Interface isolée monolithique pour les interrupteurs MOSFET bidirectionnels dédiée au contrôle des systèmes d'accord et de conversion d'énergie utilisée dans les applications médicales

Monolithic isolated drivers for bidirectional MOSFET switches dedicated to the control of auto tuning and power conversion systems used in medical applications

• Auteur / Autrice : Imran Khan
• Direction : Ming Zhang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 03/04/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Bénabes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Hebrard, Gilles Jacquemod, Yann Deval, Nicolas Llaser
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Luc Hebrard, Gilles Jacquemod

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transducteurs ultrasonores

MOS complémentaires

Isolation électrique

Systèmes sur puce

Circuits intégrés

Données -- Transmission

Mots clés libres

Système de transmission isolé

Masse flottante

Isolation capacitive

CMOS

Commutateur AC

Système HIFU

Isolated transmission system

Floating ground

Capacitive isolation

CMOS

AC switch

HIFU system

Résumé

Cette thèse prolonge des études antérieures sur les perspectives des UFHI dans le traitement du cancer. Un réseau de transducteurs ultrasoniques génère un faisceau d'ultrasons pour éradiquer les cellules malignes. Les systèmes d'IRM conduisent les systèmes HIFU à fournir une imagerie à haute résolution. Pour une transmission optimale de l'énergie, les transducteurs ultrasoniques sont dotés d'un système de réglage synchrone automatique. Un système de transmission isolé (pilote de commutateur CA) est nécessaire pour piloter un commutateur CA afin de contrôler le système de réglage synchrone automatique. L'objectif de cette thèse est donc de concevoir un circuit de commande de commutateur CA isolé qui doit être immunisé contre le champ magnétique, atténuer la tension de mode commun, être économe en énergie, miniaturisé, avoir un retard de signal négligeable et être conforme aux exigences de l'IC. Un système CMOS est proposé pour atténuer la tension de mode commun indésirable. Un nouveau système de transmission capacitif à conception unique est conçu pour atténuer la tension en mode commun en ajoutant un filtre passe-haut. Sur la base du filtre passe-haut, trois pilotes de commutateur CA isolés innovants ont été proposés et conçus à l'aide de la technologie CMOS 0,35um avec des structures asymétriques et différentielles. Parmi les structures à extrémité unique, un système basé sur un filtre passe-haut de premier ordre peut faire face à une tension de mode commun allant jusqu'à 40 V avec une immunité aussi élevée que 120 V/μs. Le système basé sur un filtre passe-haut de deuxième ordre atténue une tension de mode commun de 120 V avec une immunité allant jusqu'à 720 V/μs. Le délai de transmission du signal et la consommation d'énergie pour les systèmes de premier et de second ordre sont respectivement inférieurs à 10 ns, 2,66 mW, et 12 ns, 1,38 mW. Un troisième pilote de commutateur CA basé sur une structure différentielle a également été proposé, qui est plus immunisé contre le bruit et présente un rapport signal/bruit élevé. Le système différentiel atténue une tension de mode commun de 90V avec une immunité allant jusqu'à 540V/us. Le système global consomme 5 mW avec un retard du signal de sortie de 12 ns. Pour la vérification expérimentale, les systèmes asymétriques sont testés sur le circuit imprimé.

This thesis extends previous studies on the prospects of HIFU for the treatment of cancer. An array of ultrasonic transducers generates a beam of ultrasound to eradicate malignant cells. MRI systems lead HIFU systems to provide high resolution imaging. For optimum energy transmission, the ultrasonic transducers have an automatic synchronous adjustment system. An isolated transmission system (AC switch driver) is required to drive an AC switch to control the automatic synchronous adjustment system. The objective of this thesis is therefore to design an isolated AC switch driver circuit which must be immune to the magnetic field, attenuate common-mode voltage, be energy efficient, miniaturized, have negligible signal delay, and comply with IC requirements. A CMOS-based system is proposed to attenuate the unwanted common-mode voltage. A novel single-ended design capacitive transmission system is designed to attenuate the common-mode voltage by adding a high-pass filter. Based on the high-pass filter, three innovative isolated AC switch drivers were proposed and designed using 0.35um CMOS technology with single-ended and differential structures. Among the single-ended structures, a first-order high-pass filter based system can cope with a common-mode voltage of up to 40 V with an immunity as high as 120 V/μs. While the second order HPF-based system attenuates a common-mode voltage of 120 V with an immunity of up to 720 V/μs. The signal transmission delay and power consumption for first- and second-order systems are less than 10 ns, 2.66 mW and 12 ns, 1.38 mW, respectively. A third AC switch drivers based on a differential structure has also been proposed, which is more immune to noise and has a high signal-to-noise ratio. The differential system attenuates a common mode voltage of 90V with an immunity of up to 540V/us. The overall system consumes 5 mW with an output signal delay of 12 ns. For experimental verification, the single ended systems are tested on the printed circuit board.