Le développement de la recharge sans contact de batteries comporte divers avantages pour les véhicules électriques. Cette solution est facile à utiliser, robuste et résistante aux intempéries par rapport aux câbles généralement utilisés. Le principe est basé sur le couplage magnétique entre un émetteur et un récepteur. L'objectif de cette thèse est de contribuer à proposer une norme pour permettre l’interopérabilité, c’est-à-dire, permettre à plusieurs émetteurs de fonctionner avec des récepteurs de différents fournisseurs. Comme le système doit aussi être tolérant au positionnement et doit respecter les recommandations concernant l’exposition humaine, de nombreuses configurations doivent être envisagées. Dans cette thèse, une modélisation avancée et fiable du système complet est proposée. La méthode des éléments finis est exploitée pour déterminer les caractéristiques électriques du coupleur inductif (inductances propres et mutuelles, facteur de couplage) dans différentes configurations de positionnement et d’interopérabilité. Ces valeurs permettent le dimensionnement du convertisseur à résonance. A ce stade différentes topologies de compensation sont considérées. Un modèle analytique au premier harmonique est mis en œuvre pour comparer les topologies et déterminer la fréquence de résonance globale du système. Un modèle circuit du système complet est ensuite développé pour évaluer précisément les courants et tensions. Enfin, un algorithme de régulation basé sur une méthode MPPT (Maximum Power Point Tracking) est évalué pour le réglage automatique de fréquence. A partir des courants calculés à la fréquence de résonance pour un point de fonctionnement nominal et grâce au modèle éléments finis incluant le châssis du véhicule le champ magnétique rayonné est calculé et comparé aux valeurs limites recommandées. A chaque étape de la modélisation, la sensibilité du système aux paramètres de configuration (positionnement, interopérabilité) est analysée. Des mesures effectuées au niveau du coupleur inductif et sur le système complet sont aussi utilisées dans l’analyse et permettent de valider le modèle / Development of contactless battery charging is an opportunity for electric vehicles. Compared to regular plugin cables, this solution is easy to use, robust and weather resistant. The power is transferred thanks to the magnetic coupling of inductive coils and a reduced magnetic circuit. The aim of this thesis is to contribute to propose a standard that would make possible to couple emitters with receivers from different suppliers, that is, to insure interoperability. As the system should also be tolerant to positioning and should respect human exposure recommendations, many configurations must be tested. In this thesis, an advanced and reliable modeling of the whole system is proposed. Using the finite element methods, the electrical characteristics (self, mutual inductances and coupling factor) of the inductive coupler are computed for different geometric and interoperability configurations. These values allow the dimensioning of the resonant converter. At this stage, different compensation topologies are considered. It is shown that the global resonant frequency can be derived and the topologies compared from a classical first harmonic approximation and analytical model. Then, a circuit model of the full system is developed in order to evaluate precisely the currents and voltages. Finally, the performance of a Maximum Power Point Tracking as frequency regulation algorithm is evaluated. From the currents computed at resonant frequency for the nominal operating point and the finite element model of the coupler, including the chassis of the vehicle, the radiated magnetic field is evaluated in order to check safety compliance. At each step of the modeling, the sensitivity of the system to the configuration parameters (positioning, interoperability) is analyzed. Measurements at the coupler level and for the full system are also used in this analysis and allow validating the model

Le développement du système électronique de puissance dans le transport électrique est poursuivi sous la forme de convertisseurs de puissance à haut rendement impliquant une topologie complexe.Bien que l'analyse et le contrôle d'un tel système soient souvent une tâche difficile en raison de l'environnement haute tension et haut courant, la simulation hardware-in-the-loop (HILs) offre un moyen sûr et rapide d'évaluer la stratégie de contrôle en simulant l'environnement externe du contrôleur dans le système embarqué.Au cours du processus, il y a deux exigences que nous devons relever dans le cadre de temps réel (i) Le processus de calcul doit être terminé avant que l'impulsion de déclenchement suivante de l'horloge en temps réel n'arrive; (ii) La latence dans le simulateur est assez petite pour être ignorée. Les périodes d'échantillonnage et de simulation dans les simulateurs basés sur CPU sont plus de 1 microseconde, il est difficile de prendre en compte l'ensemble des événements des commutateurs dans les systèmes d'entraînement modernes.En revanche, les FPGA (Field Programmable Gate Arrays) fournissent non seulement une vitesse d'échantillonnage rapide mais aussi une alternative viable pour accélérer le simulateur en temps réel. Cependant, la mise en œuvre d’un système électronique de puissance complexe dans les FPGA est l'une des limitations. Ainsi, dans cette thése, nous ferons des recherches sur la simulation en temps réel à base de FPGA avec la tentative de résoudre le problème en résolvant les questions suivantes,1.Comment pourrions-nous partitionner le système électronique de puissance et l'implémenter dans FPGA?2.Comment pouvons-nous tirer parti des fonctionnalités FPGA pour accélérer le processus de résolution de circuit3.Comment pourrions-nous optimiser les performances du FPGA?4.Comment exprimer la caractéristique de commutation non linéaire du système électronique de puissance dans le FPGA?La première question concerne la caractéristique hybride à l'intérieur du système électronique de puissance. Nous avons proposé une nouvelle méthode nodale et un solveur matriciel basé sur la décomposition de Cholesky essayant de garder la topologie du circuit fixe et de traiter chaque élément de commutation et de circuit indépendamment. La deuxième question est celle de savoir comment obtenir des approximations pour toutes sortes d’Équation différentielle (ODE). Nous avons utilisé une série de solveurs ODE parallèles pour accélérer le processus de résolution. La troisième question est d'utiliser des outils de synthèse de haut niveau (HLS) pour optimiser les performances du FPGA. De tels outils sont utilisés pour développer des unités de calcul haute performance pour des applications de simulation en temps réel. Enfin, afin de rechercher l'impact de la caractéristique de commutation non linéaire sur le système électronique de puissance, nous avons proposé un modèle IGBT ultra-rapide avec un temps de calcul en nanosecondes dans le FPGA.Dans l'ensemble, les méthodes présentées contribuent au développement du simulateur en temps réel par FPGA pour le système de transport électrique de trois façons: réduire le temps de calcul des matrices, proposer un solveur ODE parallèle dans le FPGA et optimiser les performances du FPGA. / The development of power electronic system in electrical transportation is being pursued in the form of high-efficiency power converters involving complex topology. Although analysis and control of such system is often a difficult task due to the high-voltage and high-current environment, the hardware-in-the-loop simulation (HILs) offers a time-saving and safe way to evaluate the control strategy by simulating the external environment of a controller in the embedded system.During the process, there are two requirements that we have to meet in the context of racing against real-time: (i) the computation process is necessary to the end before the next trigger impulse from the real-time clock arrives (ii) the latency in the simulator is small enough to ignore. The sampling and simulation period in today’s CPU-based HIL simulators can barely go under 1 us, it is hard to take into accounts the entire switch event from PWM (Pulse Width Modulation) in modern power drive systems. In contrast, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) provide not only an ultra-fast sampling speed but also a viable alternative for speeding up the real-time simulator. However, the implementing the complex power electronic system on FPGAs is one of the limitations in real time simulation. Thus, in this these, we will research the FPGA-based real-time simulation with the attempt to solve the following questions,1.How could we partition power electronic system and implement it in FPGA?2.How do we leverage FPGA features to accelerate circuit?3.How could we optimize the performance of FPGA?4.How do we express the nonlinear switch characteristic of power electronic system in the FPGA?The first question is about the hybrid characteristic inside the power electronic system. In the paper, we proposed a novel nodal method and a matrix solver based on Cholesky Decomposition trying to keep the circuit topology fixed and treat each switch and circuit element independently. The second question is one that how to obtain approximations for all kind of ordinary differential equations (ODEs). We utilized a series of parallel ODE solver to accelerate the solving process and deal with the stiff problem. The third question is to use high-level synthesis (HIL) tools to optimize the performance of FPGA. Such tools are employed for developing high-performance computing units, designated hereafter as hardware solvers (HS), for real-time simulation applications. At last, in order to research the impact of nonlinear switch characteristic on the power electronic system, we proposed an ultra-fast IGBT model with a calculation time in nanoseconds in the FPGA.Overall, the presented methods contribute to the development of FPGA-based real-time simulator in three ways: reducing the calculation time of matrix solving process, proposing parallel ODE solver in the FPGA and optimizing the performance of FPGA. Thus, with the FPGA solver we built, the model of power electronic system for electrical transportation can be solved within 50 nanoseconds in high accuracy.

L'électronique de puissance prend une place croissante dans le domaine automobile, avec notamment l'apparition de systèmes de motorisation mixte thermique-électrique (véhicules hybrides). Dans cette optique, les outils de conception des convertisseurs basse tension doivent être suffisamment précis pour réduire les phases de prototypage, mais également pour analyser la robustesse d'un convertisseur face aux inévitables dispersions d'une fabrication en grande série.<br>Dans la première partie, nous proposons un modèle de MOSFET valide dans les différentes phases de fonctionnement rencontrées dans un onduleur (commutation du transistor, de sa diode interne, et fonctionnement en avalanche notamment). La nécessité de modélisation du câblage est ensuite démontrée, puis nous présentons la méthode de modélisation, reposant sur l'utilisation du logiciel InCa. <br>La seconde partie de cette thèse, qui repose principalement sur une démarche expérimentale, permet d'identifier les paramètres du modèle de MOSFET puis de valider la modélisation complète du convertisseur vis-à-vis de mesures. Pour cela, nous avons choisi un critère de comparaison très sensible aux erreurs de modélisation : le niveau de pertes du convertisseur. La mesure de ces pertes est effectuée par calorimétrie. <br>Nous en concluons que la modélisation proposée atteint une précision satisfaisante pour pouvoir être exploitée dans une démarche de conception, ce qui fait l'objet de la dernière partie de cette thèse. La simulation est alors utilisée pour étudier l'influence du câblage et de la commande sur les pertes d'un bras d'onduleur, puis pour étudier la répartition du courant entre transistors d'un assemblage en parallèle en tenant compte de leurs dispersions de caractéristiques. Une telle étude ne pourrait que très difficilement être effectuée de façon expérimentale (elle nécessiterait la modification du circuit pour insérer les instruments de mesure), ce qui montre l'intérêt de la conception assistée par ordinateur en tant qu'outil d'analyse.

Le domaine aéronautique étant en pleine expansion, il est nécessaire de trouver des solutions pour transporter plus de personnes tout en diminuant la consommation en carburant. L’allègement des aéronefs est un enjeu global, c’est pourquoi, il faut étudier comment diminuer la masse de tous les composants des avions. Les boitiers électroniques doivent faire partie de cette démarche d’allègement global des avions. Les sociétés du groupe SAFRAN et en particulier HISPANO-SUIZA se sont lancées dans un projet d’avion plus électrique et il est donc très important de diminuer la masse d’un boitier électronique. Une étude de boitiers électroniques existants a permis de mettre en évidence les principaux contributeurs de masse. Les bilans de masse ont montré que les éléments de protection et de maintien des composants électroniques représentaient la masse la plus importante pour un boitier. La recherche de solutions innovantes pour diminuer la masse de ces composants a mis en évidence des nouveaux matériaux pour remplacer l’aluminium omniprésent dans les boitiers actuels. Les stratifiés métaux / composites ou Fiber Metal Laminates (FML) sont des stratifiés composés de composites à matrice organique (carbone, fibre de verre, kevlar, …) et de tôles métalliques. Ces nouveaux matériaux composites sont particulièrement intéressants de par leurs propriétés thermomécaniques ainsi que leur conductivité électrique nécessaire au bon fonctionnement des boitiers en cas de passage de courant de foudre. Des simulations d’analyse modale ont validé la pertinence de l’emploi de ces FML pour réaliser les pièces de boitiers. Des modèles analytiques ont été mis en place pour prédire de façon simple et rapide le comportement de stratifiés composites en fonction du nombre de plis, des matériaux et des orientations. L’exploitation de ces modèles a permis de choisir des stratifiés prometteurs en fonction de leurs propriétés thermomécaniques : le Carall (assemblage de carbone et d’aluminium), le Glare (assemblage de fibres de verre) et un stratifié en carbone « classique ». La caractérisation de ces matériaux sous des chargements variés (statiques, dynamiques, en température, …) couplée à des simulations numériques a fourni les propriétés des stratifiés. La modélisation numérique des composites permettra de diminuer le temps et le coût nécessaires à la conception d’un boitier. L’étude et la comparaison des propriétés mesurées au cours des essais expérimentaux a permis de déterminer les applications potentielles des stratifiés métaux/composites dans les boitiers électroniques. Enfin, une étude de vieillissement accéléré en humidité et en température a été réalisée pour étudier l’évolution des propriétés des stratifiés dans le temps / The aeronautic field is growing years after years; this is why it is necessary to find solutions to transport more people and to reduce fuel consumption. The aircraft relief is a global issue, all components of aircraft ha to be lighter. Electronic devices must be a part of this global aircraft relief. The SAFRAN group and Hispano-Suiza in particular have engaged in a more electric aircraft project it is necessary to reduce the mass of an electronic box. A study of existing electronic boxes helped to highlight the main mass contributors. Mass analysis shows that the elements of protection and bearing of electronic components represent the highest global mass percent. The research of innovative solutions to reduce the weight of these components has highlighted new materials to replace the omnipresent aluminium in the current boxes. The composites Fibre Metal Laminates (FML) consist of organic matrix composites plies (carbon, fiberglass, Kevlar ...) and the metal sheet. These new composite materials are particularly interesting because of their thermo-mechanical and electrical conductivity necessary for the proper functioning of the electronic devices in case of lightning current. Modal analysis simulations validated the appropriateness of using these FML to replace aluminium in electronic boxes structure. Analytical models were developed to get a faster and easier the behaviour of composite laminates according to the number of plies, materials and orientations. The study of these analytical models has selected promising laminates according to their thermo mechanical properties: the Carall (assembly of carbon and aluminium), the Glare (assembly of glass fibers and aluminium) and carbon as a "classical" laminates. The characterization of these materials under various solicitations (static, dynamic, temperature ...) coupled with numerical simulations provided the laminates properties. Numerical modelling of composites will reduce the time and cost required to design a box. The study and comparison of measured properties during the experimental trials has identified the potential applications of metal laminates / composites in electronic boxes. Finally, a study of accelerated moisture and temperature aging was conducted to study the evolution properties of laminates in “real” environment

No description available.

Le domaine de lʼélectronique de puissance est un domaine en pleine expansion dans les applications ferroviaires, avioniques et automobiles. Ce développement est rendu possible grâce à lʼarrivée sur le marché de composants de puissance qui nʼont cessé dʼévoluer afin dʼaugmenter leurs performances tout en réduisant leurs tailles. Ces modules de puissance, tels que les modules à IGBT qui peuvent commuter jusquʼà 600 A sous 6500 V, sont constitués d'interrupteurs élémentaires (transistors et diodes) disposés sur un substrat céramique. Les liaisons entre composants sont assurées par des fils de connections et des pistes conductrices disposées sur le substrat. Lʼensemble est inséré dans un boitier et encapsulé par un gel de type silicone pour assurer la protection de lʼensemble contre les agressions extérieures. Avant dʼêtre intégrés dans les modules, ces substrats céramiques doivent subir différentes étapes de préparation. Ces étapes sont la découpe, le perçage, le marquage, le traitement de surface (surfaçage ou préparation à la métallisation) et le nettoyage. Ces traitements sont réalisés avec différents moyens technologiques : découpe, marquage ou nettoyage laser, traitements thermiques, nettoyages chimiques... et peuvent apporter des modifications bénéfiques, néfastes ou neutres sur les propriétés diélectriques des substrats. Jusquʼà ce jour, très peu dʼétudes ont été menées pour déterminer les impacts de ces traitements sur le comportement diélectrique des alumines ainsi traitées. Il est donc primordial de connaître ces effets afin dʼune part dʼidentifier les étapes industrielles qui peuvent nuire aux propriétés diélectriques des substrats et dʼautre part de tirer profit des résultats obtenus dans le cadre dʼune démarche dʼintégration de puissance. Les caractéristiques diélectriques qui ont été évaluées sont la rigidité diélectrique, la conduction électrique volumique et surfacique, les pertes diélectriques et la permittivité. Ainsi une gradation des effets induits par ces traitements, et ceci pour chaque type de traitement, a pu être estimée. Les conclusions de nos expériences ont montré que les propriétés diélectriques dépendant du volume de lʼalumine nʼétaient affectées que par les traitements thermiques. Sur un plan scientifique, nous nous sommes focalisés sur l'origine de la modification des propriétés électriques à partir des changements microstructuraux engendrés par ces différents traitements. Les résultats expérimentaux obtenus ont permis dʼétayer des hypothèses émises lors dʼétudes antérieures menées au laboratoire Laplace. Le mécanisme régissant la conduction à haut champ électrique a pu être ainsi identifié et associé à la taille des grains dʼalumine. En ce qui concerne la rupture diélectrique, des informations cruciales concernant son origine ont pu permettre de lever des incertitudes quant au rôle de lʼétat de surface. Enfin, ce travail a permis dʼémettre des propositions de traitements spécifiques qui devraient permettre de réduire la dimension des substrats des modules de puissance par le biais dʼune réduction des contraintes électriques surfaciques.

Dans l'aéronautique, l'alimentation d'un système embarqué contribue largement à augmenter le coût récurrent, l'efficacité globale et le volume de l'équipement. De plus, les alimentations sont installées dans un environnement sévère avec une large plage de tension d'entrée et un milieu confiné. Dans ces conditions, les pertes du convertisseur influent fortement sur le volume et le poids du système qui doit s'efforcer de limiter les échauffements. Ainsi, la réduction des pertes du convertisseur est l'un des leviers les plus efficaces pour augmenter la densité de puissance des convertisseurs. Parmi les techniques connues, la commutation douce peut être une solution pour réduire les pertes du convertisseur tout en augmentant sa fréquence de découpage. La sélection d'une topologie à commutation douce se fait selon 3 critères; un faible nombre de composants, une fonction de transfert et des commutations douces qui couvrent toute la plage de fonctionnement. En prenant tout cela en considération, la meilleure candidate semble être la topologie Flyback active-clamp. Avec seulement une capacité et un transistor supplémentaires, cette topologie possède une fonction abaisseuse et élévatrice et réalise des commutations en ZVS au primaire.Un travail technologique doit également être réalisé afin d'améliorer davantage l'efficacité du convertisseur. Les technologies qui ont été sélectionnées sont les transistors GaN pour leurs performances en commutation et le transformateur planar pour son intégration dans le PCB. Par ailleurs, une intégration verticale du convertisseur qui est à présent sur deux cartes superposées, une pour les fonctions BF et l'autre pour les fonctions HF, a permis de minimiser l'empreinte du convertisseur.Les technologies émergentes vont faire un important saut technologique, en particulier dans les systèmes où l'alimentation représente une part significative de l'équipement. Le succès des transistors GaN met clairement en lumière que l'électronique de puissance devient plus performante. Dans ce contexte, réduire les éléments parasites est une priorité. En se projetant dans le futur, l'intérêt porté aux alimentations intégrées va accélérer le développement des techniques de packaging telles que l'enfouissement des composants dans le PCB et les modules sur céramique / The power supply system in an onboard aeronautical application represents an important contribution to the recurring cost, global efficiency and the volume of the system. Moreover, power supplies are installed in a harsh environment with a wide input voltage range and a confined area. In these conditions, power supply losses impact the converter volume and weight to prevent the system from overheating. Therefore, a gain in efficiency is the main purposes, since it has a significant impact on the reduction of weight and volume of the equipment.Soft-switching is a reasonable technique to increase the switching frequency and limit the power losses. The selection of the topology should take into account 3 considerations: a low number of components, an efficient control, which allows to cover the wide input voltage range and a soft-switching validity over a large input voltage range. Regarding all the considerations, the Flyback active-Clamp topology seems to be the best candidate which has a step-up and down transfer function and ZVS at the primary with only ones additional capacitor and transistor.A technological work is also done to further increase the power supply efficiency. The technologies which have been selected are the GaN transistors for its good switching performances and a planar transformer for its integration into the PCB. Also, the vertical integration of the converter which is actually on two stackable boards, one for the low frequency functions and the other one for the high frequency functions, minimizes the footprint of the converter. The new technologies will make a huge technological leap, especially in the systems where the power supply represents a significant proportion of the equipment. The success of GaN transistor highlights that the power electronics is currently driving by the performance and reducing the parasitic elements is becoming the priority. Looking forward into the future, the interest in 3D packaging and PCB integration will grow rapidly to provide a fully embedded power supply

L'augmentation des charges électriques embarquées dans l'avion « plus électrique » impose une vigilance accrue au niveau de la compatibilité électromagnétique. L'utilisation d'alimentations à découpage, nécessaires à la commande en vitesse des actionneurs électromécaniques, entraîne la circulation de courant de mode commun dans les câbles de puissance et donc la création de champs électromagnétiques. Les tolérances d'émission des équipements électriques aéronautiques proviennent la norme aéronautique civile DO-160E. Cette étude nous a permis de prédire les modes de rayonnement de plusieurs architectures de connexions des câbles de puissance parcourus par les signaux de l'électronique de puissance, dans les conditions spécifiques imposées par la norme DO-160E et selon leur mode de connexion à la masse. Nous présentons dans un premier temps la modélisation d'un système électrique constitué d'un convertisseur statique à configuration versatile, d'un câble de puissance ainsi que d'une charge. Cette modélisation est ensuite utilisée pour déterminer le champ électromagnétique rayonné par les câbles de puissance. Dans un deuxième temps, nous validons les résultats théoriques par des mesures de champ sur un banc d'essai versatile et représentatif.

L'objectif de cette thèse est le dimensionnement, l'optimisation et la commande de l'interfaçage électrique pour groupes électrogènes à base de pile à combustible (PAC) pour des applications transport et stationnaire. Cette thèse a d'abord sélectionné la structure la mieux adaptée pour des PAC de 100 kW en se focalisant sur les applications les plus prometteuses. Cette structure a été optimisée par un procédé combinant les algorithmes génétiques et une méthode déterministe. Les différents niveaux de contrôle de l'interface de puissance ont été ensuite conçus et analysés. Concernant le niveau intermédiaire, divers correcteurs ont été proposés pour chaque convertisseur. Ils sont testés et validés en simulation. Les correcteurs concernant l'onduleur de tension sont validés expérimentalement. Finalement, la thèse propose trois stratégies globales de gestion des flux énergétiques. Elles sont validées et comparées en simulation grâce à des données réelles issues d'applications choisies.

Le travail présenté porte sur l'étude des phénomènes physiques prenant place dans les condensateurs bobinés à films secs métallisés. En particulier, les propriétés macroscopiques des bobinages (admittance, impédance) sont étudiées et permettent de calculer la répartition des champs électrique et magnétique et des courants dans une large gamme de fréquences. Il apparaît ainsi que les courants, homogènes à basse fréquence, se concentrent en certains points des condensateurs quand la fréquence augmente, ce qui peut conduire à des échauffements et à des défaillances.<br />Par ailleurs, les modèles élaborés ont permis de mettre en évidence l'influence des paramètres géométriques sur les performances des condensateurs, en particulier en haute fréquence. Ainsi, de nouvelles structures - plates et annulaires - permettent de minimiser les impédances propres des bobinages. L'efficacité des condensateurs de découplage peut aussi être améliorée grâce à des connexions appropriées et l'utilisation de conducteurs symétriques réduit les échauffements.