L'utilisation du diamant comme composant d'électronique de puissance est une perspective intéressante tant en ce qui concerne les applications hautes température que forte puissance. La problématique principale de ces travaux réalisés dans le cadre du programme Diamonix, réside dans l'étude et l'élaboration d'un packaging permettant la mise en oeuvre d'une puce diamant devant fonctionner à des températures variant entre -50°C et 300°C. Nous nous sommes intéressés au choix des matériaux de connexion de la puce avec son environnement. Suite à l'étude bibliographique, nous proposons différentes solutions de matériaux envisageables pour le substrat métallisé, les brasures et les métallisations. Dans un second temps, les différents éléments ont été réalisés puis caractérisés à partir d'essais de nanoindentation et de nanorayage. Des essais mécaniques ont permis de caractériser le comportement élastoviscoplastique et l'endommagement des brasures. Ces derniers essais ont servi de base expérimentale à l'identification des paramètres d'un modèle de comportement viscoplastique couplé avec l'endommagement et qui a été spécialement élaboré pour cette étude. Le modèle de comportement a été implémenté dans un code de calcul par éléments finis via une sous-routine. Il permet notamment de simuler le processus de dégradation d'un assemblage. Enfin, ce modèle de comportement a été mis en oeuvre dans des modélisations thermomécaniques de différentes configurations de véhicules test. / Use of diamond as constitutive component in power electronics devices is an interesting prospect for the high temperature and high power applications. The main challenge of this research work included in the Diamonix program is the study and the elaboration of a single-crystal diamond substrate with electronic quality and its associated packaging. The designed packaging has to resist to temperatures varying between -50°C and 300°C. We contributed to the choice of the connection materials intended to be used in the final test vehicle and which can handle such temperature gaps. In the first part, we present a state-of-the-art of the various materials solutions for extreme temperatures. Following this study, we propose a set of materials which considered as potential candidates for high temperature packaging. Special focus is given for the most critical elements in power electronic assemblies which are metallizations and solders. Once the materials choice carried out, thin substrate metallizations, solders and DBC coatings are studied using nanoindentation and nanoscratch tests. Mechanical tests were also carried out on solders to study their elastoviscoplastic and damage behavior. The experimental results are used as database for the identification of the parameters of the viscoplastic model coupled with a porous damage law, worked out for the case of solders. The behavior model is implemented as a user subroutine UMAT in a FE code to predict the degradation of a 2D power electronic assembly and various materials configuration for a 3D test vehicle.

Dans de nombreux réseaux, la régulation efficace du transfert d'énergie entre les sous-systèmes de production, de stockage et d'utilisation demeure un sujet difficile à traiter. Dans cette thèse on a proposent une nouvelle stratégie pour atteindre cet objectif, ainsi que sa mise en œuvre. Le dispositif est appelé routeur d'énergie dynamique (RED), parce que, contrairement à la pratique actuelle, l'asservissement de l'écoulement de puissance se fait sans s'appuyer sur des hypothèses stationnaire. Une hypothèse clé pour le bon fonctionnement du RED est que la dissipation du système est négligeable. Toutefois, en présence de pertes en ligne le RED initial n'est plus opérationnel, car il est base sur l'hypothèse clé de non dissipation des interconnections. Dans ce travail, un nouveau RED prenant en compte la présence de pertes est proposé. Des preuves de l'amélioration des performances sont présentées en simulation comme en expérimentation. Un complément de ce travail a été réalisée sur l'estimation des paramètres d'une pile à combustible du type Polymer Exchange Membrane (PEM) dans le but de concevoir un estimateur convergeant sur un grand domaine (convergence globale). Ce dernier utilise des principes d'immersion et d'invariance développés récemment dans la théorie des asservissements. / Efficient regulation of the energy transfer between generating, storage and load subsystems is a topic of current practical interest. A new strategy to achieve this objective, together with its corresponding power electronics implementation, was recently proposed in this thesis work. The device is called dynamic energy router (DER) because, in contrast with current practice, the regulation of the direction and rate of change of the power flow is done without relying on steady–state considerations. A key assumption for the correct operation of the DER is that dissipation in the system is negligible. Unfortunately, in the presence of dissipation the original DER ceases to be operational. In this thesis a new DER that takes into account the presence of losses is proposed. Simulation and experimental evidence of the performance improvement with the new DER are presented. As a complement of this work a global convergent estimator of parameters of Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) was designing by using the principles or “Immersion and Invariance” recently reported in control theory.

Parmi les convertisseurs d'électronique de puissance, les variateurs de vitesse utilisés pour l'alimentation des machines électriques sont source de perturbations électromagnétiques à haute fréquence telles que les courants de mode commun et les surtensions aux bornes des moteurs. Le travail porte sur la réduction de ces perturbations par l'emploi d'un convertisseur multiniveaux associé à de nouvelles lois de commande rapprochée. Après un état de l'art des méthodes d'atténuation existantes, l'onduleur à trois niveaux de type neutral-point-clamped (NPC) est retenu comme structure de conversion continu-alternatif et une nouvelle stratégie de modulation de largeur d'impulsion (MLI) est développée en vue de réduire les courants de mode commun générés par l'onduleur. Les phénomènes entrant en jeu dans les commutations des interrupteurs de puissance sont analysés et modélisés afin d'établir des contraintes de commande permettant de maximiser les performances de la MLI proposée. Parallèlement, l'utilisation de câbles longs entre le variateur et la machine soulève une contrepartie vis-à-vis des surtensions moteur qui est maîtrisée par l'exploitation adéquate des degrés de liberté de la nouvelle MLI. Enfin, la problématique de régulation du point milieu capacitif du bus continu est abordée. La stratégie proposée est implantée expérimentalement par l'intermédiaire d'une modulation naturelle par porteuses, et les résultats de mesure montrent un gain de cinq décibels sur les courants de mode commun par rapport aux stratégies classiques tout en limitant les surtensions générées aux bornes du moteur et en assurant l'équilibrage du bus continu.

L'étude, le dimensionnement et le test d'un dispositif de stockage d'énergie, à base de<br />supercondensateurs, destiné à fonctionner dans un véhicule à pile à combustible sont<br />présentés dans cette thèse. Deux modes de commande sont détaillés. Leur but est de permettre<br />un fonctionnement en quasi-statique de la pile à combustible afin de limiter les contraintes<br />mécaniques sur la pile en accordant les débits de gaz à la demande en courant. Les<br />supercapacités interviennent lors du non-fonctionnement de la pile, lors de régimes<br />transitoires ou de régimes de récupération.<br />Le dispositif développé utilise deux modules de supercapacités SAFT. Il est connecté à un bus<br />continu 42 V par un convertisseur continu-continu deux quadrants, la pile à combustible étant<br />connectée au bus continu par un convertisseur élévateur. Le contrôle des courants est réalisé<br />de manière analogique. Le contrôle des tensions et les algorithmes d'estimation utilisent une<br />carte numérique dSPACE. Les résultats expérimentaux présentés, obtenus avec une pile de<br />500 W, ont souligné la lenteur naturelle des réponses de la pile à combustible et l'apport des<br />supercapacités pour des applications automobiles. Celles-ci améliorent grandement la<br />dynamique et le contrôle énergétique du système.

Inventer des circuits de l'électronique de puissance est une activité intellectuelle qui met en jeu de nombreuses connaissances, requiert du savoir-faire et de la créativité. L'objectif de cette thèse est de concevoir un système informatique simulant cette activité. A cet effet, un système constitué de deux modules a été implanté. Le premier propose les circuits qui ne présentent pas de grossier défaut de conception, au terme d'une recherche heuristique dans un espace organisé en hiérarchie d'abstractions. Cette organisation particulière des connaissances permet de focaliser, aussi tôt que possible, la recherche sur les circuits potentiellement intéressants. Pour éviter que ce module engendre des doublons, la représentation par graphes de liens a été utilisée. Cette mise en (\oe)uvre a donné lieu à un algorithme qui, contrairement à ceux qui ont été décrits dans la littérature, transforme un circuit en un graphe de liens parfaitement adapté au formalisme. Le second module analyse qualitativement le fonctionnement des circuits ainsi engendrés. Il décrit notamment leur fonctionnement dans des termes identiques à ceux employés par les ingénieurs. Il permet ainsi d'exprimer intuitivement les critères imposés par un cahier des charges et de sélectionner les circuits qui le vérifient. L'approche proposée est viable car le système a redécouvert les principaux représentants de classes importantes de circuits. Il a également proposé de circuits nouveaux aux performances a priori comparables à celles des circuits connus. Le système présenté dans cette thèse permet ainsi d'envisager une étude rationnelle des dispositifs de l'électronique de puissance. Plus généralement, il prouve l'efficacité des techniques d'intelligence artificielle sur un domaine concret et met en évidence l'intérêt de l'utilisation des abstractions pour la résolution de problème.

Un facteur clé des systèmes portables, tels que les téléphones mobiles, est l'autonomie de la batterie qui dépend essentiellement de la source d'énergie, mais aussi de la façon dont sont gérés la tension et le courant qu'elle délivre, facteurs relatifs au régulateur et à son rendement. Les autres critères sont bien sûr la compacité et le coût, d'où la nécessité d'intégrer ces régulateurs de tension. Le premier chapitre présente brièvement trois types de régulateurs, ainsi que les contraintes imposées par les composants externes et la technologie de fabrication. Après avoir expliqué l'utilité de passer à une réalisation en technologie CMOS, le deuxième chapitre décrit le schéma final d'un régulateur linéaire (LDO, Low Drop-out), puis détaille sa stabilité et sa protection contre les courts-circuits. Pour cela, nous expliquons dans les deux cas la méthode habituellement utilisée, nous montrons ses limites dans le cadre de notre application, puis nous développons la solution adoptée qui consiste en une compensation Miller s'adaptant au courant de sortie pour sa stabilité et en un asservissement du courant de sortie plus performant pour limiter le courant de court-circuit. Des mesures sur silicium ont permis de valider les simulations effectuées lors de cette conception. Les alimentations à découpage sont une alternative à ces régulateurs linéaires, et procurent la possibilité d'élever la tension de batterie, mais nécessitent des éléments inductifs difficilement intégrables. Une étude de comportement statique permet de déterminer les pertes et le rendement de la structure choisie pour répondre à notre cahier des charges. L'analyse de sa stabilité par sa fonction de transfert complète ce chapitre. Les systèmes à pompe de charges sont abordés de façon succincte. Egalement basés sur le principe du découpage, ils sont un compromis entre les deux précédents principes et permettent, moyennant des pertes supplémentaires, d'éviter l'utilisation des composants inductifs.

La problématique de recherche abordée dans ce mémoire de thèse découle de l'étude approfondie d'une association convertisseur-machine dédiée aux modes traction et recharge d'un véhicule électrique. Il s'agit d'un onduleur triphasé constitué de trois onduleurs monophasés connectés à une machine triphasée à phases indépendantes.Dans le chapitre II, une étude comparative entre deux solutions industrielles montre que l'architecture étudiée offre des caractéristiques compétitives notamment en termes de rendement global du convertisseur, performances mécaniques, et surface de silicium nécessaire.Par ailleurs, outre la possibilité de mutualiser les trois fonctions du véhicule que sont la traction, la recharge (rapide ou lente) et l'assistance du réseau électrique, cette topologie offre plusieurs atouts : des possibilités variées d'alimentation et donc un potentiel intéressant de reconfiguration en marche dégradée. La thématique abordée dans les chapitres III et IV est donc centrée sur l'optimisation des stratégies de contrôle de cette structure vis-à-vis de deux types de défauts : les imperfections intrinsèques du système d'une part et les défaillances accidentelles d'autre part.Dans un premier temps, un travail approfondi sur les méthodes de modulation de largeur d'impulsion a permis de synthétiser une stratégie offrant une faible sensibilité vis-à-vis des imperfections de la commande et de la non-linéarité du convertisseur. Dans un second temps, il a été montré qu'en cas de défaillance d'un composant à semi-conducteur, il était obligatoire de recourir à la reconfiguration matérielle de la topologie. L'architecture permettant la continuité de service a été étudiée du point de vue de sa commande. Son analyse nous a amenés à proposer une structure de contrôle basée sur des solutions automatiques simples et efficaces. Finalement, le principe du fonctionnement en marche dégradée a été étendu au fonctionnement normal dans le but d'en améliorer le rendement sur cycle.

L'objectif d'un avion plus électrique conduit à l'utilisation croissante de systèmes d'électronique y compris dans des zones de haute température. Les modules de puissance classiques doivent être adaptés à cet environnement: les composants en SiC sont commercialement disponibles mais l'environnement de la puce est à modifier. Cette thèse s'intéresse aux techniques d'attaches de puces basses température que sont le frittage d'argent et la brasure en phase liquide transitoire (TLPB) or-étain. Dans une première partie, les enjeux de l'électronique de puissance et plus particulièrement des applications haute température est donnée. Les mécanismes physique (mouillage, diffusion)qui régissent le frittage et le TLPB (Transient liquid Phase Bonding) sont ensuite décrits avec précision. La deuxième partie de cette thèse s'intéresse à la mise en oeuvre d'un protocole fiable d'attache de puce par frittage d'une nanopoudre d'argent commerciale. Une fois établie, la méthode a ensuite été optimisée pour différentes tailles de composants. La caractérisation de l'attache a été réalisée en shear-test et par des images en microscopie optique. La troisième et dernière partie de ce travail a pour objet la réalisation d'attaches de puces par TLPB or-étain. Ce chapitre traite de la mise en oeuvre expérimentale de la technique, depuis la métallisation des wafers jusqu'à la caractérisation des attaches en microscopie (optique et MEB). Ce travail de thèse est très expérimental car même si un protocole de mise en oeuvre existe (pour le frittage), il est indispensable de l'adapter aux conditions expérimentales pour l'optimiser. Ce travail a aussi mis en évidence certaines difficultés techniques de préparation des surfaces.

Dans le domaine aéronautique, les systèmes électriques remplacement progressivement les systèmes de contrôle mécaniques ou hydrauliques. Les bénéfices immédiats sont la réduction de la masse embarquée et des performances accrues à condition que l'électronique supporte l'absence de système de refroidissement. Si la haute température de fonctionnement n'empêche pas d'atteindre une fiabilité suffisante, il y aura réduction des coûts opérationnels. Des étapes clefs ont été franchies en introduisant des systèmes à commande électriques dans les aéronefs en lieu et place de systèmes conventionnels : freins électriques, inverseur de poussée, vérins électriques de commandes de vol... Toutes ces avancées se sont accélérées ces dernières années grâce entre autre à l'utilisation de nouveaux matériaux semiconducteurs, dit à grand gap (SiC, GaN...), opérant à haute température et palliant ainsi une faiblesse des dispositifs classiques en silicium (Si). Des composants de puissance haute température, diode Schottky ou transistor JFET SiC, sont ainsi disponibles commercialement et peuvent supporter des ambiantes de plus de 220°C. Des modules de puissances (onduleur) à base de transistor JFET SiC ont été réalisés et validés à haute température. Finalement la partie " commande " de ces modules de puissance reste à concevoir pour les environnements sévères pour permettre leur introduction dans le module de puissance. C'est dans ce contexte de faiblesse concernant l'étage de commande rapprochée qu'a été construit le projet FNRAE COTECH, et où s'inscrivent les travaux de cette thèse, Dans un premier temps, un état de l'art sur les drivers et leurs technologies nous a permis de souligner le lien complexe entre électronique et température ainsi que le potentiel de la technologie CMOS sur Silicium sur Isolant (SOI) pour des applications hautes températures. La caractérisation en température de drivers SOI disponibles dans le commerce nous a fourni des données d'entrée sur le comportement de tels dispositifs. Ces caractérisations sont essentielles pour visualiser et interpréter l'effet de la température sur les caractéristiques du dispositif. Ces mesures mettent aussi en avant les limites pratiques des technologies employées. La partie principale de cette thèse concerne la conception et la caractérisation de blocs ou IPs pour le cœur d'un driver haute température de JFET SiC. Elle est articulée autour de deux runs SOI (TFSmart1). Les blocs développés incluent entre autres des étages de sortie et leurs buffers associés et des fonctions de protection. Les drivers ainsi constitués ont été testés sur un intervalle de température allant de -50°C à plus de 250°C sans défaillance constatée. Une fonction originale de protection des JFETs contre les courts-circuits a été démontrée. Cette fonction permet de surmonter la principale limitation de ces transistors normalement passant (Normaly-ON). Finalement, un module de bras d'onduleur a été conçu pour tester ces driver in-situ.

Les travaux présentés traitent de l'intégration des composants passifs pour la conversion et le stockage de l'énergie dans un contexte général de l'électronique nomade. Le développement de la micro-électronique conduisant à la miniaturisation des circuits électroniques a permis le boom de l'électronique nomade (smart phones, tablettes, appareils photos numériques, etc.) et l'émergence des réseaux de capteurs communicants (intelligence ambiante). Les enjeux des années à venir sont : toujours plus de fonctionnalités et l'augmentation de l'autonomie énergétique de ces différents objets. La miniaturisation et l'approche de l'intégration hétérogène 3D font partie des solutions pour lever les verrous technologiques associés à ces défis. Concernant les circuits de puissance assurant la conversion et la gestion de l'énergie, la taille des convertisseurs est définie par l'encombrement des éléments passifs les constituant. Je présenterai les travaux réalisés depuis 2005 au LAAS-CNRS permettant l'intégration sur silicium de composants passifs (bobines, condensateurs) pour ces systèmes de gestion de l'énergie. Les travaux sont axés sur la conception, le développement des topologies et des filières technologiques pour micro-bobines (L) et condensateurs intégrés (C). Ainsi, pour des condensateurs à forte densité (au-delà des 500 nF.mm-2), les technologies de gravure du silicium ont été explorées associées à la synthèse et la caractérisation de matériaux à forte permittivité diélectrique. En ce qui concerne les micro-bobines, pour répondre au cahier des charges des convertisseurs fonctionnant autour du watt, les développements se concentrent sur l'intégration du noyau magnétique ainsi que les technologies de dépôts épais d'isolants et de métaux. A long terme, pour produire des alimentations toutes intégrées sur puce, l'intégration et l'empilement de puces multi-fonctionnelles sont à concevoir. Nous montrerons quelques pistes d'intégration : puce passive (contenant bobine et condensateur sur le même substrat), ou co-intégration passif-actifs au sein de la filière d'intégration fonctionnelle. Dans un deuxième volet, nous aborderons la thématique de l'autonomie énergétique des microsystèmes (capteurs ou autre). De nombreux travaux de recherche ont émergé depuis le début des années 2000 sur les microsystèmes de récupération de l'énergie ambiante : solaire, thermique, mécanique, acoustique. Etant donné la nécessité d'un stockage tampon de l'énergie récupérée, la solution la plus pertinente est d'utiliser un supercondensateur, élément de stockage présentant des durées de vie quasi-illimitées. Je présenterai les activités de recherche liées à l'intégration de micro-supercondensateurs sur silicium. Les premiers dispositifs à base de charbon actif et autres carbones nanostructurés ont montré des performances intéressantes : près de 250 mJ.cm-2 d'énergie et 200 mW.cm-2 de puissance. Finalement, les perspectives de recherche sur ces thématiques seront proposées et discutées.