L’évolution vers des systèmes toujours plus électriques concerne tous les moyens de transport. En particulier, les prochaines générations d’avions commerciaux. Cette tendance, amorcée avec l’Airbus A380 et le Boeing 787, devrait se poursuivre et s’amplifier. Un avion de constitution plus électrique, où l’axe de transmission principal de puissance de nature électrique se substituerait, au moins en partie, aux axes de types pneumatique, hydraulique et mécanique, pourrait être source d’amélioration au regard de critères écologiques et économiques (gain en masse, accroissement de l’efficacité énergétique, réduction des coûts de maintenance, etc.).Le développement de réseaux électriques locaux, de type continu à échange d’énergie, pourrait favoriser cette démarche. Des sources locales de production d’électricité, des charges bidirectionnelles en puissance, ainsi que des systèmes de stockage d’énergie et de dissipation, seraient alors interconnectés par un bus continu de tension, associés à des protections électriques adaptées.Plusieurs stratégies de gestion énergétique sont proposées. En fonction des objectifs, des contraintes et des moyens d’action envisagés, différents outils ont été mis en œuvre. Dans le cas d’une stratégie visant plusieurs objectifs simultanément, la logique floue apparaît comme étant un outil bien adapté. De plus, étant basée sur des règles, cet outil permet de développer naturellement une stratégie de gestion énergétique intégrant plusieurs contraintes. Deux indicateurs pour évaluer les performances de ces stratégies de supervision ont été proposés (efficacité énergétique et variation de tension). Ces indicateurs permettent de choisir une stratégie de supervision, et donnent des critères pour le dimensionnement du système de stockage et de dissipation. Ces startégies de supervision ont été testées expérimentalement.La stabilité du réseau DC local a été analysée en petit signal. Il est montré que le système hybride avec la stratégie de gestion énergétique associée peut contribuer à augmenter la marge de stabilité de ce type de réseau.Les liaisons en continu mises actuellement en œuvre dans les systèmes embarqués en aéronautique ne sont pas réversibles en puissance. La volonté de les rendre réversibles nécessite donc de revoir complètement les protections de ce type de réseau. La problématique des protections de court-circuit et de défaut d’isolation a été investiguée. Une méthode pour sélectionner la branche en défaut d’isolation est proposée. Elle est testée au moyen de l’outil de simulation Saber qui prend en compte les caractéristiques des composants réels.Les travaux réalisés dans cette thèse peuvent être généralisés pour s’appliquer dans d’autres domaines d’application tels que les véhicules électriques ou hybrides, les systèmes ferroviaires, etc... / The electrification trend is for all modes of transportation, particularly in the next generation of commercial aircrafts. This trend began with the Airbus A380 and Boeing 787 and it will continue. The replacement of mechanical, hydraulic and pneumatic power transfers by an electrical one is one of the most important innovations of the More Electric Aircraft in the aspect of ecologic and economic (weight reduction, energy efficiency increasing, maintenance costs reduction, etc..). The development of a local power exchange network, like a DC one, should facilitate this process. Some local electricity production, bi-directional loads and energy storage and dissipation system, are then interconnected by a DC bus, via some appropriate protections. Several power management strategies are proposed. Depending on the objectives, constraints and means of action envisaged, some tools have been implemented. In the case of a multiple objectives strategy, fuzzy logic appears to be a well suited tool . Moreover, being based on rules, this tool allows to develop naturally a power management strategy in considering several constraints. Two indicators to evaluate performance of these supervision strategies have been proposed (energy efficiency and voltage variation). These indicators help to choose a strategy of supervision, and provide criteria for sizing the storage and dissipation system. These supervision strategies were tested experimentally. The stability of the local DC network was analyzed in small signal. It is shown that the hybrid system with the associated energy management strategy can help to increase the stability margin of this type of network. The currently power connection being implemented in on-board systems is not reversible in power. To make it reversible necessitates a complete redesign of the protections. The problem of short-circuit protection and fault isolation has been investigated. A method to select the branch in insulation failure is proposed. It is tested using the Saber simulation tool that takes into account the characteristics of real components. The work in this thesis can be generalized and to be applied in other fields such as electric or hybrid vehicles, rail systems …etc.

L'avion plus électrique est un concept qui a le vent en poupe chez les principaux constructeurs du domaine de l'aéronautique. Dans ce domaine, comme dans d'autres, les besoins en énergie électrique sont croissants et nécessitent de mettre en place des systèmes de conversion d'énergie fiables, performants et modulaires. Ces systèmes de conversion sont souvent couplés avec des systèmes de stockage d'énergie (type batterie) permettant dans certaines situations de rendre l'avion énergétiquement autonome grâce à une source de puissance indépendante des principaux organes de production d'énergie. Cette interconnexion batterie - réseau de bord présente un rapport de tension élevé ce qui, ajouté aux fortes valeurs de courant de la basse tension, en fait un objet particulièrement complexe à réaliser.L'objectif de cette thèse est de concevoir de manière optimale un convertisseur de puissance isolé permettant l'interconnexion d'un bus basse tension 28 V (typiquement des batteries) à un bus haute tension 540 V (réseau de bord de l'avion) avec une puissance échangeable d'environ 12 kW. Elle se déroule dans le cadre d'un projet ANR (quatre partenaires universitaires, associés à l'entreprise AIRBUS) dont l'une des tâches est le développement d'outils de conception pour l'électronique de puissance. Le travail correspondant comprend une contribution à cette tâche sous forme de la construction de modèles des principaux composants intervenant dans un convertisseur, modèles destinés à être intégrés dans les routines d'optimisation. Pour cette raison, ils seront analytiques (physique, empiriques, mélange des deux).Ces modèles seront ensuite insérés dans un outil global développé dans une autre thèse du projet, à l'aide duquel différentes architectures de convertisseurs seront comparées afin d'en déduire la meilleure solution pour le cahier des charges énoncé précédemment. Un prototype du convertisseur retenu sera finalement réalisé en utilisant des technologies avancées, pour conduire une validation expérimentale. / The electric aircraft tends to become widespread at all the main manufacturers of the domain of the aeronautics. Needs do not stop growing and require setting up reliable, efficiency and modular systems of conversion of energy. These systems of conversion are often coupled with systems of storage of energy (battery) allowing in certain situations to make the punctually autonomous aircraft energetically thanks to a source of power independent from main organs of power production. This interconnection battery - network of edge presents a very high report of rise of tension what, added to the high current value of the battery bus, in fact a particularly complex object to be realized.The objective of this thesis is to design in an optimal way a converter of power isolated allowing the interconnection of a low-voltage bus 28V (typically batteries) in a high-voltage bus 540V (network of edge of the aircraft) with an exchangeable power about 12 kW. It takes place within the framework of an ANR project (four university partners + AIRBUS) the development of tools of conception of which one of the tasks is for the ENP. The corresponding work includes a contribution to this task in the form of the construction of models of the main components occurring in a converter, model intended to be integrated into the routines of optimization. For that reason, they will be analytical (physical, empirical or mix both).These models will then be inserted into a global tool developed in another thesis of the project, by means of which various architectures of converters will be compared to deduct the best solution from it for the previous specifications. A prototype of the reserved converter will be finally realized by using advanced technologies, to lead an experimental validation.

L’objectif de cette thèse est de proposer des méthodes innovantes de conception préliminaire d’actionneurs électromécaniques (EMA) et de les implémenter sous la forme d’outils logiciels rapidement disponibles pour les industriels. Cet objectif répond à une demande forte de l’industrie, en particulier en aéronautique dans le cadre du développement d’avions plus électriques. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode hybride (montante et descendante) de recherche systématique d’architectures solutions et de sélection vis-à-vis des exigences du cahier des charges et de l’état de l’art technologique. Dans un deuxième temps, des méthodes d’évaluation d’architectures en termes de puissance, d’intégration (enveloppe géométrique et masse), de fiabilité et de performances en boucle fermée sont proposées. L’implémentation de ces méthodes se base sur la modélisation acausale et la combinaison de simulations numériques inverses et directes. Des lois d’échelle, représentatives des phénomènes physiques dimensionnants, sont établies pour réduire la complexité d’utilisation des modèles et l'intervention d’experts de domaine dans les phases préliminaires. Les méthodes proposées et leur implémentation dans l'environnement de simulation Modelica/Dymola ont été appliquées avec succès aux exemples d’actionneurs électromécaniques d’orientation d’un train avant d’atterrissage, de commandes de vol primaires et de contrôle de la poussée vectorielle du premier étage de propulsion d’un lanceur spatial. De cette façon, la durée de la phase d’évaluation d’architectures a pu passer d’un ordre de grandeur en jour à un ordre de grandeur en heure / The aim of this thesis is to propose innovative methods for the preliminary design of electromechanical actuators (EMA), and to implement them in software tools rapidly available for the industry. This objective is motivated by a strong demand of the industry, especially in aeronautics within the frame of the development of more electric aircrafts. First, this thesis puts forward a hybrid methodology (top-down/bottom-up) to generate and select systematically architectures with respect to requirements and the state of the art of technology. Second, methods to evaluate architectures in terms of power, integration (geometrical envelop and mass), reliability and closed loop performances are developed. The implementation of these methods is based on non-causal modelling combined to direct and inverse numerical simulations. Scaling laws, representative of the main sizing phenomena, are established to reduce the complexity of the models and the need for domain experts during the preliminary phases. The proposed methods and their implementation within the simulation framework Modelica/Dymola have been applied successfully to the examples of electromechanical actuators for the steering of a nose landing gear, the primary flight control of an aircraft and the thrust vector control of a space launcher. As a result, the duration of the architecture evaluation has been reduced from day-scale to hour-scale

Le développement d’aéronefs « plus » voire « tout » électriques a pour conséquence la conception d’architectures électriques embarquées de plus en plus complexes entraînant une très nette augmentation du nombre de câbles électriques à déployer au sein des véhicules. Parmi les contraintes rencontrées lors des phases de définition et d’intégration des réseaux de câblages, les aspects de compatibilité électromagnétique et de gestion des échauffements thermiques deviennent de plus en plus critiques. Ainsi, ces travaux de thèse sont dédiés au développement d’une méthodologie permettant la prédiction d’une part, des courants induits par et sur les réseaux de câblages et d’autre part, de leur niveaux d’échauffement. En particulier, l’analyse bibliographique effectuée à cette occasion montre que les phénomènes électrostatiques (à la base de la théorie des lignes de transmission) et de conduction stationnaire de la chaleur sont strictement analogues, ce qui autorise une résolution simultanée de ces deux problèmes pour les réseaux de câblages considérés. Les présents travaux démontrent que le calcul des paramètres électriques primaires (p.u.l) du réseau et de la distribution de température dans le plan transverse peut se faire de manière totalement couplé à l’aide d’un schéma numérique basé sur la Méthode des Moments(MoM). Le choix de l’utilisation des équations intégrales pour la résolution de ce problème de potentiel se fonde sur plusieurs avantages tels qu’une utilisation optimisée des ressources de calcul et l’utilisation d’algorithmes efficaces de résolution, de surcroît naturellement parallélisables pour de futurs développements. Les outils de calculs thermiques développés dans le cadre de cette thèse, et qui ont vocation à être intégrés dans la suite logicielle CRIPTE de l’ONERA, ont fait l’objet d’une validation expérimentale pour plusieurs configurations de harnais électriques. Les comparaisons simulations-mesures présentent de bons accords bien que les expérimentations menées aient montré la difficulté d’obtenir précisément des valeurs du coefficient d’échange thermique,même dans des conditions parfaitement maîtrisées. Les travaux ouvrent enfin des perspectives nouvelles sur l’optimisation en terme de masse des réseaux de câblage (EWIS). / The on-going development of “more” or “all” electrical aircraft leads to the design of ever-complex embeddedelectrical networks, which causes a significant increase of electrical cables to be used within these innovativevehicles. Among the constraints encountered during the definition and integration phases of the network, thoserelated to the electromagnetic compatibility between equipment as well as the management of thermal heatingby Joule’s effect become more and more stringent. Thus, this thesis is dedicated to the development of anoriginal methodology enabling the prediction of both induced and crosstalk currents as well as the heating upstate in complex bundles of cables. Indeed, literature review explicitly shows that electrostatic and stationaryheat transfer phenomena are, from a mathematical standpoint, strictly the same which allows the simultaneouscomputation of these two problems for an arbitrary network. This research work demonstrates that the determinationof primary electrical parameters (per unit length) and the temperature distribution within a givencross-section can be handled with the numerical Method Of Moment (MoM). This choice is motivated by theseveral inherent advantages of the method like an optimized use of the computer resource and the naturalparallelization of the algorithms. The developed numerical tools, intended to be fully integrated in the in-housesoftware suite CRIPTE, has been validated during an experimental campaign that has involved several typesof bundles. Although the comparisons between experimental and simulated results comply with each other,experiments reveal the hard task of getting a precise estimation of the heat transfer coefficients, even in awell-controlled environment. Finally, these works open new and very promising perspectives for future EWIS(Electrical Wiring Interconnection System) in term of mass optimization.

Dans le contexte de l’avion plus électrique, les réseaux électriques aéronautiques sont en pleine évolution. Cette évolution est poussée par le besoin d’une intégration à forte densité énergétique ce qui pose des défis aux concepteurs en termes d’architectures, de systèmes et de méthodes de dimensionnement.Un réseau de bord est composé d’un ensemble de systèmes électriques multidisciplinaire qui proviennent de différents fournisseurs dont le design est actuellement effectué en répondant à des standards de qualité spécifiés par l’agrégateur. L’objectif de la thèse est de proposer de nouvelles approches intégrées qui permettent de gérer la complexité des réseaux électriques tout en convergeant vers un résultat optimal, offrant des gains de masses en référence à un design par des « approches mécanistes » reposant sur un agrégat de boucles d’optimisation locales. Une approche multiniveau a été développée en s’inspirant des travaux sur la MDO « Multidisciplinary Design Optimization ». L’élaboration de cette approche a été le résultat d’une expertise accumulée en appliquant différentes méthodes disponibles dans la bibliographie. L’optimisation porte plus spécifiquement sur les filtres d’entrée des charges du réseau ainsi que sur le filtre de sortie du canal de génération du réseau électrique embarqué. L’optimisation multiniveau vise, dans un contexte collaboratif, à itérer entre le niveau agrégateur (niveau réseau) et le niveau équipementier (charges et source du réseau). L’utilisation d’une formulation agrégée au niveau réseau et le respect des causalités au niveau des sous-problèmes sont les principaux atouts de cette approche qui conduit à des solutions proches de l’optimum global de masse de filtres. / Within more electric aircraft context, electric systems and networks have to evolve. High energy density integration pushes designers to reconsider their systems, architectures and tools.An aircraft network contains a large number of multidisciplinary systems which come from different manufacturers. Each manufacturer designs its system separately following quality standards specified by the aggregator. The goal of this thesis is to provide system approaches which could deal with the high-level of complexity of the network while reaching the optimal design of all the system and so reduce the total weight in comparison with mechanistic approaches based on independent optimization loops for the different subsystems.Consulting MDO “Multidisciplinary Design Optimization” researches, we have developed a multilevel approach based on our previous studies and conclusions on classical approaches used in the design of electrical systems. The optimization concerns the input filters of the loads connected to the HVDC bus and the output filter of the generating channel which supply the electric power. The multilevel collaborative optimization allows an automated exchange of data between the aggregator (system level) and manufacturers (sub-system level) and thanks to that, the optimal design of all the system is joined. The strong points of this approach are the aggregated formulation and causality connections between sub-systems.

Les avantages que présentent les systèmes électriques par rapport aux autres systèmes (mécaniques, hydrauliques et pneumatiques) ont permis d’intensifier l’électrification des systèmes embarqués à bord des aéronefs : c’est le concept d’avion plus électrique. Dans ce contexte, l’approche de conception intégrée par optimisation (CIO) de ces systèmes s’avère aujourd’hui une nécessité pour pouvoir répondre aux exigences en termes d’efficacité énergique, de fiabilité et de masse... Dans cette thèse, nous avons appliqué la CIO à une chaine de conversion électromécanique utilisée dans le système de conditionnement d’air d’un avion. Deux objectifs sont ciblés : la minimisation de la masse du système et l’augmentation de son efficacité énergétique. Ces objectifs sont intégrés à diverses contraintes hétérogènes, allant de la qualité réseau au respect de la mission de vol dans le plan couple – vitesse, en passant par la thermique,… Compte tenu de la complexité du système étudié et de son caractère multidisciplinaire, des approches de conception par optimisation dites « MDO » (pour Multidisciplinary Design Optimization) sont étudiées. En effet, au delà des compétences physiques et techniques, la conception intégrée par optimisation des systèmes complexes nécessite des efforts supplémentaires en termes de méthodologies de conception. Nous avons présenté dans cette thèse trois approches : Approches mono-niveau : séquentielle et globale ; Approche multi-niveaux, couplant niveaux système et niveau constituants (filtre, onduleur, machine) ; des formulations adaptées à notre problème de conception sont présentées afin de résoudre les problèmes liés aux optimisations mono-niveau. Les performances des différentes approches de conception sont présentées analysées et comparées. Les résultats obtenus montrent clairement les avantages que présente la formulation multi-niveaux par rapport aux approches classiques de conception. / The benefits of electrical systems compared to other systems (mechanical, hydraulic and pneumatic) are a serious motivation for the electrification of embedded systems in “more electric aircraft”. In this framework, the integrated optimal design of these systems appears necessary to meet requirements in terms of efficiency, reliability and weight reduction. In this thesis, we have applied the integrated optimal design to an electromechanical system used in the air conditioning system of a more electric aircraft. Two objectives are targeted: the minimization of the system weight and the increase of its efficiency. Both objectives are integrated with several heterogeneous constraints, from network quality till flight mission fulfilment in the torque vs speed plan. Because of the complexity of the studied system and its multidisciplinary nature, "MDO" approaches (for multidisciplinary Design Optimization) are studied. In fact, beyond physical and technical skills, integrated optimal design of complex systems requires additional efforts in terms of design methodologies. Three approaches are presented in this thesis: One-level Approaches: sequential and global; Multilevel approach, coupling “system” level with “device” level (filter, inverter, electric machine); a set of formulations adapted to our design problem are presented to solve the issues associated to the one-level approaches. The performance of these design approaches are presented, analyzed and compared. The results clearly show the advantages that involves multilevel formulation compared to conventional design approaches.

Le développement d’avions plus électriques se traduit par une plus grande utilisation d'actionneurs électriques qui remplacent des systèmes hydrauliques et pneumatiques existants ou répondent à de nouveaux besoins. La distribution de l'énergie à bord est basée sur un réseau continu 540V connecté à des convertisseurs électroniques de puissance. Les composants électroniques de puissance à grands gaps (SiC, GaN) améliorent les performances des convertisseurs mais les fronts de tension très raides sont imposés aux bobinages des actionneurs électriques. Chaque front excite un régime transitoire comportant une surtension importante et donc des champs électriques intenses dans l’isolation inter-spires des bobines. Lorsque cette contrainte électrique répétitive dépasse le seuil d'apparition des décharges partielles (PDIV), la durée de vie des couches organiques qui isolent les spires est fortement réduite. L'étude détaillée des décharges partielles (DP) dans l'espace qui sépare les fils émaillés des bobinages permet de situer les zones dans lesquelles les DP se produisent. Elle montre que le thermocollage, avec des surépaisseurs adaptées de thermocolle, permet d'élever le PDIV au-delà des pointes répétitives de tension pour les actionneurs qui fonctionnent dans les parties pressurisées des avions. Des solutions ordonnées de bobinages ont été expérimentées sur des bobines cylindriques imprégnées. Cette analyse montre que l'imprégnation augmente légèrement le PDIV de l'isolation inter-spires dans des proportions qui ne correspondent pas totalement aux caractéristiques intrinsèques du vernis utilisé. Par conséquent, les bobines imprégnées doivent être conçues sur la base des performances de l'isolation primaire du fil émaillé. L’arrangement des spires dans une bobine ordonnée permet de répartir les contraintes et donc de concevoir des bobines qui résistent aux pointes de tension répétitives imposées par l'onduleur aux basses pressions correspondant aux zones non pressurisées d'un avion en vol. Un modèle, basé sur un schéma équivalent HF prenant en considération les deux premières résonances des bobines élémentaires, permet d'analyser la répartition des contraintes entre les bobines connectées en série d'une phase. / The More Electric Aircraft development is reflected by a bigger use of the electrical actuators, which replace the hydraulic or pneumatic system existing or they can also answer to new needs. The energy distribution on board is based on a high voltage continuous bus of 540V connected to electrical power converter. The electric power wide band gap components (SiC, GaN) improve the converters performances but very steep of voltage edge is imposed on the windings of the electric actuators. Each edge excites a transitory regime including an important surge which corresponds to intense electric fields in the inter-turns insulation of coils. When this repetitive electrical constraint exceeds the partial discharges inception voltage (PDIV), the life time of the organic layer between the turns is strongly reduced. The detailed study of the partial discharges (PD) in the area which separate the enamel wire of the windings allows to locate the area where the PD appears. The use of thermo-bonding, with a bonding thickness adapted, allows to raise PDIV beyond the repetitive edge of voltage for the actuators which work in the pressurized parts of the planes. The orderly windings solutions were tested on impregnated cylindrical coils. This analysis shows that the impregnation increases slightly the PDIV from the inter-turns insulation in proportions that do not totally correspond to the intrinsic characteristics of the used varnish. Therefore, the impregnated coils must be conceived on the basis of the primary insulation performance of the enamelled wire. The turn’s arrangement in an orderly coil allows to distribute the constraints and so to conceive the windings which can resist the compulsory repetitive of voltage spikes by the inverter in low pressures corresponding to not pressurized zones in a plane during the flight. A model, based on HF equivalent schema taking in consideration the first two resonances of the elementary coils, allows to analyse the constraints distribution between the coils connected in series of a machine phase.

Dans le domaine aéronautique, la dernière décennie a été marquée par une augmentation constante et progressive du taux d'électrification des systèmes embarqués. L'avion plus électrique est aujourd'hui vu comme un axe d'amélioration majeure pour l'industrie aéronautique permettant d'atteindre des objectifs toujours plus ambitieux : réduction de l'impact environnemental, rationalisation des coûts de maintenance... Dans ce contexte, le réseau de distribution électrique joue un rôle majeur. Les architectes doivent imaginer de nouveaux concepts architecturaux afin d'assurer le " service " de fourniture d'électricité tout en minimisant la masse et le coût. Ainsi les travaux de cette thèse proposent des méthodes d'aide à la conception pour les architectes de réseau. Le manuscrit se divise en 2 parties pouvant être vues comme 2 études distinctes et qui sont introduites dans le chapitre 1. La 1ère partie, traitée dans les chapitres 2 et 3, développe des méthodes et outils afin de résoudre de manière automatique et optimale 2 tâches de l'architecte : la définition des reconfigurations du réseau et l'identification de l'allocation des charges. La formalisation de ces 2 problématiques met en lumière une caractéristique commune : l'explosion combinatoire. Ainsi les résolutions sont réalisées à l'aide de méthodes issues de la recherche opérationnelle. Un processus général est défini afin de traiter les 2 tâches de manière consistante. Les aspects liés à la reconfiguration sont traités à l'aide de : la théorie des graphes pour modéliser la connectivité du réseau, un système expert capturant les règles métiers et la programmation linéaire sélectionnant les reconfigurations les plus performantes. La méthode a été appliquée avec succès sur des réseaux avions existants (A400M et A350) ainsi que sur des réseaux plus électriques prospectifs. La deuxième tâche consistant en l'allocation des charges a été résolue à l'aide de méthodes stochastiques. L'algorithme génétique utilisant une méthode de nichage se révèle être le plus performant en proposant à l'architecte réseau des solutions performantes et variées. La 2ème partie, traitée dans le chapitre 4, s'intéresse à un nouveau concept le " cœur électronique modulaire et mutualisé ". Cet organe de distribution, étroitement lié à l'avion plus électrique, se caractérise par la mutualisation de " m " modules électronique de puissance pour " c " charges électriques. Les méthodes développées dans le chapitre 4 vise à concevoir de manière optimale ce nouveau cœur en ayant 2 degrés de liberté : le nombre " m " de modules et les reconfigurations entre les " m " modules et les " c " charges. De nouveau, la formalisation du problème met en évidence l'explosion combinatoire à laquelle est confronté le concepteur. Le principal objectif de cette étude est de proposer un cadre méthodologique pour la résolution de ce problème de conception. Ainsi une heuristique a été développée pour résoudre ce problème combinatoire. Une attention particulière a été portée pour développer des modèles de composants simples et génériques dans une procédure générale organisée. Enfin une cartographie a été réalisée afin de dégager d'une part les formes de solutions les plus performantes et d'identifier les éléments ayant les impacts les plus significatifs sur la masse du système complet.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans la problématique de développement de transformateurs planar pour l’intégration de puissance, dans le contexte de l’avion plus électrique (More Electric Aircraft – MEA) où les contraintes de volume et de poids sont primordiales. Les composants magnétiques restent en effet un frein à l’intégration des systèmes d’Electronique de Puissance et les composants planar (transformateurs et inductances) offrent une alternative intéressante aux composants bobinés pour la réduction de la taille des convertisseurs.Dans ce manuscrit, des méthodes, un outil de dimensionnement et des prototypes de transformateurs planar (2 et 3 enroulements) en technologie feuillard et PCB sont développés pour des applications de convertisseur DC/DC aéronautique. Dans un premier temps, les modèles permettant le calcul des pertes, l'estimation de l'élévation de température et le calcul de l’inductance de fuite sont présentés et comparés afin de concevoir des outils de calculs pour la conception. Dans un deuxième temps, il est montré que la modification de la forme des angles des spires rectangulaires permet de réduire significativement les pertes cuivre HF. Sur la base de ces outils et résultats, des prototypes de transformateurs planar à 3 enroulements en PCB multicouches sont développés. De nombreux prototypes sont caractérisés et valident les modèles de dimensionnement proposés. Enfin, l’un de ces prototypes est intégré et testé dans un convertisseur de puissance DC/DC de 3.75kW mettant en évidence les gains obtenus. / These thesis works deal with the issue of the planar transformers development for power integration, in the context of the More Electric Aircraft (MEA), where the constraints of volume and weight are paramount. Magnetic components remain a hindrance to the integration of Power Electronics systems and planar components (transformers and inductors) offer an interesting alternative to wound components for reducing the size of converters.In these works, methods, a sizing tool and prototypes of planar transformers (2 and 3 windings) in strip and PCB technology are developed for aeronautical DC / DC converter applications. Firstly, the models allowing the calculation of the losses, the estimation of the temperature rise and the calculation of the leakage inductance are presented and compared in order to design calculation tools for engineers. In a second step, it is shown that the modification of the shape of the angles of rectangular turns makes it possible to significantly reduce the HF copper losses.Based on these tools and results, prototypes of 3-windings planar transformers in multilayer PCBs are developed. Many prototypes are characterized and validate the proposed designing models. Finally, one of these prototypes is integrated and tested in a DC / DC power converter of 3.75kW highlighting the gains obtained.

Depuis des années, les avionneurs sont engagés pour la réduction de l’empreinte environnementale à travers le développement de nouveaux concepts. Ainsi, le remplacement des systèmes hydrauliques (hydraulicless) et pneumatiques (bleedless) de l’avion par des systèmes électriques sont envisagés d’où l’apparition du concept d’avion « plus électrique ». Toutefois, les gains espérés (diminution du coût, de la consommation de carburant ou de la masse) suite à cette substitution ne sont pas si faciles à obtenir, car les technologies précédentes ont bénéficié de plusieurs dizaines d’années de développement et d’optimisation. Les solutions électriques nouvellement proposées doivent donc elles aussi être très abouties pour être véritablement concurrentielles ; tous les degrés de liberté doivent être envisagés, qu’il s’agisse des technologies ou des architectures. En particulier, l’usage d’un nouveau réseau HVDC (540 V) semble être une solution prometteuse. A partir de ce réseau HVDC, les différentes charges AC triphasées sont alimentées par une série d’onduleurs génériques. Compte tenu de la disparité des consommations pendant les différentes phases de vol, le même onduleur peut servir à alimenter plusieurs charges. La connexion entre les onduleurs et les charges est gérée par une matrice de contacteurs. Cette solution innovante considère également des cas de redondance pour augmenter la robustesse de la solution. La conception de ce nouveau système est présentée dans ce rapport de thèse. Le compromis optimal entre le nombre d’onduleurs et la puissance nominale de chaque onduleur doit être obtenu. Ce choix déterminera fortement la taille de la matrice de contacteurs. Cependant, pour adresser cette problématique, il est nécessaire de connaître la masse des différents composants en fonction de la puissance requise. Un environnement de conception est ainsi créé dans le but de réaliser le dimensionnement optimal de convertisseurs de puissance. Les différents composants sont décrits utilisant une approche « directe » et sont codés sous le formalisme « orienté-objet ». Ces modèles sont ensuite validés expérimentalement ou par simulation numérique. Les différents modèles sont couplés à un environnement d’optimisation et à un solveur fréquentiel qui permet une résolution rapide des formes d’ondes du régime permanent. L’environnement d’optimisation réalise le dimensionnement précis des différentes parties de l’onduleur : dissipateur, module de puissance, filtre côté continu et inductance de couplage. Un onduleur est proposé pour différentes puissances nominales et fréquences de découpage. L’optimisation adresse également le choix des différentes technologies. Finalement, les résultats sont utilisés pour déterminer le meilleur compromis entre nombre d’onduleurs et puissance de l’onduleur à partir d’un algorithme heuristique. / In recent years, aircraft manufacturers have been making progress in the design of more efficient aircrafts to reduce the environmental footprint. To attain this target, aircrafts manufactures work on the replacement of the hydraulic and bleed systems for electrical systems leading to a “More Electrical Aircraft”. However, the expected mass gain is a challenge, as previous technologies have been developed and optimized for decades. The new electrical solutions need to be look into detail to be competitive with previous technologies. All degrees of freedom must be considered, that is, new technologies and architectures. In particular, an HVDC network that reduces the number of rectifier stages seems a promising solution. From the HVDC network, the different three phase AC loads will be supplied by a series of power generic inverters. As the power consumption of the different loads change during the flight mission, the same inverter is used to supply different loads. The connection between the inverters and the loads is managed by a matrix of contactors. The proposed solution also considers redundant configurations, thus increasing system robustness. The design of the innovative system is presented in this document. That is, determining the optimal trade-off between the number of power inverters and the nominal power of each generic inverter that will also impact the size of the matrix of contactors. However, to assess the combinatory problem, the mass of the different components as a function of the nominal power needs to be calculated. A design environment is therefore created to perform automatic and optimized design of power converters. The different components are described using a “direct modelling” approach and coded using “object-oriented” programming. The components are validated experimentally or by numerical simulations. The different models are coupled to an optimization environment and to a frequency solver allowing a fast calculation of the steady-state waveforms. The optimization environment performs the precise design of the different parts of the power inverter: heatsink, power module, DC filter and coupling inductor. The power inverter is designed for different values of nominal power and switching frequency. The optimization assesses as well the usage of different technologies. Finally, the results are used to determine the optimal trade-off between the number of inverters and the nominal power of each inverter using a heuristic algorithm.