L’introduction des systèmes électriques notamment des dispositifs d’électronique de puissance « embarqués » dans le domaine de transport aérien, requiert une forte compacité et une forte intégration des systèmes de conversions électriques ainsi des fonctionnalités électroniques a des hautes t ambiantes dépassant les 200°C.Mais pour répondre à ces besoins, le silicium a atteint ses limites d'où le recours à des nouveaux matériaux semi-conducteurs comme ceux à grand gap.Dans le cadre de ses recherches, Thales, en collaboration avec le laboratoire SATIE , mènent des investigations sur les performances des semi-conducteurs en technologie sic pour développer des convertisseurs aéronautiques de nouvelle génération.Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre d'une étude des potentialités des premiers composants SiC disponibles sur le marché. Cette étude permet de comparer les principales performances de ces dispositifs ainsi que les contraintes spécifiques induites lors de leur intégration dans les convertisseurs aéronautiques. / The potential of wide band gap transistors based on silicon carbide are remarkable and open new prospects for improvement (high efficiency, high breakdown voltage, high switching frequency and high operating temperature ...). This leads to volume and weight reduction for future converters. In order to improve new generation of power converters for future needs, Thales, in cooperation with SATIE and LTN IFSTTAR laboratories, performs investigations on the performances, advantages and disadvantages of SiC technology semiconductors. This comparative study will assess the strengths and weaknesses as well as the stresses induced during integration into aircraft converters of commercially available devices.

De nombreux systèmes utilisent des convertisseurs électroniques de puissance fonctionnant en modulation de largeur d'impulsions (MLI) comme organe de réglage ou de commande. On peut en particulier citer les entraînements à vitesse variable, les alimentations à découpage ou les filtres actifs. L'objectif du travail est de contribuer à l'étude en temps discret du fonctionnement de ces systèmes lorsqu'ils sont munis d'une commande numérique dont la période d'échantillonnage est synchronisée sur la période de modulation de largeur d'impulsions. Pour cela nous avons développé une méthode originale qui consiste à écrire les équations différentielles qui décrivent la dynamique du système en remplaçant sur chaque période de modulation les fonctions binaires qui représentent les états successifs (ON ou OFF) des semi-conducteurs de puissance par un développement limité en série de Fourier. En introduisant de manière judicieuse dans les équations différentielles du système, des termes harmoniques des fonctions binaires qui décrivent les états des interrupteurs, cette manière de procéder nous a permis de décomposer l'étude en deux étapes : · dans une première étape en limitant le développement en série de Fourier des fonctions binaires décrivant les états des interrupteurs à leur premier terme (c'est-à-dire à leurs valeurs moyennes) nous avons construit un modèle discret d'ordre zéro qui rend compte de l'effet moyen de la découpe MLI, · dans une deuxième étape nous avons construit un modèle dynamique approché de l'écart existant entre le modèle d'ordre zéro et le modèle détaillé du système. Ce modèle fournit une bonne estimation des ondulations induites par la découpe MLI dans les grandeurs du système. Pour le cas des entraînements par moteurs synchrones à aimants permanents alimentés par onduleurs de tension nous avons ainsi pu mettre en évidence que l'étude de la stabilité des boucles des courants du moteur à partir du modèle d'ordre zéro reste valable en présence des ondulations dues à la MLI pour autant qu'on utilise une MLI symétrique avec rafraîchissement des références une fois par période. / Nowadays, a large number of systems are using Pulse Width Modulation (PWM) Power Electronic Converters as control part. These systems can, for example, be variable-speed drives, switching power supplies or active filters. The goal of this work is to contribute to the study of operation of this type of system when they are equipped with a digital control part of which the sampling period is synchronized on the modulation one. After having shown how the equations of these systems can be written down and indicated how their evolution in closed loop operation can be described by using iterative maps, we have tried to develop an approach which allows simplifying this study. The iterative map method has been used in order to take into account the “sequential “character of these systems, i.e. the fact that the control signals are sequences of events which correspond to the changes of the state of the converter semiconductor switches. Therefore we have developed an original method which consists in replacing on each modulation period, in the differential equations describing the system dynamics, the binary functions representing the successive ON or OFF states of the power semiconductors, by a limited Fourier series development of these functions. This method has allowed splitting the study of these systems into two steps: • in the first step a “zero order” model was built. This first model, which provides the average effect of the PWM pulse pattern, has been obtained by limiting the Fourier series development of the binary functions describing the states of the converter switches, to their first term, the one corresponding to their average values on the PWM period, • in the second step we have introduced an approached dynamic model characterising the error between the zero order model and the exact model of the system. This model was built by considering a well chosen number of harmonic terms of the binary functions describing the ON-OFF states of the switches in the differential equations of the system. By combining the error model and the zero order model we have been able to estimate in which measure the ripples induced by the PWM modulation affect the results of the system stability study made by using the zero order model. For the case of Permanent Magnets Synchronous Motors fed by Voltage Source Inverters we have shown that the study of the stability of the motor currents loops made with the zero order model remains valid in the presence of ripples induced by the PWM, as long as a symmetrical modulation is used, with references which are refreshed one time on each switching period.

Dans le domaine automobile, les modules électroniques de puissance des produits mécatroniques voient leur puissance sans cesse s'accroître, tout en étant confinés dans des volumes de plus en plus réduits. Au cours de leur fonctionnement, les composants semi-conducteurs et leur assemblage subissent ainsi des contraintes électro-thermo-mécaniques sévères, susceptibles d'entraîner leur destruction et de provoquer la défaillance du produit. L'étude de la fiabilité et le calcul de la durée de vie de tels produits dépendent des températures de jonction calculées au niveau des puces des composants de puissances. De surcroît, le contexte d'applications embarquées requiert de maîtriser, outre les paramètres électriques et mécaniques, les paramètres thermiques tels que les températures de jonctions et les puissances dissipées au niveau des composants, qu'il est nécessaire de réguler et contrôler en temps réel afin d'assurer le bon fonctionnement du produit. L'objectif de cette thèse est ainsi de proposer une méthode d'identification de modèles réduits dans le but d'estimer le comportement thermique des modules électroniques de puissance, en se fondant uniquement sur les données d'entrées et les résultats issus d'une simulation numérique d'un modèle détaillé du système étudié. Dans cette thèse, une nouvelle méthode d'identification, nommée « Kernel Identification Method », est développée. Cette méthode a été validée sur une application industrielle traitant d'un problème thermique couplé solide/fluide dont le comportement est essentiellement régi par de la convection forcée. Une étude exploratoire portant sur l'identification de problèmes non linéaires où la convection naturelle joue le rôle dominant est ensuite proposée. A cet effet, deux méthodes d’identification non-paramétrique sont proposées : (i) une première méthode basée sur l’extension de la méthode Kernel Identification Method ; et (ii) une deuxième méthode basée sur la variante dite « Unscented » du filtre de Kalman. / In automotive applications, the thermal dissipation of power electronics modules in mechatronic products is constantly increasing, whereas these products are confined in increasingly reduced volumes. During their operation, the semiconductor components and their environment are then submitted to severe electro-thermo-mechanical stresses that could cause their damage and lead to the product failure. The reliability and lifetime prevision of such products depend on the temperature junction located at the chip of power components. Furthermore, in order to ensure the safe operation of embedded applications, it is essential to perform a real-time control of thermal parameters such as the junction temperatures and power dissipated on the power components, in addition to the electrical and mechanical parameters. The objective of this thesis is to develop an identification method aimed at producing reduced thermal models to estimate the thermal behaviour of power electronic modules. Designed in a non-intrusive framework, this method post-processes the input data and the results produced by the numerical simulation of a detailed of the system under study. In this thesis, a new identification method, called "Kernel Identification Method" is developed. It has been validated on an industrial application dealing with a thermally coupled solid / fluid problem mainly governed by forced convection. An exploratory study of nonlinear problems identification where the natural convection plays the dominant role is then proposed. To this end, two identification methods of nonparametric nature are proposed: (i) a method based on the extension of the Kernel Identification Method; and (ii) a second method based on the "unscented" variant of the Kalman filter.

Le volume des convertisseurs électroniques de puissance devient lié, dans une part importante aux composants passifs qui le constituent. En particulier, les condensateurs de découplage constituent une part non négligeable de ce volume. En outre, les évolutions technologiques des composants passifs et particulièrement la densité d'énergie des condensateurs de découplage s'accroit beaucoup moins vite que la densité de puissance des composants actifs auxquels ils sont associés (transistors de puissance). D'autre part, la technologie à film plastique utilisée représente une masse non recyclable qu'il est essentiel de minimiser. Leur rôle est néanmoins fondamental pour le fonctionnement de l'ensemble. Une réduction trop importante de leur valeur conduit à une augmentation de perturbations conduites et rayonnées, voire à une instabilité non contrôlée du bus de tension du véhicule. Cette instabilité, pouvant générer des surtensions importantes, pourrait conduire à une destruction du variateur. Dans certains cas, cette démarche de dimensionnement est compliquée par le fait que d'autres systèmes abonnés au bus source de tension continue participent également aux perturbations conduites, en particulier un deuxième variateur triphasé à découpage. Dans ce cas, un partage du même condensateur de découplage peut-être envisagé. Ceci dit, on est confronté à deux problèmes couplés : - D'une part, le dimensionnement des condensateurs reste lié au courant efficace (du point de vue de l'auto échauffement aussi bien que de l'ondulation de tension qui est également liée à la capacité, autre critère dimensionnant) qu'ils seront amenés à supporter. Il est donc souhaitable de mettre en œuvre des stratégies de réduction de ce courant. - D'autre part, la faible résistance série a tendance à réduire de manière importante le facteur d'amortissement de l'impédance de bus continu vue par l'entrée de l'onduleur. Il convient alors de s'assurer de la maîtrise de la résonance du bus dans une telle situation. Ce travail de recherche explore deux approches complémentaires permettant de minimiser la taille des condensateurs requis et de maîtriser les ondulations de tension à l'entrée du convertisseur : - Développer une stratégie de modulation aussi satisfaisante que possible pour le pilotage d'un onduleur triphasé classique à deux niveaux et trois bras de pont. La contrainte supplémentaire, liée aux risques de résonnance du bus continu, doit être analysée et sera un des objectifs des travaux proposés. - Etudier l’impact que peut avoir une stratégie de modulation sur l’ensemble de la chaine de traction électrique. Des contraintes additionnelles liées à la stratégie de modulation d'un variateur de vitesse automobile sont aussi prises en comptes comme par exemple : - La compensation des effets non-linéaires qui sont dus au comportement de l’onduleur de tension ; - La minimisation du stress exercé sur le condensateur de découplage partagé de manière commune entre deux onduleurs de tension, en termes d’ondulation de tension à ses bornes et de la valeur efficace du courant absorbé. Les résultats théoriques ont été validés expérimentalement sur deux bancs de tests : un premier dédié pour des essais à faible puissance sur une charge passive et un deuxième, monté au site de Lardy de Renault, dédié pour des essais à haute puissance sur une charge réaliste. / The volume of the electronic power converters becomes linked, in a large part, to the passive component which constitute it. In particular, the decoupling capacitors are a significant part of this volume. Moreover, the technological evolutions of the passive components and in particular the energy density of the decoupling capacitors increase much less rapidly than the power density of the active components to which they are associated. On the other hand, the plastic film technology used represents a non-recyclabl mass which it is essential to minimize. The role of the film capacitor is nevertheless fundamental for the functioning of the whole inverter. Too much reduction of their value leads to an increase in conducted and radiated disturbances, or to an uncontrolled instability of the vehicle DC bus voltage. This instability, which can generate significant overvoltages, could lead to a destruction of the switching power devices of the voltage source inverter. In some cases, this design approach could become complicated when other systems could be connected t the same DC voltage source bus, such as a second voltage source inverter. Hence, the same DC link capacitor is shared between the two inverters. Thus, it becomes much solicited and conducted disturbances may be generated. That said, we are confronted with two coupled problems. On the one hand, the design of the capacitors remains linked to the RMS current. It is therefore desirable to implement strategies to reduce this current. On the other hand, the low series resistance tends to reduce significantly the damping factor of the DC bus impedance seen by the input of the inverter. Hence, it is then necessary to ensure control of the resonance of the bus in such a situation. This research explores two complementary approaches to minimize the size of the required capacitors an to control the voltage ripples at the input of the converter: - Develop a P WM strategy that is as satisfactory as possible for controlling a conventional two-level three-phase inverter. The additional constraint, related to the resonance risks of the DC bus, must be analyzed and is one of the objectives of the proposed works. - Study the impact of P WM strategies on the entire electrical traction chain. Additional constraints related to the P WM strategy are also taken into account such as - Compensation for non-linear effects due to the behavior of the voltage inverter; - Minimization of the stress exerted on the decoupling capacitor commonly shared between two voltage source inverters in terms of voltage ripple across its terminals and the rms value of the absorbed current. Theoretical and simulation results have been validated experimentally on two test benches: one dedicated for low power tests on a passive load and the second one, mounted at the Lardy site of Renault, dedicated for hi h ower tests on a dynamic electrical machine.

Aujourd’hui, les exigences croissantes en termes de compétitivité requièrent la conception de systèmes électronique de puissance ayant un encombrement minimal tout en gardant une bonne fiabilité. La combinaison de ces deux caractéristiques est absolument requise au niveau d’un système aussi bien qu’au niveau d’un composant. On cite notamment le cas des condensateurs d’aluminium à électrolyte liquide, qui sont largement utilisés comme réservoir de stockage de l’énergie électrostatique. Cette fonction est nécessaire dans les systèmes électroniques de puissance pour fournir l’énergie aux différentes parties à chaque appel de courant. D’après la littérature, l’étude et l’évaluation de la fiabilité de ces systèmes reposent fortement sur celle des condensateurs d’aluminium à électrolyte liquide ainsi que sur d’autres composants identifiés comme critiques (Transistors MOS de découpage, isolants dans les transformateurs, …etc.). Le premier chapitre débute par une présentation de la technologie des condensateurs est détaillée en indiquant les différents paramètres qui les caractérisent et les différents travaux réalisés dans la littéraire sur l’étude et l’évaluation de la fiabilité de ces composants. Dans le deuxième chapitre, les essais de vieillissement sont élaborés en se basant sur le profil de mission du système. Ensuite, les évolutions des caractéristiques ayant une dégradation significative sont modélisées. Le troisième chapitre porte sur la caractérisation physico-chimique du condensateur afin de comprendre et expliquer les modes de défaillance enregistré pendant les essais de vieillissement. Le dernier chapitre est consacré à la réalisation des essais de vieillissement sur système simulant la dissipation de la chaleur des composants adjacents aux condensateurs. Des mesures électriques sont faites en temps réel afin de superviser la tension à leurs bornes. Enfin, un essai de stress mécanique est réalisé afin de permettre d’évaluer l’impact des vibrations sur la connectique des condensateurs neufs et vieillis. / Today, the increasing demands in terms of competitiveness require the design of electronic power systems having a minimal bulk while maintaining a good reliability. The combination of these two features is required at a system level as well as at a component level. It is particularly the case of liquid electrolyte aluminum capacitors, which are widely used as storage tanks forelectrostatic energy. This function is necessary in electronic power systems to provide energy to the different parts with each current draw. According to the literature, the study and the evaluation of the reliability of these systems rely heavily on that of liquid electrolyte aluminum capacitors as well as on other components identified as critical (MOS switching transistors, insulators in transformers, etc.). The first chapter begins with a detailed presentation of the technology of capacitors by indicating the various parameters that characterize them and the different work done in the literary on the study and evaluation of the reliability of these components. In the second chapter, aging tests are developed based on the mission profile of the system. Then, the evolutions of characteristics having a significant degradation are modeled. The third chapter deals with the physico-chemical characterization of the capacitor in order to understand and to explain the failure modes recorded during the aging tests. The last chapter is devoted to performing aging tests on a system which is simulating the heat dissipation of components adjacent to capacitors. Electrical measurements are realized in real time to monitor the voltage at their terminals. Finally, a mechanical stress test is carried out to evaluate the impact of vibrations on the connection of new and aged capacitors.