Des solutions innovantes doivent être développées pour envisager l'avenir des systèmes électriques face à un nombre grandissant de contraintes. En particulier, le stockage d'énergie est pressenti comme un soutien indispensable à l'essor massif dans les réseaux de distribution de sources de production exploitant les énergies renouvelables. Les présents travaux visent à apporter des éléments de réflexion sur cette option technique qui arrive à maturité et suscite l'intérêt. Dans un premier temps, des méthodes d'étude sont proposées pour cerner le potentiel et les opportunités du stockage distribué. Une grille de caractérisation des technologies est introduite et sa mise en œuvre souligne des performances intéressantes à des coûts qui, cependant, demeurent élevés. Pour rendre leur utilisation réaliste, la valeur de ces dispositifs pour les systèmes électriques est donc critique. Nous l'analysons en deux étapes : une classification de leurs services pour les différents acteurs en présence est définie avant d'aborder la mutualisation de fonctions, requise pour favoriser l'atteinte d'une rentabilité, via une approche originale. Cette démarche aboutit à l'identification de configurations porteuses qui méritent des études plus poussées. Pour ce faire, un modèle général de comportement des unités de stockage est développé dans un second temps. Interfacé à un logiciel de simulation dynamique des réseaux, il permet d'évaluer l'utilisation de telles installations pour diverses offres de services. Ces outils sont appliqués et validés expérimentalement sur la caractérisation d'une réserve impulsionnelle fournie par le stockage pour réduire les délestages dans les systèmes insulaires

Face à la complexité grandissante des convertisseurs statiques présents dans tout système électrique, les ingénieurs de conception ont besoin d'outils de modélisation électromagnétique de plus en plus performants, notamment en ce qui concerne la Compatibilité ÉlectroMagnétique (CEM). L'objectif de ce travail est de prendre en compte, sous la forme de capacités parasites, les couplages électriques en haute fréquence dans la modélisation CEM de dispositifs d'électronique de puissance. Plusieurs formulations intégrales basées sur la Méthode des Moments, ainsi que l'Adaptive Multi-Level Fast Multipole Method ont été développées et validées pour l'extraction de ces capacités équivalentes. Cette dernière méthode, qui permet d'accélérer les temps de calcul tout en limitant la place mémoire nécessaire (pas de stockage de matrice pleine), a été adaptée au problème pour garantir une meilleure précision des résultats en fonction du maillage. Un prototype de cet algorithme de calcul a été intégré dans le logiciel InCa3D, basée sur la méthode PEEC, permettant ainsi de construire un schéma électrique équivalent à constantes localisées où les effets capacitifs sont couplés au modèle résistif et inductif de la structure. Plusieurs cas tests, issus de la littérature ou d'applications industrielles, ont été simulés par le biais de ces schémas équivalents, soit dans un solveur circuit soit dans InCa3D, afin d'évaluer leurs performances CEM conduites et rayonnées. Enfin, les comparaisons réalisées avec des mesures ont donné de bons résultats et valident ainsi l'approche proposée. Une telle stratégie peut aisément faire partie de toute modélisation de type système, car elle permet de traiter des dispositifs de complexité industrielle sur une large bande de fréquences avec un modèle léger.

Les éléments constituant la chaîne de traction sont le plus souvent dissociés et indépendants entre eux (pack de batteries, convertisseur de traction et moteur). L'utilisation des convertisseurs en cascade en tant que convertisseurs de traction a été le coeur de ces travaux de thèse. Les performances énergétiques des convertisseurs en cascade et de l'onduleur de tension classique ont été comparées sur un cycle de conduite normalisé pour différentes configurations sur les convertisseurs de puissance (niveaux de tension mis en jeu dans la chaîne de traction, variation du nombre d'onduleurs connectés en série pour les convertisseurs en cascade et variation du nombre de semi-conducteurs en parallèle pour réaliser la fonction des interrupteurs de puissance dans les convertisseurs). D'autres convertisseurs d'électronique de puissance sont nécessaires pour le bon fonctionnement d'un véhicule électrique. L'un de ces convertisseurs est le chargeur de batteries qui puise l'énergie du réseau électrique pour venir recharger les batteries du véhicule. Un autre est le système de monitoring des batteries qui permet d'assurer un équilibrage et un état de charge uniforme entre les différentes cellules qui composent le pack de batteries du véhicule. Dans une optique de mutualisation de fonction du convertisseur de puissance, les convertisseurs en cascade ont été étudiés pour assurer les fonctions de charge et d'équilibrage lorsque la traction du véhicule n'est pas utilisée.

Cette étude est consacrée au développement d'outils logiciels dédiés à la Conception Assistée par Ordinateur des convertisseurs statiques non isolés, prenant en compte les aspects de compatibilité électromagnétique.<br />Nous présentons d'une part les modèles de composants silicium utilisés et d'autre part notre contribution à la modélisation du circuit imprimé et au développement des outils logiciels associés, dans l'objectif de parvenir à la constitution de modèles " Circuit ". Les modèles de composants actifs sont adaptés aux contraintes propres à la simulation en C.E.M. La modélisation du circuit imprimé est basée sur la méthode des fils-fins, méthode monodimensionnelle issue de la théorie des lignes. Enfin, un outil logiciel permet de constituer la librairie SPICE des différents segments de piste imprimé, qu'ils soient couplés ou non. Le modèle électrique complet du convertisseur ainsi obtenu permet de simuler et d'étudier sous SPICE son comportement électrique et CEM.<br />La bonne concordance obtenue entre les résultats mesurés et simulés, tant de l'admittance présentée par le circuit imprimé que des spectres des courants de perturbations conduites, permet de valider cette approche de modélisation, ainsi que la démarche d'étude des perturbations conduites dans un convertisseur non isolé..

Le carbure de silicium est un semi-conducteur à grand gap qui s’est récemment imposé comme un matériau clé pour l’électronique de puissance. Les cristaux massifs ainsi que les couches épitaxiales actives sont aujourd’hui obtenus par des procédés en phase gazeuse, comme la croissance par sublimation (ou PVT) et le dépôt chimique en phase gazeuse (CVD), respectivement. Le procédé de croissance en solution à haute température est actuellement revisité en raison de sa capacité à atteindre des qualités cristallines exceptionnelles. Ce travail est une contribution au développement du procédé de croissance en solution à partir d’un germe (TSSG), avec comme objectif principal l’accès à des cristaux de 4H-SiC fortement dopés de type p. Le dopant p le plus utilisé est l’Aluminium. Différentes étapes élémentaires du procédé sont étudiées, avec pour chaque étape l’évaluation de l’effet de l’Al. Après un bref rappel historique sur le SiC, les données fondamentales du SiC sont introduites dans le chapitre 1 et discutées par rapport aux applications en électronique de puissance. Dans le chapitre 2, le réacteur de croissance est détaillé. Les trois principaux aspects techniques du procédé sont exposés : i) l’apport en carbone par dissolution à l’interface entre le creuset en graphite et le liquide, ii) le transport du carbone de la zone de dissolution à la zone de cristallisation, et iii) la cristallisation sur le germe. Ces trois aspects ont été étudiés et améliorés par l’ajout de métaux de transition (Fe ou Cr) au solvant de façon à augmenter la solubilité en carbone, en favorisant le transport du carbone par l’optimisation de la convection forcée (i.e. la rotation du cristal) et en stabilisant le front de croissance. Après optimisation, un cristal de 4H-SiC a pu être obtenu à une vitesse supérieure à 300 µm/hr et avec un élargissement du diamètre d’environ 41% par rapport au diamètre initial du germe. Le chapitre 3 porte sur l’étude de l’interaction entre le solvant et la surface du 4H-SiC à l’équilibre, sans croissance, en utilisant la méthode de la goutte posée. L’effet du temps, de la température et de l’ajout d’Al ont été étudiés. L’interface liquide/solide présente une évolution en trois étapes : i) dissolution, ii) step-bunching et iii) facettage, la surface initiale en marches et terrasses se décomposant en facettes de type (0001), (10-1n) et (01-1n). L’augmentation de la température de 1600°C à 1800°C provoque le même effet que l’ajout d’aluminium : une accélération de la deuxième étape ainsi qu’une limitation de la troisième étape. Dans le chapitre 4, des phénomènes transitoires ont été étudiés lorsque le substrat touche la surface du liquide. A l’instant du contact, il a été démontré par simulation numérique que le liquide au voisinage du substrat est sujet à de très fortes fluctuations de températures et donc à de fortes fluctuations de sursaturation. Ceci est à l’origine d’une germination transitoire de 3C-SiC sur la surface du cristal et ce, même à très haute température. Ce phénomène peut être évité soit en préchauffant le cristal avant le contact soit en ajoutant de l’aluminium dans le liquide. L’amélioration de la convection forcée est un moyen efficace pour augmenter la vitesse de croissance. Cependant, au-delà d’une certaine vitesse de rotation du cristal, un type d’instabilité spécifique se développe. Elle est basée sur l’interaction entre la direction d’avancée de marches à la surface du cristal et la direction locale du flux de liquide au voisinage de la surface. Ceci fait l’objet du chapitre 5. Finalement, la concentration de porteurs ainsi que la concentration totale en azote (N) et en aluminium (Al) sont étudiées en fonction de différents paramètres de croissance dans le chapitre 6. Une concentration en Al aussi élevée que 5E+20 at/cm3 a pu être obtenue à 1850°C. Cette valeur est très prometteuse pour le futur développement de substrats de 4H-SiC de type p+. / Silicon Carbide is a wide band gap semiconductor which has recently imposed as a key material for modern power electronics. Bulk single crystals and active epilayers are industrially produced by vapor phase processes, namely seeded sublimation growth (PVT) and chemical vapor deposition (CVD) respectively. The high temperature solution growth is currently being revisited due to its potential for achieving high structural quality. This work is a contribution to the development of the top seeded solution growth (TSSG) process, with a special focus on heavily p-type doped 4H-SiC crystals. Aluminum (Al) is the most commonly used acceptor in SiC. Different elementary steps of the process are studied, and for every cases, the effect of Al is considered and discussed. After a brief history of SiC material, basic structural and physical properties of silicon carbide are introduced in chapter 1 and discussed with respect to power electronics applications. In chapter 2, the crystal growth puller is detailed and the three most important technical issues of the SiC solution growth process are discussed : i) carbon supply by dissolution at the graphite crucible/liquid interface, ii) carbon transport from the dissolution area to the growth front, and iii) crystallization on the seed substrate. These three steps are studied and improved by adding transition metals (Fe or Cr) to the solvent in order to increase the carbon solubility, by increasing the carbon transport with the optimization of the forced convection (i.e. rotation of the crystal) and by stabilizing the growth front. After optimization, a 4H-SiC crystal is demonstrated with a growth rate of over 300 µm/h and a diameter enlargement of about 41% compared to the original seed size. Chapter 3 is dedicated to the investigation of the interaction between the liquid solvent and the 4H-SiC surface under equilibrium conditions, i.e. without any growth, using a sessile drop method. Effect of time, temperature and the addition of Al to pure liquid silicon are investigated. It is shown that the liquid/solid exhibits a three stages evolution: i) dissolution, ii) step bunching and iii) faceting, the original step and terrace structure being decomposed into (0001), (10-1n) and (01-1n) facets. Increasing the temperature from 1600°C to 1800°C or adding Al drastically enhances the second stage, but reduces the third one. In chapter 4, transient phenomena during the seeding stage of the growth process on the seed crystal are investigated. With the help of numerical modeling, it is shown that strong temperature fluctuations during the contact between the seed and the liquid can give rise to transient 3C-SiC nucleation on the crystal surface, even at high temperatures. This phenomenon can be avoided by either pre-heating the seed or by adding Al. Increasing forced convection (rotation rate of the crystal) is a good way to increase the growth rate. However, above a critical rotation rate, a special surface instability develops. It is based on the interaction between the step flow at the growing surface and the local fluid flow directions close to the surface. This is investigated in Chapter 5. Finally, carrier concentrations and total dopant (nitrogen and aluminum) concentrations are investigated as a function of different process parameters in chapter 6. Al incorporation as high as 5E+20 at/cm3 has been achieved in layers grown at 1850°C. This value is very promising for the future development of p+ 4H-SiC substrates.

La méthode PEEC classique repose sur une méthode intégrale semi-analytique pour permettre la détermination d'un schéma électrique équivalent à l'aide de constantes localisées. Cette méthode est particulièrement bien adaptée pour la modélisation de régions conductrices du type filaire. S'il est possible actuellement de prendre en compte dans cette méthode des régions minces conductrices, cette approche demeure limitée et insatisfaisante. En effet, des contraintes très fortes pèsent sur les maillages qu'il est possible de traiter (discrétisation des géométries en quadrangles) et l'approche est limitée en fréquence (pas d'effet capacitif). L'objectif de cette thèse est d'introduire les effets capacitifs mais aussi magnétiques dans la méthode PEEC afin d'accéder à un outil général, performant et utilisable au niveau industriel. En particulier, la généralité de la formulation et sa flexibilité devrait permettre une utilisation simple à l'utilisateur du logiciel InCa3D non expert en méthode numérique. Le travail consistera donc à : • Consolider les travaux précédents par l'élargissement de l'approche, notamment en introduisant les effets capacitifs et magnétiques dans les formulations. • Proposer des méthodes de compressions matricielles adaptées pour limiter les temps de calcul et sauvegarder de la mémoire. / The classical method PEEC is based on a semi-analytical integral method to construct an equivalent electric circuit using lumped components. This method is particularly well-suited to modelise filiform conductors. It is actually possible to consider thin conductive regions with this method, but it's still limited and unsatisfactory. In fact, the meshes that can be used are very constrained (geometrically discretized by quadrangles) and the frequency approach is limited (capacitive effect is neglected). The aim of this thesis is to introduce the capacitive and magnetic effects into the method PEEC to get a general tool, efficient and usable at the industry level. Particularly, the generality of the formulation and its flexibility should enable a simple use of the software InCad3D for non-expert user on numerical methods. The work consists in : • Improving the last works by introducing the capacitive and magnetic effects in the formulations. • Suggesting some methods of matricial compression to improve the efficiency of the computation, and to lower the needed memory.

Le mémoire de thèse est structuré en 3 chapitres. Le 1er chapitre présente le contexte de forte vitesse de commutation et de forte intégration en électronique de puissance, dans lequel s’inscrit cette thèse. Les fonctions et les enjeux de l’organe de commande rapprochée (« gate driver ») sont présentés. L’intégration du gate driver en technologie CMOS AMS 0.18 µm HV est présentée puis, plus particulièrement, l’intégration des fonctions optiques. Le 2e chapitre concerne l’étude de la transmission et de la modulation des charges à travers la barrière d’isolation optique. Un amplificateur en courant configurable a été dimensionné afin de pouvoir faire varier la résistance de grille. Une alimentation optique est intégrée en technologie AMS H18, comprenant une cellule PV et un convertisseur DC/DC à capacités commutées. Dans le 3e chapitre, 2 approches ont été développées pour la transmission du signal, la transmission dite en bande de base où les ordres de commande optiques sont l’image directe de la modulation en largeur d’impulsion (MLI), et la transmission dite numérique série où les changements d’état sont envoyés avec une trame haute fréquence. Un circuit de gestion logique et une horloge interne ont été conçus. La transmission numérique permet l’envoi d’information telle que la configuration de la résistance de grille. Le dimensionnement des circuits prend en compte une large plage de température de fonctionnement (-40°C à 140 °C), ainsi que les contraintes dues à l’alimentation optique (variation de la tension d’alimentation) et à l’alignement optique (variation du photo-courant généré). / The thesis dissertation is composed of 3 chapters. The 1st chapter introduces the thesis context of fast switching transients and highly integrated power electronics circuits. The functions and the issues of the close gate driver are presented. The gate driver is integrated in the AMS 0.18 µm technology with its optical functions. The second chapter deals with the transmission and modulation of the gate driver charge through the optical isolation barrier. A configurable buffer is designed in order to modulate the gate resistance value. An optical supply including a PV cell and a switched capacitors DC/DC converter is integrated. In the third chapter, two approaches are developed for the gate signal transfer. For the baseband analog transmission, the optical signal is a direct image of the pulse width modulation (PWM) signal whereas in the digital series transmission, only the commutation orders are transmitted in a high frequency frame. A logic circuit and an integrated clock are designed. The digital transmission allowed the transfer of information such as the gate resistance configuration. Large temperature range (-40°C to 140°C), optical supply constraints (supply voltage deviation) and optical alignment (photocurrent value deviation) are considered for the integrated circuits design.

L’état de l’art aujourd’hui dans la CEM en électronique de puissance permet d’avoir une certaine connaissance des émissions conduites générées par un convertisseur statique sur un réseau fictif normalisé. L’objectif est maintenant de progresser vers la prise en compte de plusieurs convertisseurs connectés sur un réseau complexe de type « réseau de bord ». Dans le cadre du projet PEPS CEM intégré au projet plus vaste O2M, cette thèse propose une méthodologie d’analyse permettant de connaître les perturbations CEM conduites avec précision sur un réseau complexe connecté à de multiples convertisseurs. Une approche théorique sur l’idée originale de ces modèle CEM « système » a été développé sous forme d’un modèle type boîte noire prenant en compte l’ensemble du convertisseur avec sa charge et validé par des simulations complexes et l’expérimentation prenant en compte plusieurs convertisseurs statiques connectés sur le même réseau. / Today, the state of the art in EMC in power electronics allows to have some knowledge on conducted emissions generated by a converter on a Line Impedance Stabilization Network. Now, the new challenge is to include several converters connected in an embedded network. This PHD has been funded trhough the PEPS CEM sub-project, part of O2M project. It proposes a method to obtain the EMC interferences on a complex network including several converters. Based on the original idea of a “system” type EMC model, we came up with a theoretical approach based on a “Black Box” model. This model, including the converter load, has been validated through complex simulations as well as experimentations taking in account several static converters connected to the same network.

L'étude de la compatibilité électromagnétique (CEM) est devenue un passage obligé pour les concepteurs de circuits d'électronique de puissance. La complexité des phénomènes qui entrent en jeu lors de cette étude fait de plus en plus sentir le besoin d'un outil CAO de prédiction des perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées. Le présent travail est consacré à la modélisation du rayonnement électromagnétique des circuits d'électronique de puissance. La première méthode proposée est basée sur une approche analytique du problème, où les couplages dans le circuit sont quantifiés de manière approximative. Dans le cas de circuits complexes, ces approximations ne sont plus suffisantes et il devient indispensable d'utiliser une méthode numérique afin de tenir compte de tous les couplages. L'état de l'art en matière de méthodes numériques nous montre qu'en l'état actuel des choses, aucune méthode n'est complètement adaptée à notre application. Néanmoins, notre choix s'est fixé sur la méthode des moments qui répond le plus à notre cahier des charges. Etant donnée que celle-ci ne résout pas les systèmes non linéaires, et sachant que notre résolution doit tenir compte de la présence de composants non linéaires, nous proposons un couplage avec un simulateur de circuits afin de linéariser notre problème. La méthode est mise en oeuvre pour permettre la résolution de problèmes avec structures filaires en trois dimensions. Ensuite, elle est appliquée pour calculer le rayonnement d'un circuit de type hacheur. Les résultats de calcul sont complétés par une évaluation expérimentale du rayonnement. Afin d'améliorer les résultats numériques, nous examinons la validité de l'hypothèse "fil fin" adoptée pour modéliser les pistes de circuits imprimés. Finalement, nous proposons une hypothèse plus précise qui permet de tenir compte de l'effet de peau et de l'effet de proximité dans les pistes.

Ce mémoire présente le travail de thèse réalisé auprès des laboratoires LAPLACE et SATIE ainsi que les services EDYNE3 et EDYYLIC d'AIRBUS OPERATIONS. Le sujet porte sur les problèmes CEM apparaissant dans les convertisseurs de puissance embarqués à bord des futurs avions plus électriques. Le manuscrit est composé de cinq parties. La première partie, d'introduction, traite de la problématique CEM avion, la deuxième de la modélisation des éléments de la chaine de conversion DC/AC étudiée. Le troisième est composé d'une étude comparative par simulation des différentes solutions. La quatrième partie traite de la réalisation de la solution choisie et enfin le cinquième et dernier chapitre de l'étude expérimentale de celle-ci. / The studies conducted during this thesis deals with conducted EMC problems of an inverter associated to its actuator. Accurate high frequency models of every element of the DC/AC converter and actuator have been realised from measures. Then a comparative study of different topologies of converters have been led from simulations in order to determine the best solution minimising EMC current. The selected inverter was realised and the experimental results were compared to simulations validating them. Finally, a comparison of EMC filters architecture led to choose a better solution in order to avoid the increasing of mass.