Signal analysis and feature generation for pattern identification of partial discharges in high-voltage equipment

This paper proposes a method for the identification of different partial discharges (PDs) sources through the analysis of a collection of PD signals acquired with a PD measurement system. This method, robust and sensitive enough to cope with noisy data and external interferences, combines the characterization of each signal from the collection, with a clustering procedure, the CLARA algorithm. Several features are proposed for the characterization of the signals, being the wavelet variances, the frequency estimated with the Prony method, and the energy, the most relevant for the performance of the clustering procedure. The result of the unsupervised classification is a set of clusters each containing those signals which are more similar to each other than to those in other clusters. The analysis of the classification results permits both the identification of different PD sources and the discrimination between original PD signals, reflections, noise and external interferences. The methods and graphical tools detailed in this paper have been coded and published as a contributed package of the R environment under a GNU/GPL license.

Signal analysis and feature generation for pattern identification of partial discharges in high-voltage equipment

This paper proposes a method for the identification of different partial discharges (PDs) sources through the analysis of a collection of PD signals acquired with a PD measurement system. This method, robust and sensitive enough to cope with noisy data and external interferences, combines the characterization of each signal from the collection, with a clustering procedure, the CLARA algorithm. Several features are proposed for the characterization of the signals, being the wavelet variances, the frequency estimated with the Prony method, and the energy, the most relevant for the performance of the clustering procedure. The result of the unsupervised classification is a set of clusters each containing those signals which are more similar to each other than to those in other clusters. The analysis of the classification results permits both the identification of different PD sources and the discrimination between original PD signals, reflections, noise and external interferences. The methods and graphical tools detailed in this paper have been coded and published as a contributed package of the R environment under a GNU/GPL license.

Multiple Input-Output Bidirectional Solid State Transformer Based on a Series Resonant Converter

Las fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS en sus siglas en inglés) se utilizan ampliamente en una gran variedad de aplicaciones. La tarea más difícil para los diseñadores de SMPS consiste en lograr simultáneamente la operación del convertidor con alto rendimiento y alta densidad de energía. El tamaño y el peso de un convertidor de potencia está dominado por los componentes pasivos, ya que estos elementos son normalmente más grandes y más pesados que otros elementos en el circuito. Para una potencia de salida dada, la cantidad de energía almacenada en el convertidor que ha de ser entregada a la carga en cada ciclo de conmutación, es inversamente proporcional a la frecuencia de conmutación del convertidor. Por lo tanto, el aumento de la frecuencia de conmutación se considera un medio para lograr soluciones más compactas con los niveles de densidad de potencia más altos. La importancia de investigar en el rango de alta frecuencia de conmutación radica en todos los beneficios que se pueden lograr: además de la reducción en el tamaño de los componentes pasivos, el aumento de la frecuencia de conmutación puede mejorar significativamente prestaciones dinámicas de convertidores de potencia. Almacenamiento de energía pequeña y el período de conmutación corto conducen a una respuesta transitoria del convertidor más rápida en presencia de las variaciones de la tensión de entrada o de la carga. Las limitaciones más importantes del incremento de la frecuencia de conmutación se relacionan con mayores pérdidas del núcleo magnético convencional, así como las pérdidas de los devanados debido a los efectos pelicular y proximidad. También, un problema potencial es el aumento de los efectos de los elementos parásitos de los componentes magnéticos - inductancia de dispersión y la capacidad entre los devanados - que causan pérdidas adicionales debido a las corrientes no deseadas. Otro factor limitante supone el incremento de las pérdidas de conmutación y el aumento de la influencia de los elementos parásitos (pistas de circuitos impresos, interconexiones y empaquetado) en el comportamiento del circuito. El uso de topologías resonantes puede abordar estos problemas mediante el uso de las técnicas de conmutaciones suaves para reducir las pérdidas de conmutación incorporando los parásitos en los elementos del circuito. Sin embargo, las mejoras de rendimiento se reducen significativamente debido a las corrientes circulantes cuando el convertidor opera fuera de las condiciones de funcionamiento nominales. A medida que la tensión de entrada o la carga cambian las corrientes circulantes incrementan en comparación con aquellos en condiciones de funcionamiento nominales. Se pueden obtener muchos beneficios potenciales de la operación de convertidores resonantes a más alta frecuencia si se emplean en aplicaciones con condiciones de tensión de entrada favorables como las que se encuentran en las arquitecturas de potencia distribuidas. La regulación de la carga y en particular la regulación de la tensión de entrada reducen tanto la densidad de potencia del convertidor como el rendimiento. Debido a la relativamente constante tensión de bus que se encuentra en arquitecturas de potencia distribuidas los convertidores resonantes son adecuados para el uso en convertidores de tipo bus (transformadores cc/cc de estado sólido). En el mercado ya están disponibles productos comerciales de transformadores cc/cc de dos puertos que tienen muy alta densidad de potencia y alto rendimiento se basan en convertidor resonante serie que opera justo en la frecuencia de resonancia y en el orden de los megahercios. Sin embargo, las mejoras futuras en el rendimiento de las arquitecturas de potencia se esperan que vengan del uso de dos o más buses de distribución de baja tensión en vez de una sola. Teniendo eso en cuenta, el objetivo principal de esta tesis es aplicar el concepto del convertidor resonante serie que funciona en su punto óptimo en un nuevo transformador cc/cc bidireccional de puertos múltiples para atender las necesidades futuras de las arquitecturas de potencia. El nuevo transformador cc/cc bidireccional de puertos múltiples se basa en la topología de convertidor resonante serie y reduce a sólo uno el número de componentes magnéticos. Conmutaciones suaves de los interruptores hacen que sea posible la operación en las altas frecuencias de conmutación para alcanzar altas densidades de potencia. Los problemas posibles con respecto a inductancias parásitas se eliminan, ya que se absorben en los Resumen elementos del circuito. El convertidor se caracteriza con una muy buena regulación de la carga propia y cruzada debido a sus pequeñas impedancias de salida intrínsecas. El transformador cc/cc de puertos múltiples opera a una frecuencia de conmutación fija y sin regulación de la tensión de entrada. En esta tesis se analiza de forma teórica y en profundidad el funcionamiento y el diseño de la topología y del transformador, modelándolos en detalle para poder optimizar su diseño. Los resultados experimentales obtenidos se corresponden con gran exactitud a aquellos proporcionados por los modelos. El efecto de los elementos parásitos son críticos y afectan a diferentes aspectos del convertidor, regulación de la tensión de salida, pérdidas de conducción, regulación cruzada, etc. También se obtienen los criterios de diseño para seleccionar los valores de los condensadores de resonancia para lograr diferentes objetivos de diseño, tales como pérdidas de conducción mínimas, la eliminación de la regulación cruzada o conmutación en apagado con corriente cero en plena carga de todos los puentes secundarios. Las conmutaciones en encendido con tensión cero en todos los interruptores se consiguen ajustando el entrehierro para obtener una inductancia magnetizante finita en el transformador. Se propone, además, un cambio en los señales de disparo para conseguir que la operación con conmutaciones en apagado con corriente cero de todos los puentes secundarios sea independiente de la variación de la carga y de las tolerancias de los condensadores resonantes. La viabilidad de la topología propuesta se verifica a través una extensa tarea de simulación y el trabajo experimental. La optimización del diseño del transformador de alta frecuencia también se aborda en este trabajo, ya que es el componente más voluminoso en el convertidor. El impacto de de la duración del tiempo muerto y el tamaño del entrehierro en el rendimiento del convertidor se analizan en un ejemplo de diseño de transformador cc/cc de tres puertos y cientos de vatios de potencia. En la parte final de esta investigación se considera la implementación y el análisis de las prestaciones de un transformador cc/cc de cuatro puertos para una aplicación de muy baja tensión y de decenas de vatios de potencia, y sin requisitos de aislamiento. Abstract Recently, switch mode power supplies (SMPS) have been used in a great variety of applications. The most challenging issue for designers of SMPS is to achieve simultaneously high efficiency operation at high power density. The size and weight of a power converter is dominated by the passive components since these elements are normally larger and heavier than other elements in the circuit. If the output power is constant, the stored amount of energy in the converter which is to be delivered to the load in each switching cycle is inversely proportional to the converter’s switching frequency. Therefore, increasing the switching frequency is considered a mean to achieve more compact solutions at higher power density levels. The importance of investigation in high switching frequency range comes from all the benefits that can be achieved. Besides the reduction in size of passive components, increasing switching frequency can significantly improve dynamic performances of power converters. Small energy storage and short switching period lead to faster transient response of the converter against the input voltage and load variations. The most important limitations for pushing up the switching frequency are related to increased conventional magnetic core loss as well as the winding loss due to the skin and proximity effect. A potential problem is also increased magnetic parasitics – leakage inductance and capacitance between the windings – that cause additional loss due to unwanted currents. Higher switching loss and the increased influence of printed circuit boards, interconnections and packaging on circuit behavior is another limiting factor. Resonant power conversion can address these problems by using soft switching techniques to reduce switching loss incorporating the parasitics into the circuit elements. However the performance gains are significantly reduced due to the circulating currents when the converter operates out of the nominal operating conditions. As the input voltage or the load change the circulating currents become higher comparing to those ones at nominal operating conditions. Multiple Input-Output Many potential gains from operating resonant converters at higher switching frequency can be obtained if they are employed in applications with favorable input voltage conditions such as those found in distributed power architectures. Load and particularly input voltage regulation reduce a converter’s power density and efficiency. Due to a relatively constant bus voltage in distributed power architectures the resonant converters are suitable for bus voltage conversion (dc/dc or solid state transformation). Unregulated two port dc/dc transformer products achieving very high power density and efficiency figures are based on series resonant converter operating just at the resonant frequency and operating in the megahertz range are already available in the market. However, further efficiency improvements of power architectures are expected to come from using two or more separate low voltage distribution buses instead of a single one. The principal objective of this dissertation is to implement the concept of the series resonant converter operating at its optimum point into a novel bidirectional multiple port dc/dc transformer to address the future needs of power architectures. The new multiple port dc/dc transformer is based on a series resonant converter topology and reduces to only one the number of magnetic components. Soft switching commutations make possible high switching frequencies to be adopted and high power densities to be achieved. Possible problems regarding stray inductances are eliminated since they are absorbed into the circuit elements. The converter features very good inherent load and cross regulation due to the small output impedances. The proposed multiple port dc/dc transformer operates at fixed switching frequency without line regulation. Extensive theoretical analysis of the topology and modeling in details are provided in order to compare with the experimental results. The relationships that show how the output voltage regulation and conduction losses are affected by the circuit parasitics are derived. The methods to select the resonant capacitor values to achieve different design goals such as minimum conduction losses, elimination of cross regulation or ZCS operation at full load of all the secondary side bridges are discussed. ZVS turn-on of all the switches is achieved by relying on the finite magnetizing inductance of the Abstract transformer. A change of the driving pattern is proposed to achieve ZCS operation of all the secondary side bridges independent on load variations or resonant capacitor tolerances. The feasibility of the proposed topology is verified through extensive simulation and experimental work. The optimization of the high frequency transformer design is also addressed in this work since it is the most bulky component in the converter. The impact of dead time interval and the gap size on the overall converter efficiency is analyzed on the design example of the three port dc/dc transformer of several hundreds of watts of the output power for high voltage applications. The final part of this research considers the implementation and performance analysis of the four port dc/dc transformer in a low voltage application of tens of watts of the output power and without isolation requirements.

Geoprocesamiento como Herramienta de Cálculo y Comunicación de Afecciones por Obras Lineales: Líneas Eléctricas de Alta Tensión

Los proyectos de infraestructuras lineales son implantados en el territorio, y la información geográfica de estos proyectos tiene la capacidad de representar la forma, dimensiones y ubicación de estas infraestructuras, así como los límites de las diferentes propiedades que atraviesa. Esta información geográfica ayuda al entendimiento de la afección de la instalación sobre las diferentes propiedades inmuebles, y por otro lado permite cuantificar automáticamente, la magnitud de cada tipo de afección y así utilizarse como mecanismo de notificación formal a los propietarios de las parcelas afectadas. En este trabajo se presenta cómo se ha integrado en el flujo de trabajo de Red Eléctrica de España (REE), las tareas relacionadas con el cálculo de afecciones de las nuevas instalaciones de Alta Tensión, permitiendo visualizar los proyectos mediante: un visor WMS, un globo 3D mediante KML, o como un conjunto de reseñas gráficas de cada parcela. Estas soluciones han permitido optimizar los procesos de cálculo de afecciones y la generación de las Relaciones de Bienes y Derechos (RBD) afectados en distintos formatos: gráficos o alfanuméricos e interactivos 2D y 3D, multiplicándose las posibilidades de automatización y visualización, y produciendo un acercamiento entre el mundo real y el mundo virtual. Linear infrastructure projects are implemented in the territory, and geographic information of these projects has the ability to represent the shape, size and location of these infrastructures, and the limits of the different properties it crosses. This geographic information helps understanding the affection of the installation on different properties, and to automatically quantifies the magnitude of each type of affection and well used as a mechanism to formally notify owners of affected parcels. In this paper we present how the tasks related to the affection calculation of new high-voltage installations is integrated into the workflow of Red Eléctrica de España (REE), allowing to publish and then to see the projects over internet in a standardized way by: WMS viewer, a 3D globe using KML, or review a set of graphs of each parcel. These solutions have allowed us to optimize the processes of calculation of affection and the generation of the Assets and Rights (RBD) affected document across different formats or alphanumeric graphics and interactive 2D and 3D, multiplying the possibilities of automation and visualization, and producing an approach between the real and the virtual world.

Electric current of an electrified jet issuing from a long metallic tube.

This paper presents an analysis of the transport of electric current in a jet of an electrically conducting liquid discharging from a metallic tube into a gas or a vacuum, and subject to an electric field due to a high voltage applied between the tube and a far electrode. The flow, the surface charge and the electric field are computed in the current transfer region of the jet, where conduction current in the liquid becomes surface current due to the convection of electric charge accumulated at its surface. The electric current computed as a function of the flow rate of the liquid injected through the tube increases first as the square root of this flow rate, levels to a nearly constant value when the flow rate is increased and finally sets to a linear increase when the flow rate is further increased. The current increases linearly with the applied voltage at small and moderate values of this variable, and faster than linearly at high voltages. The characteristic length and structure of the current transfer region are determined. Order-of-magnitude estimates for jets which are only weakly stretched by the electric stresses are worked out that qualitatively account for some of the numerical results.

Nanotechnology for more efficient photovoltaics: the quantum dot intermediate band solar cell

The intermediate band solar cell [1] has been proposed as a concept able to substantially enhance the efficiency limit of an ordinary single junction solar cell. If a band permitted for electrons is inserted within the forbidden band of a semiconductor then a novel path for photo generation is open: electron hole pairs may be formed by the successive absorption of two sub band gap photons using the intermediate band (IB) as a stepping stone. While the increase of the photovoltaic (PV) current is not a big achievement —it suffices to reduce the band gap— the achievement of this extra current at high voltage is the key of the IB concept. In ordinary cells the voltage is limited by the band gap so that reducing it would also reduce the band gap. In the intermediate band solar cell the high voltage is produced when the IB is permitted to have a Quasi Fermi Level (QFL) different from those of the Conduction Band (CB) and the Valence Band (VB). For it the cell must be properly isolated from the external contacts, which is achieved by putting the IB material between two n- and p-type ordinary semiconductors [2]. Efficiency thermodynamic limit of 63% is obtained for the IB solar cell1 vs. the 40% obtained [3] for ordinary single junction solar cells. Detailed information about the IB solar cells can be found elsewhere [4].

Propellantless de orbiting of space debris by bare electrodynamic tethers

A 3-year Project started on November 1 2010, financed by the European Commision within the FP-7 Space Program, and aimed at developing an efficient de-orbit system that could be carried on board by future spacecraft launched into LEO, will be presented. The operational system will deploy a thin uninsulated tape-tether to collect electrons as a giant Langmuir probe, using no propellant/no power supply, and generating power on board. This project will involve free-fall tests, and laboratory hypervelocity-impact and tether-current tests, and design/Manufacturing of subsystems: interface elements, electric control and driving module, electron-ejecting plasma contactor, tether-deployment mechanism/end-mass, and tape samples. Preliminary results to be presented involve: i) devising criteria for sizing the three disparate tape dimensions, affecting mass, resistance, current-collection, magnetic self-field, and survivability against debris itself; ii) assessing the dynamical relevance of tether parameters in implementing control laws to limit oscillations in /off the orbital plane, where passive stability may be marginal; iii) deriving a law for bare-tape current from numerical simulations and chamber tests, taking into account ambient magnetic field, ion ram motion, and adiabatic electron trapping; iv) determining requirements on a year-dormant hollow cathode under long times/broad emission-range operation, and trading-off against use of electron thermal emission; v) determining requirements on magnetic components and power semiconductors for a control module that faces high voltage/power operation under mass/volume limitations; vi) assessing strategies to passively deploy a wide conductive tape that needs no retrieval, while avoiding jamming and ending at minimum libration; vii) evaluating the tape structure as regards conductive and dielectric materials, both lengthwise and in its cross-section, in particular to prevent arcing in triple-point junctions.

Desarrollo e implementación de un sistema robótico aéreo con programación tridimensional orientado al recorrido de rutas

En la actualidad se estudia en numerosos campos cómo automatizar distintas tareas ejecutadas por aeronaves con tripulación humana. Estas tareas son en todos los casos muy costosos, debido al gran consumo de combustible, gran coste de adquisición y mantenimiento de la propia aeronave, todo ello sin contar el riesgo para los mismos tripulantes. Como ejemplo de estas tareas se puede incluir la vigilancia policial y fronteriza, revisiones de tendidos de alta tensión, la alerta temprana de incendios forestales y la medición de parámetros contaminantes. El objetivo de este proyecto es el diseño y la construcción de un prototipo electrónico empotrado basado en microcontrolador con núcleo C8051 de Silicon labs, que sea capaz de gobernar una aeronave de radiocontrol de forma transparente, de manera que en un futuro se pueda sustituir el propio aeromodelo, con la modificación de algunos parámetros, para poder incorporar sistemas de video o distintos medios de detección de variables. El prototipo seguirá una ruta confeccionada y transferida como un archivo de texto con un formato determinado que contendrá los datos necesarios para poder navegar mediante GPS. El trabajo con los modelos de motorización térmica (motores de combustión interna tipo glow, en este caso) resulta peligroso debido a la gran energía que son capaces de alcanzar. A fin de mantener la máxima seguridad durante la evolución del proyecto, se ha diseñado un proceso de tres partes independientes que permitan la correcta familiarización de los distintos componentes que se emplearán. Las fases son las siguientes: 1. Test y modelado de todos los componentes mediante pequeños montajes con protoboard de inserción y programas individuales. Se realizará mediante una tarjeta multipropósito que contendrá un microcontrolador similar en características, aunque de menor complejidad, al del prototipo final. 2. Integración de todos los componentes mediante una tarjeta especialmente diseñada que servirá de interfaz entre la tarjeta multipropósito y todo el hardware necesario para el control de un vehículo terrestre de iguales características (actuadores y motorización) al aeromodelo. 3. Diseño de un sistema embebido que concentre todos los subsistemas desarrollados en las fases anteriores y que integre todos los componentes necesarios para el gobierno de una aeronave de ala fija. ABSTRACT. Nowadays, the way of automating different tasks done by manned vehicles is studied. These tasks are any case very expensive, due to large fuel consumption, costs of aircraft buying, without taking into account the risk for human crew. As an example of these tasks, we can include policing or border surveillance, maintenance of high voltage lines, early warning of forest fire and measuring of pollution parameters. The target of this project is the design and construction of an embedded electronic prototype, based on a microcontroller with C8051 core from Silicon labs, and it will be able to controlling an aircraft transparently, in order that in the future the flying model could be changed with the modification of some parameters, and video or any variables detection systems could be added. The prototype will follow a designed and transferred path as an plain text file with a given format, that will contain all the necessary data for GPS navigation. Working with heat engine models (internal combustion engine, glow type, in this case) becomes dangerous due to the large energy that can be able to acquire. In order to keep the maximum safety level during the project evolution a three independent stages process have been designed, this allows familiarizing properly with the parts that will be used. The stages are as follows: 1. Test and modeling of all of the parts by little assemblies with through-hole protoboard and stand alone programs. It will be done with a multipurpose card which contains a microcontroller of similar characteristics, although less complex, of the final prototype. 2. Integrating of all of parts through a dedicated design card that will serve as interface between multipurpose card and all the necessary hardware for controlling a ground vehicle with the same characteristics (actuators and engine) of the flying model. 3. Embedded system designing that contains all the developed subsystems in the previous stages and integrates all the necessary parts for controlling a fixed-wing aircraft.

Nuevos desarrollos en la medida de descargas parciales y técnicas avanzadas de análisis para el diagnóstico del estado de los aislamientos en sistemas eléctricos de alta tensión

En esta tesis se desarrolla una investigación sobre las técnicas de medida de descargas parciales (DP) que se aplican en medidas on-line, en condiciones normales de operación de las instalaciones eléctricas de alta tensión (AT). También se realiza un estudio de técnicas avanzadas de procesado y análisis de las señales medidas, que permiten realizar diagnósticos precisos del estado de los aislamientos eléctricos de AT. Uno de los objetivos fundamentales de la tesis ha sido disponer de un procedimiento eficaz de medida y procesado de las señales de DP, para la realización de medidas on-line tanto de forma itinerante, como mediante monitorización temporal o permanente. La implementación del nuevo procedimiento de medida permite obtener resultados satisfactorios en la detección, identificación y localización de defectos de aislamiento. Se ha dedicado especial interés al desarrollo de un método de clasificación de señales, que permite separar pulsos de ruido y diferentes fuentes de DP, presentes de forma simultánea en las instalaciones de AT. El estudio de la clasificación de señales se ha completado con la aplicación de un método para la detección de manera asistida, de los diferentes grupos de pulsos de ruido y de DP. La aplicación de este método de detección de grupos de pulsos, facilita la labor de los técnicos especialistas a la hora de diagnosticar el estado de los elementos aislantes. Al efecto de verificar de forma práctica las aportaciones de la tesis, se han realizado medidas de DP tanto en laboratorio como en campo. Las medidas experimentales en laboratorio se han efectuado en el Laboratorio de Alta Tensión de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial (LAT-UPM), de la Universidad Politécnica de Madrid. Por otro lado, las medidas experimentales en campo se han llevado a cabo en instalaciones de AT propiedad de compañías de transporte y distribución de energía eléctrica. La realización de ensayos de DP en estas instalaciones ha sido posible, gracias a los proyectos de investigación llevados a cabo por el grupo de trabajo del LAT-UPM, con diferentes empresas del sector durante los diez últimos años. ABSTRACT This thesis develops techniques for measuring partial discharges (PD) that are applied in on-line measurements, under normal operating conditions of the high voltage (HV) electrical installations. In addition there are studied advanced techniques for the processing and analysis of the measured signals, that permit precise diagnostics of the state of HV electrical insulation systems. One of the fundamental objectives of the thesis is to make available an effective procedure for measuring and processing PD signals, for making on-line measurements, either in an itinerant way or in temporary or permanent monitoring. The implementation of the new measurement procedure yields satisfactory results in the detection, identification and localization of insulation defects. Special attention has been devoted to the development of a method for classifying signals, that separates noise pulses and various PD sources present simultaneously in the HV installations. The study of the classification of signals has been completed by the application of a method for detecting, in a user assisted manner, the different groups of noise pulses and of PD. The application of this method for detecting groups of pulses facilitates the work of the specialist technicians to diagnose the condition of the insulation elements. To demonstrate the practical value of the thesis, PD measurements were made in laboratory as well as in field installations. The experimental measurements in laboratory were made in the High Voltage Laboratory (LAT-UPM) of the High Technical School of Engineering and Industrial Design, of the Polytechnic University of Madrid. Field measurements were realized in the HV installations of companies providing electrical energy transport and distribution. The realization of PD tests in these facilities was possible thanks to the research projects carried out by the working group of the LAT-UPM during the last ten years, with different companies operating in the sector.

A clustering technique for partial discharge and noise sources identification in power cables by means of waveform parameters

On-line partial discharge (PD) measurements have become a common technique for assessing the insulation condition of installed high voltage (HV) insulated cables. When on-line tests are performed in noisy environments, or when more than one source of pulse-shaped signals are present in a cable system, it is difficult to perform accurate diagnoses. In these cases, an adequate selection of the non-conventional measuring technique and the implementation of effective signal processing tools are essential for a correct evaluation of the insulation degradation. Once a specific noise rejection filter is applied, many signals can be identified as potential PD pulses, therefore, a classification tool to discriminate the PD sources involved is required. This paper proposes an efficient method for the classification of PD signals and pulse-type noise interferences measured in power cables with HFCT sensors. By using a signal feature generation algorithm, representative parameters associated to the waveform of each pulse acquired are calculated so that they can be separated in different clusters. The efficiency of the clustering technique proposed is demonstrated through an example with three different PD sources and several pulse-shaped interferences measured simultaneously in a cable system with a high frequency current transformer (HFCT).

Nano-imprinted rear-side diffraction gratings for absorption enhancement in solar cells

As wafer-based solar cells become thinner, light-trapping textures for absorption enhancement will gain in importance. In this work, crystalline silicon wafers were textured with wavelength-scale diffraction grating surface textures by nanoimprint lithography using interference lithography as a mastering technology. This technique allows fine-tailored nanostructures to be realized on large areas with high throughput. Solar cell precursors were fabricated, with the surface textures on the rear side, for optical absorption measurements. Large absorption enhancements are observed in the wavelength range in which the silicon wafer absorbs weakly. It is shown experimentally that bi-periodic crossed gratings perform better than uni-periodic linear gratings. Optical simulations have been made of the fabricated structures, allowing the total absorption to be decomposed into useful absorption in the silicon and parasitic absorption in the rear reflector. Using the calculated silicon absorption, promising absorbed photocurrent density enhancements have been calculated for solar cells employing the nano-textures. Finally, first results are presented of a passivation layer deposition technique that planarizes the rear reflector for the purpose of reducing the parasitic absorption.

Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.

Sophisticated security verification on routing repaired balanced cell-based dual-rail logic against side channel analysis

Conventional dual-rail precharge logic suffers from difficult implementations of dual-rail structure for obtaining strict compensation between the counterpart rails. As a light-weight and high-speed dual-rail style, balanced cell-based dual-rail logic (BCDL) uses synchronised compound gates with global precharge signal to provide high resistance against differential power or electromagnetic analyses. BCDL can be realised from generic field programmable gate array (FPGA) design flows with constraints. However, routings still exist as concerns because of the deficient flexibility on routing control, which unfavourably results in bias between complementary nets in security-sensitive parts. In this article, based on a routing repair technique, novel verifications towards routing effect are presented. An 8 bit simplified advanced encryption processing (AES)-co-processor is executed that is constructed on block random access memory (RAM)-based BCDL in Xilinx Virtex-5 FPGAs. Since imbalanced routing are major defects in BCDL, the authors can rule out other influences and fairly quantify the security variants. A series of asymptotic correlation electromagnetic (EM) analyses are launched towards a group of circuits with consecutive routing schemes to be able to verify routing impact on side channel analyses. After repairing the non-identical routings, Mutual information analyses are executed to further validate the concrete security increase obtained from identical routing pairs in BCDL.

Wettability, polarity and water absorption of Quercus ilex leaves: effect of leaf side and age

Plant trichomes play important protective functions and may have a major influence on leaf surface wettability. With the aim of gaining insight into trichome structure, composition and function in relation to water-plant surface interactions, we analyzed the adaxial and abaxial leaf surface of Quercus ilex L. (holm oak) as model. By measuring the leaf water potential 24 h after the deposition of water drops on to abaxial and adaxial surfaces, evidence for water penetration through the upper leaf side was gained in young and mature leaves. The structure and chemical composition of the abaxial (always present) and adaxial (occurring only in young leaves) trichomes were analyzed by various microscopic and analytical procedures. The adaxial surfaces were wettable and had a high degree of water drop adhesion in contrast to the highly unwettable and water repellent abaxial holm oak leaf sides. The surface free energy, polarity and solubility parameter decreased with leaf age, with generally higher values determined for the abaxial sides. All holm oak leaf trichomes were covered with a cuticle. The abaxial trichomes were composed of 8% soluble waxes, 49% cutin, and 43% polysaccharides. For the adaxial side, it is concluded that trichomes and the scars after trichome shedding contribute to water uptake, while the abaxial leaf side is highly hydrophobic due to its high degree of pubescence and different trichome structure, composition and density. Results are interpreted in terms of water-plant surface interactions, plant surface physical-chemistry, and plant ecophysiology.

Modelling and Control of Stepper Motors for High Accuracy Positioning Systems Used in Radioactive Environments

Hybrid Stepper Motors are widely used in open-loop position applications. They are the choice of actuation for the collimators in the Large Hadron Collider, the largest particle accelerator at CERN. In this case the positioning requirements and the highly radioactive operating environment are unique. The latter forces both the use of long cables to connect the motors to the drives which act as transmission lines and also prevents the use of standard position sensors. However, reliable and precise operation of the collimators is critical for the machine, requiring the prevention of step loss in the motors and maintenance to be foreseen in case of mechanical degradation. In order to make the above possible, an approach is proposed for the application of an Extended Kalman Filter to a sensorless stepper motor drive, when the motor is separated from its drive by long cables. When the long cables and high frequency pulse width modulated control voltage signals are used together, the electrical signals difer greatly between the motor and drive-side of the cable. Since in the considered case only drive-side data is available, it is therefore necessary to estimate the motor-side signals. Modelling the entire cable and motor system in an Extended Kalman Filter is too computationally intensive for standard embedded real-time platforms. It is, in consequence, proposed to divide the problem into an Extended Kalman Filter, based only on the motor model, and separated motor-side signal estimators, the combination of which is less demanding computationally. The efectiveness of this approach is shown in simulation. Then its validity is experimentally demonstrated via implementation in a DSP based drive. A testbench to test its performance when driving an axis of a Large Hadron Collider collimator is presented along with the results achieved. It is shown that the proposed method is capable of achieving position and load torque estimates which allow step loss to be detected and mechanical degradation to be evaluated without the need for physical sensors. These estimation algorithms often require a precise model of the motor, but the standard electrical model used for hybrid stepper motors is limited when currents, which are high enough to produce saturation of the magnetic circuit, are present. New model extensions are proposed in order to have a more precise model of the motor independently of the current level, whilst maintaining a low computational cost. It is shown that a significant improvement in the model It is achieved with these extensions, and their computational performance is compared to study the cost of model improvement versus computation cost. The applicability of the proposed model extensions is demonstrated via their use in an Extended Kalman Filter running in real-time for closed-loop current control and mechanical state estimation. An additional problem arises from the use of stepper motors. The mechanics of the collimators can wear due to the abrupt motion and torque profiles that are applied by them when used in the standard way, i.e. stepping in open-loop. Closed-loop position control, more specifically Field Oriented Control, would allow smoother profiles, more respectful to the mechanics, to be applied but requires position feedback. As mentioned already, the use of sensors in radioactive environments is very limited for reliability reasons. Sensorless control is a known option but when the speed is very low or zero, as is the case most of the time for the motors used in the LHC collimator, the loss of observability prevents its use. In order to allow the use of position sensors without reducing the long term reliability of the whole system, the possibility to switch from closed to open loop is proposed and validated, allowing the use of closed-loop control when the position sensors function correctly and open-loop when there is a sensor failure. A different approach to deal with the switched drive working with long cables is also presented. Switched mode stepper motor drives tend to have poor performance or even fail completely when the motor is fed through a long cable due to the high oscillations in the drive-side current. The design of a stepper motor output fillter which solves this problem is thus proposed. A two stage filter, one devoted to dealing with the diferential mode and the other with the common mode, is designed and validated experimentally. With this ?lter the drive performance is greatly improved, achieving a positioning repeatability even better than with the drive working without a long cable, the radiated emissions are reduced and the overvoltages at the motor terminals are eliminated.