sur le marché qui ne sont en réalités que des interfaces graphiques facilitant l’entrée des données, la visualisation et l’analyse des résultats. L’un des avantages de SPICE est la disponibilité des modèles des composants utilisés qui accompagnent souvent les catalogues des constructeurs, permettant ainsi d’obtenir des résultats de simulation très proches de la réalité. De plus, lorsque le modèle d’un composant n’est pas disponible, il est possible d’en établir un à partir de son modèle standard SPICE, des paramètres extraits du catalogue du constructeur et des mesures effectuées en laboratoire. Objectif L’objectif du travail est la revue des modèles SPICE des composants électroniques discrets, notamment ceux utilisés en électronique de puissance (diodes et thyristors, transistors BJT, JFET, MOSFET et IGBT, etc.). Chaque modèle est, de plus, accompagné par la procédure d’extraction de ses paramètres. Travaux demandés - Etude bibliographique sur le logiciel SPICE et les modèles des composants électroniques discrets ; - Apprentissage de SPICE ; - Etablissement des modèles SPICE des composants d’électronique de puissance ; - Etablissement des procédures d’extraction des paramètres ; - Applications. Encadreur(s) - Monsieur RANDRIAMASINORO Hary Bien Aimé - Monsieur ANDRINIRINIAIMALAZA Fanambinantsoa Philibert INTRODUCTION GENERALE La simulation est l’expérimentation sur un modèle. C’est une procédure de recherche scientifique qui consiste à réaliser une reproduction artificielle (modèle) du phénomène que l’on désire étudier, à observer le comportement de cette reproduction lorsque l’on fait varier expérimentalement les actions que l’on peut exercer sur celle-ci, et à en induire ce qui se passerait dans la réalité sous l’influence d’actions analogues. Appliquée à l’électronique de puissance, la simulation devient de plus en plus indispensable à la conception des systèmes électroniques et électriques. Le programme de simulation analogique le plus répandu et le plus utilise actuellement est « SPICE »: Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis ou Programme de Simulation Orienté vers les Circuits Intégrés. Il est possible de simuler pratiquement n'importe quel circuit avec un programme. Donc, dans ce projet, notre objectif comporte du travail est la revue des modèles SPICE des composants électroniques discrets, notamment ceux utilisés en électronique de puissance et accompagné par la procédure d’extraction de ses paramètres. Dans le premier chapitre, Etude bibliographique sur le logiciel SPICE et les modèles des composants électroniques discrets. Au chapitre 2, Apprentissage de SPICE et établissement des modèles SPICE des composants d’électronique de puissance. Enfin, dans le chapitre 3 sur Etablissement des procédures d’extraction des paramètres et Applications. CHAPITRE 1: Etude bibliographique sur le logiciel NGSPICE et les modèles des composants électroniques discrets I. GENERALITE SUR LOGICIELS NGSPICE 1. 1 Objectif L’objectif de notre travail est la mise en place de procédures d’extraction des paramètres et de détermination du domaine de validité. Pour cela nous avons besoin de comparer l’expérience avec la simulation. Nous définissons donc des paramètres diodes, thyristors, transistors BJT, JFET, MOSFET et IGBT alors décrivant les commutations, que nous utiliserons dans les analyses et les comparaisons. Dans tous les dispositifs de l’électronique de puissance, le conditionnement de l’énergie électrique repose sur l’emploi de composants à semi-conducteur fonctionnant en commutation. En fait, les travaux de modélisation d’un composant à semi-conducteur sont largement influencés par les modèles classiques implantés dans le simulateur SPICE, qui utilisent un schéma électrique équivalent pour représenter le comportement du composant. 1. 2 Compilation et Configuration de NGSPICE NGSPICE est un projet Open Source (et un logiciel), cela signifie que son code source est disponible pour l'utilisateur final. Eh bien, pour être honnête, le code source est la seule chose disponible pour l'utilisateur. Ce chapitre explique brièvement comment traiter ce paquet plutôt complexe. Maintenant que vous avez extrait tous les fichiers, vous devez donner des valeurs pour compiler les variables de temps et définir les chemins corrects pour les bibliothèques et inclure le fichier. La plate-forme de référence pour NGSPICE est un système Linux. La compilation NGSPICE prend plusieurs minutes sur une machine moyenne, assez pour vous permettre déjeuner. Une fois que NGSPICE a été compilé, vous devez l’installer en lançant la commande faire installer. Le développement de NGSPICE est réalisé sous Linux sur l’architecture du processeur i386. Compilation sous différents systèmes UNIX ne devrait nécessiter que des modifications mineures, car la plupart des problèmes sera résolu par Autoconf. La compilation sous des systèmes d’exploitation non UNIX peut nécessiter des modifications majeures, car Autoconf et d’autres outils UNIX peuvent ne pas être disponibles sur ces environnements. Dans le passé, NGSPICE était porté sur certains systèmes d’exploitation. 1. 3 Processus général de développement d’un modèle pour un composant Electronique et Synoptique d'utilisation de NGSPICE. Le synoptique d'utilisation de NGSPICE est résumé sur la figure 1. La simulation d'un circuit électrique ou électronique commence toujours par la description du circuit. Celle-ci peut être réalisée à l'aide d'un éditeur de texte ou d'un programme de saisie graphique de schéma (préprocesseur) qui convertira le schéma en fichier texte. Ce fichier appelée « fichier-circuit» contient également les instructions concernant les analyses à réaliser. Pour procéder à la simulation, il faut exécuter le programme NGSPICE en précisant le nom du fichier-circuit : nom.cir ou « nom » est un nom de fichier donnée par l'utilisateur et l'extension « .cir » est réservée. Apres exécution du programme, les résultats de la simulation sont enregistrés dans le fichier texte de sortie nom .out et, si la demande en a été faite, les résultats sont également enregistrés dans le fichier binaire nom .dat pour pouvoir être traités par le postprocesseur graphique Probe. Figure 1: Synoptique d'utilisation de NGSpice. La figure 2 montre un processus général pour développer un modèle de composant électronique. La première étape consiste à construire un modèle en étudiant les caractéristiques physiques, les méthodes de fabrication, et la structure du semi-conducteur. Cette partie du travail dépasse le cadre de ce mémoire. On ne s’intéresse ici qu’à l’analyse du rôle des paramètres des modèles dans un circuit réel. En réalité, il faut déjà connaître leurs valeurs avant d’en étudier l’impact dans un circuit pratique. C’est le but de la procédure d’extraction des paramètres, deuxième étape du développement. La confiance dans les résultats de la simulation repose sur la connaissance quantifiée de la validité du couple modèle-paramètres identifiés. Pour qu’un modèle soit utilisable en conception, Il est nécessaire de valider systématiquement un modèle. Par cela on doit développer une procédure de validation. Il s’agit de vérifier un bon accord entre l’expérience et la simulation, dans un très grand nombre de conditions de fonctionnement du composant de puissance. Si l’on trouve que l’on a obtenu un bon résultat après la validation, on peut fournir ce couple de modèle-paramètres et le domaine de validité aux utilisateurs. Malheureusement, dans la pratique, le processus de développement est itératif: on refait souvent le processus d’identification plusieurs fois, et on doit parfois modifier le modèle. Figure 2: Processus général de développement d’un modèle pour un composant électronique. 1. 4 HISTORIQUE SURS LOGICIELS Le programme de simulation analogique le plus répandu et le plus utilisé actuellement est « SPICE » (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis : Programme de Simulation Orientée vers les Circuits Intégrés). Ce programme a été développé au départ à l'Université de Berkeley en Californie par Laurence Nagel en 1975 mais les recherches dans le domaine de la simulation des circuits se poursuivent encore actuellement dans un grand nombre d'universités ou d'entreprises. Des versions gratuites ou commerciales de SPICE ou de programmes similaires sont actuellement disponibles sur un grand nombre de plates-formes qui vont du petit ordinateur personnel aux grosses machines centrales en passant par les stations de travail. II. Etude bibliographique sur le logiciel NGSPICE 2. 1 Principe de base : Ligne de titre, Lignes de commentaire et Ligne .END,… 2. 1.1 Ligne de titre La ligne de titre doit être la première du fichier d'entrée. Son contenu est imprimé tel quel rubrique pour chaque section de sortie. Par exemple : CIRCUIT D'AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE. 2.1.2 Lignes de commentaire Forme générale: * <tout commentaire> Exemples: * RF = 1K Le gain devrait être de 100 * Vérifier le gain en boucle ouverte et la marge de phase L'astérisque dans la première colonne indique que cette ligne est une ligne de commentaire. Les lignes de Commentaire peuvent être placées n'importe où dans la description du circuit. Notez que NGSPICE considère également toute ligne avec un espace blanc de début doit être un commentaire. 2.1.3 Ligne .END La ligne "END" doit toujours être la dernière du fichier d'entrée. Notez que la période est une partie intégrante du nom. Par exemple : .END 2.1.4 Modèles d'appareil La plupart des éléments de circuit simples ne nécessitent généralement que quelques valeurs de paramètre cependant, certains dispositifs (semi-conducteurs en particulier) inclus dans NGSPICE nécessitent nombreuses valeurs de paramètres. Souvent, de nombreux périphériques d’un circuit sont définis par le même ensemble de paramètres modèle d'appareil. Pour ces raisons, un ensemble de paramètres de modèle d’appareil est défini sur une ligne distincte .MODEL à laquelle un nom de modèle unique a été attribué. Les lignes d'éléments d'élément dans NGSPICE fait ensuite référence au nom du modèle. Forme générale: TYPE DE MNAME .MODE (PNAME1 = PVAL1 PNAME2 = PVAL2 ...) Code Type de modèle R ------------------------Modèle de résistance Semiconducteur C -----------------------Modèle de condensateur à semi-conducteur L -------------------------Modèle inducteur SW ----------------------interrupteur à tension contrôlée CSW ------------------Interrupteur contrôlé en courant RC ----------------------Modèle distribué URC Uniform LTRA ------------------Modèle de ligne de transmission avec pertes D ------------------------Modèle de diode NPN ---------------------Modèle BJT PNP ------ --------------modèle BJT NJF ---------------------Modèle JFET à canal N PJF ---------------------Modèle JFET à canal P NMOS -----------------Modèle MOSFET à canal N PMOS -----------------Modèle MOSFET à canal P NMF -------------------Modèle MESFET à canal N PMF -------------------Mode MESFET du canal P 2.1.5 INCLUENT Des parties de descriptions de circuits seront fréquemment réutilisées dans plusieurs fichiers d’entrée, notamment avec des modèles et des sous-circuits communs. Dans tout fichier d’entrée ngspice, la ligne ".include" peut être utilisé pour copier un autre fichier comme si ce deuxième fichier apparaissait à la place du fichier ".include" ligne dans le fichier d'origine. . Il n'y a aucune restriction sur le nom de fichier imposé par ngspice au-delà ceux imposés par le système d'exploitation local.8 éléments de circuit et modèles Les champs de données délimités par des signes inférieur et supérieur (’<>’) sont facultatifs. Tout ponctuation indiquée (parenthèses, signes égaux, etc.) est facultative mais indique la présence de tout délimiteur. En outre, les mises en œuvre futures peuvent nécessiter la ponctuation indiquée. Forme générale: Nom de fichier .INCLUDE Exemples: .INCLUDE /users/spice/common/wattmeter.cir 2.2 Expressions et Interprétation de commande 2.2.1 Expression, fonctions et constants Les données NGSPICE et Noix de muscade sont sous forme de vecteurs: temps, tension, etc. Chaque vecteur a type, et les vecteurs peuvent être exploités et combinés algébriquement de manière compatible avec leurs types. Les vecteurs sont normalement créés lors de la lecture d’un fichier de données et lorsque le fichier de données initial est chargé. Ils peuvent également être créés avec le let commander. Une expression est une formule algébrique impliquant des vecteurs et des scalaires et les opérations suivantes: + - * / ^% est l'opérateur modulo et l'opérateur virgule a deux significations: s'il est présent dans la liste des arguments d'une fonction définissable par l'utilisateur, elle sert à séparer les arguments. Les opérations logiques & (et), | (ou), ! (non), et le relationnel opérations<,>,> =, <=, = et <> (pas égales). Si utilisé dans une expression algébrique, ils fonctionnent comme en C, produisant des valeurs de 0 ou 1. 2.2.2 Commandes : Cd Changer de répertoire Modifiez le répertoire de travail actuel en répertoire ou répertoire personnel de l’utilisateur si aucun n'est donné. Forme générale: Cd [répertoire] 2.2.3 RUN : lancer l'analyse à partir du fichier d'entrée Exécutez la simulation comme spécifié dans le fichier d'entrée. S'il y avait une des lignes de contrôle .ac, .op, .tran ou .dc, ils sont exécutés. Forme générale: Run [rawfile] 2.2.4 Source : Lire un fichier d’entrée NGSPICE Pour NGSPICE: Lisez le fichier de fichier d’entrée NGSPICE. Commandes de noix de muscade ou NGSPICE peuvent être inclus dans le fichier et doit être placé entre les lignes .control et .endc. Celles-ci les commandes sont exécutées immédiatement après le chargement du circuit, donc une ligne de fonctionne de la même manière que la carte .ac correspondante. La première ligne de tout fichier d'entrée est considérée une ligne de titre et non analysée mais conservée comme nom du circuit. L'exception à cette règle est le fichier .spiceinit. 2.2.5 Lignes PLOT: incrémental du graphique Tracez progressivement les valeurs des nœuds pendant l'exécution de NGSPICE. La commande PLOT peut être utilisée avec la commande where pour trouver des points problématiques dans une simulation transitoire. Forme générale: .PLOT PLTYPE V1 (PLO1, PHI1) V2 (PLO2, PHI2)... V8(PLO8, PHI8) 2.2.6 Enregistrer: enregistrer un ensemble de sorties Sauvegardez un ensemble de sorties en éliminant le reste. Si un noeud a été mentionné dans une sauvegarde commande, il apparaît dans le tracé de travail à la fin d'une analyse ou dans le fichier brut si ngspice est exécuté en mode batch. Si un nœud est tracé ou tracé (voir cidessous), il est également enregistré. Pour compatibilité ascendante, si aucune commande de sauvegarde n’est donnée, toutes les sorties sont sauvegardées. Lorsque le mot clé "all" ou le mot clé "allv", apparaît dans la commande de sauvegarde, tous les nœuds les tensions, les courants de source de tension et les courants d'inductance sont enregistrés en plus de tout autre valeurs énumérées. Si le mot clé "alli" apparaît dans la commande de sauvegarde, tous les courants de périphériques sont enregistrés. Forme générale: save [tous | allv | alli | sortie ...] .save [all | allv | alli | sortie ...] III. Les modèles des composants électroniques discrets 3. Dispositifs élémentaires 3.1
