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

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.