Le développement de la technologie des semi-conducteurs dans les trente dernières années a augmenté le nombre des nouvelles applications dans lesquelles les dispositifs d'électronique de puissance sont utilisés. L'augmentation de la rapidité de commutation des transistors a permis que la conversion de puissance se produise de façon de plus en plus performante. Cet avantage apporte un nouveau challenge dans la phase de conception, lié à la Compatibilité Électromagnétique. En effet, les impulsions rapides de tension et courant dans les convertisseurs de puissance sont une source d'émissions électromagnétiques conduites indésirables. Des méthodologies de modélisation précises, qui prennent en compte une grande partie des effets parasites, ont été développées pour évaluer le niveau de ces émissions conduites. Lorsque ces méthodologies sont confrontées aux mesures, les résultats sont en concordance dans une large gamme de fréquence, elles peuvent donc être considérées comme des outils fiables de pronostic. Néanmoins, la plupart des paramètres du modèle d'un système électronique ne peuvent pas réellement être déterminés précisément : les conditions d'opération sont souvent mal connues (variations de température ou d'humidité) ; les paramètres caractéristiques des composants présentent une certaine dispersion de production ; des interférences externes sont imprévisibles. Dans ce contexte, il est intéressant de développer des méthodologies de modélisation qui soient capables de prendre en compte des incertitudes paramétriques. Dans cette thèse, deux méthodologies d'analyse d'incertitudes, adaptées aux convertisseurs de puissance, sont proposées. Les incertitudes paramétriques sont modélisées en utilisant des fonctions de densité de probabilité et l'objectif de l'analyse proposée est de déterminer les moments statistiques, la fonction de densité de probabilité ou la limite supérieure probabiliste des émissions conduites d'un convertisseur de puissance quelconque. Des techniques pour aborder les difficultés liées aux non-linéarités, au temps de simulation important et au nombre élevé de dimensions sont discutées. Les méthodologies proposées sont appliquées à des problèmes test et à des problèmes réels, et les résultats sont comparés aux méthodologies classiques. La précision des résultats des méthodologies proposées est similaire aux techniques classiques, mais le temps de calcul est considérablement réduit. Finalement, ce travail ouvre des possibilités de développements nouveaux pour l'analyse des incertitudes des systèmes non-linéaires et à grande échelle.

Avec l'électrification des moyens de transports, en particulier dans les applications avions et l’automobile, la consommation électrique est en pleine croissance. Cela conduit à de nouveaux problèmes dans la phase de conception. Même si le développement en électronique de puissance permet d’avoir une meilleure gestion d’énergie, avoir un meilleur rendement et avoir une réduction de prix, cela génère des niveaux d’interférences électromagnétiques élevées. L’intégration de l’étude de la CEM dès la phase de conception pourra aider à prédire le profil des émissions conduites avant de passer au prototypage et donc éviter de perdre du temps et du coût de conception.Dans ce contexte, nous avons mis en évidence le besoin de la modélisation de nos composants d’un point de vue CEM. Ces modèles doivent être valable dans une plage de fréquence définit par la norme CISPR 25 dédiée au secteur automobile. L’approche de la modélisation doit être applicable sur tous les types de composants utilisés dans ce domaine tout en étant indépendants des fournisseurs qui ne donnent pas toutes les caractéristiques des composants qu’ils vendent ni des logiciels commercialisés qui aident à fournir des modèles de nos composants. Les travaux effectués pourraient se diviser en plusieurs étapes : la modélisation des composants passifs, la modélisation des composants actifs, la modélisation du PCB et l’optimisation du routage. / With the electrification of the transportation means, especially in avionics and automotive applications, power consumption is growing. This leads to new problems in the design phase. Even though the development in power electronics allows for better energy management, better performance and lower prices, it generates high levels of electromagnetic interference. Integrating the EMC study early in the design phase can help predict the profile of emissions conducted prior to prototyping and thus avoid wasting time and cost of design. In this context, we have highlighted the need for modeling our components from an EMC point of view. These models must be valid in a frequency range defined by the CISPR 25 standard dedicated to the automotive sector. The modeling approach should be applicable to all types of components used in this area while being independent of suppliers that do not provide all the features of the components they sell, or commercial software that helps provide models of our components. The work could be divided into several stages: passive component modeling, active component modeling, PCB modeling and routing optimization.

Au cours de ces dernières décennies, les avionneurs n’ont cessé d’augmenter la puissance électrique embarquée à bord des avions. Cette intensification de l’usage de l’électricité, dans le but de rationaliser les énergies secondaires de l’avion (pneumatique, hydraulique, mécanique) constitue le fondement du concept de l’avion plus électrique. Une des contreparties de l’augmentation du nombre de charges électriques réside dans le fait qu’elles doivent fonctionner dans le même environnement électromagnétique, ce qui engendre des problèmes de compatibilité. Cette discipline a été traitée jusqu’à présent en fin de développement d’un système, avant l’étape de la certification et de l’intégration sur avion. La prise en compte de ces contraintes dès la phase de conception, via l’estimation des perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées par simulation, peut permettre d’importants gains de temps et de coûts en réduisant les phases d’essais. La première étape de ce projet de recherche est la mise en place d’une approche de modélisation compatible avec les processus d’optimisation. Il est alors indispensable de prendre en compte l’ensemble des sous-systèmes qui composent la chaîne électromécanique, à savoir les RSILs, les câbles, le convertisseur et le moteur. L’approche de modélisation choisie est de type directe ; elle consiste à représenter la chaîne électromécanique dans la base de mode commun par des quadripôles. Ce modèle générique permet d’estimer les courants de mode commun directement dans le domaine fréquentiel en différents points du système. Par ailleurs, afin d’être compétitif vis-à-vis des autres vecteurs d’énergie présents sur avion, la densité de puissance des systèmes électriques doit être drastiquement augmentée. L’introduction des semi conducteurs grands gaps à base de Carbure de Silicium (SiC) permet de contribuer à l’augmentation de la densité de puissance des électroniques de puissance. Cependant, dans ces travaux de thèse, nous veillons à la non régression des performances au niveau système et notamment vis-à-vis de l’impact des émissions électromagnétiques conduites de mode commun. Une fois les modèles en émission établis, diverses solutions de filtrage sont étudiées : filtrage passif externe et interne. Une démarche d’optimisation multi-objectifs (masse, pertes) et multi contraintes (qualité réseau, stabilité, CEM, thermique, etc.) est proposée. Des études de sensibilité mettent en évidence les variables de conception ayant le plus d’impact sur les émissions conduites. Cette approche permet le dimensionnement optimal des composants de l’onduleur (module de puissance, dissipateur, filtres de mode commun et de mode différentiel, paramètres de la commande rapprochée). Les résultats obtenus grâce à l’algorithme génétique employé permettent de construire des courbes de tendance utiles pour l’aide au dimensionnement. / Over the last decades, aircraft manufacturers have not ceased to increase the electrical power on board aircrafts. This intensification of the use of electricity, in order to rationalize the secondary energies of the aircraft, lays the foundation for the concept of the More Electric Aircraft (MEA). One of the counterparts to increasing the number of the electrical loads is that they must operate in the same electromagnetic environment, which creates compatibility issues. This discipline has been treated so far at the end of the development of a system, before the stage of certification and aircraft integration. Taking into account these constraints from the design phase, via the estimationof conducted and radiated electromagnetic disturbances by simulation, significant time and costs savings could be achieved by reducing the test phases. The first step of this research project is the implementation of a modeling approach suitable with optimization processes. It is then essential to take into account all subsystems that form the electromechanical drive, namely the LISNs, the cables, the power converter and the electric motor. The modeling approach chosen is of the direct type; it consists of representing the electromechanical chain in the common mode base by two ports networks. This generic model allows us to estimate common mode currents directly in the frequency domain at different locations. Besides, one of the main challenges associated to MEA is thus to drastically increase the power density of electrical power systems, without compromising on reliability. The development of new Wide Bandgap (WBG) semiconductor technologies made of Silicon Carbide, can significantly increase efficiency, performance and power density of adjustable speed electrical power drive systems. Nevertheless, due to their higher switching speed and voltage overshoot, WBG semiconductors used in power converters of an electromechanical chain may have some drawbacks when it comes to ElectroMagnetic Interference. Understanding the switching behavior of WBG components is necessary in order to keep switching speed and overvoltage at a reasonable level. In this PhD thesis, we ensure that the introduction of this emerging technology does not lead to a regression of performance at system level. Once we establish the conducted emissions models, different filtering solutions have been used: external and internal passive filters. An optimization dedicated to the resolution of a multi-objectives problem (mass, losses) and multi-constraints (quality, stability, EMC, thermal, etc.) in order to minimize the mass of the converter is accomplished. Sensitivity studies led to the identification of the design variables which have the biggest impacts on conducted emissions. This tool allows the optimal sizing of the inverter’s components (power module, heat sink, common mode and differential mode filters, close control parameters). The results obtained thanks to the use of a genetic algorithm make it possible to develop trend curvesfor an inverter sizing.

Le développement de la technologie des semi-conducteurs dans les trente dernières années a augmenté le nombre des nouvelles applications dans lesquelles les dispositifs d’électronique de puissance sont utilisés. L'augmentation de la rapidité de commutation des transistors a permis que la conversion de puissance se produise de façon de plus en plus performante. Cet avantage apporte un nouveau challenge dans la phase de conception, lié à la Compatibilité Électromagnétique. En effet, les impulsions rapides de tension et courant dans les convertisseurs de puissance sont une source d’émissions électromagnétiques conduites indésirables. Des méthodologies de modélisation précises, qui prennent en compte une grande partie des effets parasites, ont été développées pour évaluer le niveau de ces émissions conduites. Lorsque ces méthodologies sont confrontées aux mesures, les résultats sont en concordance dans une large gamme de fréquence, elles peuvent donc être considérées comme des outils fiables de pronostic. Néanmoins, la plupart des paramètres du modèle d’un système électronique ne peuvent pas réellement être déterminés précisément : les conditions d’opération sont souvent mal connues (variations de température ou d'humidité) ; les paramètres caractéristiques des composants présentent une certaine dispersion de production ; des interférences externes sont imprévisibles. Dans ce contexte, il est intéressant de développer des méthodologies de modélisation qui soient capables de prendre en compte des incertitudes paramétriques. Dans cette thèse, deux méthodologies d’analyse d’incertitudes, adaptées aux convertisseurs de puissance, sont proposées. Les incertitudes paramétriques sont modélisées en utilisant des fonctions de densité de probabilité et l’objectif de l’analyse proposée est de déterminer les moments statistiques, la fonction de densité de probabilité ou la limite supérieure probabiliste des émissions conduites d’un convertisseur de puissance quelconque. Des techniques pour aborder les difficultés liées aux non-linéarités, au temps de simulation important et au nombre élevé de dimensions sont discutées. Les méthodologies proposées sont appliquées à des problèmes test et à des problèmes réels, et les résultats sont comparés aux méthodologies classiques. La précision des résultats des méthodologies proposées est similaire aux techniques classiques, mais le temps de calcul est considérablement réduit. Finalement, ce travail ouvre des possibilités de développements nouveaux pour l’analyse des incertitudes des systèmes non-linéaires et à grande échelle. / The development of semiconductor technology in the last decades has boosted numerous new applications in which power electronic devices have been employed. The fast switching of transistors has allowed power conversion to be performed with high efficiency. However, this improvement brought a new challenge in design: the Electromagnetic Compatibility. Both fast pulses of voltage and current, inside power converters, are a source of unwanted conducted electromagnetic emissions. High accurate modeling methodologies, which takes into account most of the parasitic phenomena, have been developed, in order to compute the level of conducted emissions of electronic devices. When these methods are confronted with measurement, they show good agreement in a large frequency range, and thus they are considered a trustful prediction tool for electronic systems design. Nevertheless, most of the parameters of the model of any electronic system, in reality, cannot be determined precisely, due to unknown operation conditions (i.e.: temperature or humidity variations), production dispersion of the components or unpredictable external interference. In this context, it is of great interest to develop modeling methodologies that are able to take into account parametric uncertainties. In this thesis, two methodologies for uncertainty analysis of power converters are proposed. In the first, namely Polynomials per Frequency, the parametric uncertainty is modeled using probability density functions and the objective of the proposed analysis is to determine the statistical moments, the probability density function or a probabilistic upper bound for the conducted emissions of an arbitrary power converter. In the second methodology, namely Adaptive Unscented Transform, techniques to tackle the difficulties of nonlinearity, long simulation time and high-dimensionality are discussed. The proposed methodologies are applied to benchmark and real-world problems and the results are confronted to classical approaches. The accuracy of the gotten results is similar to those obtained by classical methods, although the required computational time is significantly reduced. Finally, this work leaves many possibilities for further development in the field of uncertainty analysis of nonlinear and highdimensional systems. / O desenvolvimento da tecnologia de semicondutores nas últimas décadas proporcionou um aumento no número de novas aplicações, nas quais dispositivos de eletrônica de potência são empregados. A rápida comutação dos transistores permitiu que a conversão de potência seja realizada com alta eficiência. Entretanto, esse benefício trouxe um novo desafio na fase de projeto: a Compatibilidade Eletromagnética. Os rápidos pulsos de tensão e corrente dentro dos conversores de potência são uma fonte indesejada de emissões eletromagnéticas conduzidas. Metodologias de modelagem de alta precisão, que consideram grande parte dos efeitos parasitas, foram desenvolvidas para avaliar o nível de emissões conduzidas de dispositivos eletrônicos. Estas metodologias, quando comparadas às medições, apresentam boa concordância numa ampla faixa de frequência, e portanto elas são consideradas ferramentas de previsão confiáveis para projeto de sistemas eletrônicos. Não obstante, a maioria dos parâmetros do modelo de um sistema eletrônico, na realidade, não podem ser determinados precisamente, devido às condições de operação incertas (por exemplo, variação de temperatura ou umidade), à dispersão de produção dos componentes ou à interferência externa imprevisível. Neste contexto, existe um grande interesse em desenvolver metodologias de modelagem que sejam capazes de levar em consideração incertezas paramétricas. Nesta tese, duas metodologias de análise de incertezas para conversores de potência são propostas. Na primeira, denominada Polinômios por Frequência, as incertezas paramétricas são modeladas usando funções densidade de probabilidade e o objetivo da análise proposta é determinar os momentos estatísticos, a função densidade de probabilidade ou o limite superior probabilístico das emissões conduzidas de um conversor de potência arbitrário. Na segunda, denominada Transformada de Incerteza Adaptativa, técnicas para abordar as dificuldades de nãolinearidade, tempo de simulação longo e alto número de dimensões são discutidas. As metodologias propostas são aplicadas em problemas teste e problemas do mundo real e os resultados são confrontados com metodologias clássicas. A precisão dos resultados das metodologias propostas é similar às técnicas clássicas, embora o tempo computacional necessário é significantemente reduzido. Finalmente, este trabalho deixa em aberto várias possibilidades para desenvolvimento adicional no campo da análise de incertezas de sistemas não-lineares e de alta-dimensão. / Развитие полупроводниковых технологий в последние десятилетия привело к росту числа новых приложений, в которых использовались силовые электронные устройства. Быстрое переключение транзисторов позволило силовой конверсии осуществляться с большей эффективностью. Однако это улучшение привело к новым сложностям в дизайне: Электромагнитная совместимость. Быстрое напряжение и токовые импульсы в силовых преобразователях являются источником нежелательного электромагнитного излучения. Высокоточные моделирующие методы, которые ведут учет большинства этих паразитарных явлений, были развиты для вычисления уровня управляемых излучений электронных устройств. Когда эти методы сопоставляются с измерениями, они показывают хорошее согласование в широком диапазоне частот, и, следовательно, они считаются надежным инструментом выявления для проектирования электронных систем. Тем не менее, большинство параметров модели любой электронной системы, в действительности, не могут быть точно определены при неизвестных условиях эксплуатации (т.е. температуры или влажности), производстве дисперсиикомпонентов или непредсказуемых внешних помехах. В этом контексте, это представляет большой интерес для разработки методов моделирования, которые способны учитывать параметрическую неопределенность. В этой диссертации предложены два метода анализа неопределенности силовых преобразователей. Параметрическая неопределенность моделируется с помощью функции плотности вероятности и цель предлагаемого анализа заключается в определении статистических моментов, функции плотности вероятности или вероятностной верхней границы кондуктивного излучения произвольного преобразователя питания. Техники по преодолению трудностей нелинейности, долгого времени симуляции и высокой размерности рассмотрены. Предлагаемые методики применяются для проверки и решения реальных проблем и результаты сравнимы с классическими подходами. Точность результатов похожа на классические методы, хотя время, требуемое для вычисления, существенно снижается. Наконец, эта работа оставляет много возможностей для дальнейшего развития в области неопределенности анализа нелинейных, многомерных систем.