Le développement des convertisseurs d'électronique de puissance pour les applications aéronautiques nécessite de travailler sur les modules de puissance. Le but est d'obtenir des systèmes fiables et compacts, points qui sont critiques dans les applications embarquées. Le dimensionnement reste un point délicat à cause de la multitude des composants présents et des physiques mises en jeu. L'étude s'intéresse à la modélisation des phénomènes liés aux aspects thermiques et à la compatibilité électromagnétique. Son originalité porte sur l'optimisation des solutions réalisées qui réduit simultanément, dès la phase de conception, les disparités thermiques et les courants perturbateurs. Ce travail s'inscrit parfaitement dans le cadre du prototypage virtuel des convertisseurs. Dans un second temps, deux solutions ont été proposées pour réduire encore plus l'émission des courants perturbateurs. Ce travail constitue une avancée importante dans la conception des convertisseurs.

Le sujet concerne l'utilisation de techniques de traitement du signal assez classiques (filtrage de wiener) pour permettre de reconstituer les perturbations CEM conduites émises par un convertisseur d'électronique de puissance. Ce travail va dans le sens d'une meilleure compréhension des perturbations générées par ces systèmes complexes, et pourra déboucher sur une amélioration de ces convertisseurs, sur un plan des lois de commande et des modes de commutation notamment. La méthode est développée et validée sur une simple cellule de commutation (Boost), puis mise en œuvre sur un onduleur de tension commandé en PWM, PDM et finalement, utilisant la résonance

L'électronique de puissance relève encore beaucoup à l'heure actuelle de l'artisanat. Selon les habitudes du concepteur, son expérience passée ou ses liens avec les sous-traitants, à un cahier des charges donné correspondront plusieurs structures, plusieurs technologies de fabrication, sans qu'on puisse réellement déterminer a priori laquelle est la meilleure. Le but de ce mémoire est de faire le point sur ce qu'il est raisonnable de vouloir simuler aujourd'hui (et demain) en électronique de puissance, afin d'aider cette discipline à sortir de l'ère du prototype, et, un peu à l'instar de la microélectronique, de concevoir juste, du premier coup. Deux grandes parties sont abordées pour traiter de la modélisation des semiconducteurs, des composants passifs (y compris les imperfections dues à la connectique) et de CEM: des modèles dits d'analyse, pour essayer d'être le plus précis possible dans la représentation des phénomènes multiples intervenant dans la commutation, et des modèles de conception, beaucoup plus simples mais permettant de dégager les paramètres importants et les tendances d'évolution. Ces deux approches complémentaires devraient rapidement permettre de mettre au point des outils de pré validation de cahier des charges, de pré dimensionnement de convertisseurs, qui seront ensuite affinés par un véritable "prototype informatique", utilisant les modèles fins des acteurs de la commutation.

Un des enjeux importants de ces dernières années est l'optimisation des structures. Ce travail de thèse propose une méthodologie de pré-dimensionnement pour les convertisseurs statiques. Celle-ci se veut être la plus générale possible et s'appuie sur la mise au point de modèles analytiques simples sur lesquels le compromis précision-rapidité a été imposé. Une analyse des différentes méthodes de modélisation a donc été effectuée pour les différents phénomènes physiques en présence (Compatibilité électromagnétique CEM, ondulation, dynamique, thermique, volume..) ainsi qu'une validation sur une application hacheur synchrone dédiée à l'automobile. Plusieurs stratégies d'optimisation ont été évaluées, et leur influence sur les modèles utilisés a été analysée. Cette démarche permet non seulement de trouver une solution technologique viable mais permet aussi de faire un retour sur cahier des charges.

L'objectif de cette thèse est l'étude de l'immunité des circuits intégrés complexes face aux perturbations électromagnétiques. Le début est consacré à la présentation de la compatibilité électromagnétique des circuits intégrés. Une présentation des moyens de maîtrise de la CEM est ensuite donnée. Les principaux thèmes que sont la modélisation, l’optimisation et la mesure sont exposés. L'étude se poursuit par l'établissement d'une méthodologie de construction d'un modèle d'immunité appliquée à un circuit convertisseur. Cette méthodologie s’inspire de la proposition de norme ICIM-CI pour bâtir successivement les différents blocs du modèle d’immunité. Une attention particulière est donnée à la modélisation du mécanisme de défaillance, celui-ci permettant d’obtenir les résultats d’immunité. Les résultats fournis par le modèle sont ensuite comparés puis validés par des mesures sur circuit. Enfin des études complémentaires, portant sur des circuits plus complexes, permettent de proposer des améliorations et perspectives nouvelles pour la démarche de modélisation. / The main objective of this thesis is the study of integrated circuits immunity against electromagnetic interference. The beginning is devoted to the presentation of the electromagnetic compatibility of integrated circuits. The tools enable the mastery of EMC are then presented. The main themes of modelling, optimization and measurement are exposed. The study continues by establishing a methodology for building a model of immunity applied to a converter circuit. This methodology is based on the proposed standard ICIM-CI to build successively the different blocks of the model of immunity. A particular attention is given to the description of the failure mechanism because it leads to the final results of immunity. The results from the model are then compared and validated by measurements on the circuit. Finally further studies on more complex circuits can suggest improvements and new perspectives for the modelling approach.

Dans la conception d’un système en électronique de puissance par exemple dans le cas d’un convertisseur ou d’un filtre CEM, les problèmes de la compatibilité électromagnétique ne sont pris en compte que lors de la phase finale durant des tests de vérification et de certification du système. Ainsi un prototype non-conforme à ces tests va engendrer des surcoûts importants ou l’adoption de solutions de « secours » non nécessairement reproductibles et surtout non satisfaisantes car elles impliquent dans la majorité des cas l’ajout d’éléments initialement non prévus (filtres, blindages, ‘). Aussi, il s’avère important et utile d’étudier les problèmes de la CEM dès la phase de conception, c’est l’objectif principal de ce travail de recherche.L’objectif de ce travail est d’établir des modèles permettant de prédire le couplage en champ proche entre les systèmes ou les sous systèmes, comme par exemple entre les éléments constituant un convertisseur. Cette « brique élémentaire » de modélisation est un élément actuellement manquant pour contribuer à la modélisation globale des systèmes d’électronique de puissance d’un point de vue CEM. Pour ce faire, il suffit de recréer le champ électromagnétique rayonné par chacun des systèmes, qui sera représenté comme une source équivalente.Ces sources équivalentes seront utilisées pour calculer le couplage entre les différents éléments en fonction de la distance et de leur placement respectif. La détermination de ces différents couplages nous aidera à mieux optimiser la position des différents composants au sein de la structure pour minimiser les perturbations et augmenter son efficacité.Le modèle construit qui représente le rayonnement en champ proche des différents éléments nous permettra de fournir des bibliothèques qui seront intégrées par la suite dans un logiciel de type circuit, pour une modélisation « globale » du système. / To design a system in power electronics, for instance a converter or an EMC filter, the problems of electromagnetic compatibility are taken into account during the final phase of testing, verification and certification of the system. The aim of our research is to consider the problems of EMC early in the design flow of a product. The objective of this work is to develop models to predict the near-field coupling between systems or subsystems, such as between elements of a converter. To do this, it is important to re-create the electromagnetic field radiated by each system, which will be represented as equivalent source. These equivalent sources are used to compute the coupling between the different elements depending on the distance and their respective position. The determination of these couplings can allow optimizing the position of the components in the structure to minimize the electromagnetic interferences and increase the performance of the system. The method used for the implementation of this approach is the multipolar expension, it can model the influence of generic structures (coils, capacitors, ...) in a spherical reference (r,θ, φ).This representation allows the construction of equivalent field sources for each element. For information or to validate some of our equivalent models, we used the software Flux3D®which is a calculation tool based on the finite element method, developed by CEDRAT andG2Elab.Furthermore, it was important to use a measurement protocol that allows us to inform or validate our models if we do not know all the electrical and geometrical parameters of the system or when the system have a too complex geometry to be modeled numerically in 3D.A measurement bench that can directly measure the components of the decomposition in spherical harmonics is used. The constructed model which represents the near-field radiation of the different elements will allow providing libraries that will be integrated later in a circuit software.

Les interférences électromagnétiques intentionnelles (IEMI) consistent à tirer parti de la vulné-rabilité EM d’un système électronique afin de le contraindre à se mettre dans un mode de dys-fonctionnement déterminé ou non. De nombreuses sources ont été conçues depuis les années 90 et ont prouvé qu’elles sont capables de faire dysfonctionner un véhicule.Dans ce contexte, la problématique de cette thèse est de proposer une méthodologie permet-tant l’étude de la vulnérabilité des systèmes électriques ou électroniques d’un véhicule automobile vis-à-vis d’attaques électromagnétiques intentionnelles. Deux parties principales ont été néces-saires afin de proposer une méthodologie permettant de prendre en compte la menace IEMI dans la conception des prochains véhicules.La première partie a tout d’abord permis d’obtenir, par simulation numérique, les formes d’ondes des courant induits sur des faisceaux automobiles positionnés dans un véhicule pour n’importe quelle configuration d’attaque IEMI. Grâce à ces résultats, une quantification de ces courants en termes de formes d’ondes temporelles et de niveaux d’amplitude probables a été réalisée et a permis d’analyser le risque IEMI pour un constructeur automobile.La seconde partie a permis de prendre en compte la menace IEMI en développant un banc d’essai sur table conçu d’après les résultats de l’analyse de risque de la première partie. Deux solu-tions de bancs d’essais adaptés aux signaux IEMI ont été proposées afin de pouvoir tester les équipements automobiles par rapport aux IEMI probables lors d’une attaque sur véhicule. / Intentional electromagnetic interferences (IEMI) consist of taking advantage of the EM vul-nerability of an electronic system in order to force it to put itself in a dysfunction mode. Many sources have been designed since the 90s and have proven that they are able to disrupt a vehicle.In this context, the goal of this thesis is to study the vulnerability of electric or electronic sys-tems of a vehicle to cope with intentional electromagnetic attacks. Two main parts were needed to propose a methodology to consider the IEMI threat in the design of the future vehicles.The first part allowed to obtain, by numerical simulation, the waveforms of the currents in-duced on automotive wire harnesses located in a vehicle for any IEMI attack configuration. Thanks to these results, a quantification of these currents in terms of waveform characteristics in time-domain and probable amplitude levels was realized and allowed to analyze the IEMI risk for a car manufacturer.The second part considered the IEMI threat by developing a table test bench designed ac-cording to the results of the risk analysis of the first part. Two test bench solutions adapted to IEMI signals have been proposed in order to test automotive equipment with the probable IEMI interferences during an attack on a vehicle.

This thesis deals with problems of electromagnetic fields' simulations in the aerospace industry. Electromagnetic effects of the external environment that maybe met during a standard flight (high-intensity radiated fields and lightning strike) are described hereinafter with a reference to their simulations on a digital mockup. A brief summary of the nowadays methods and solvers in computational electromagnetics to be practically used for the modeling and simulations in this field is elaborated as a base for the following parts of the diploma task. The next goal was to create a convenient model simulation of the researched object semi-composite aircraft EV55, on which chosen computing methods will be compared with the results of the real measuring.

Over the past 20 years, the development in ComputationalElectromagnetics has produced a vast choice of methods based onthe large number of existing mathematical formulations of theMaxwell equations. None of them dominate over the others,instead they complement each other and the choice of methoddepends on the frequency range of the electromagnetic waves.This work is focused on the most popular method in the highfrequency scenario, namely the Geometrical Theory ofDiffraction (GTD). The main advantage of GTD is the ability topredict the electromagnetic field asymptotically in the limitof vanishing wavelength, when other methods, such as the Methodof Moments, become computationally too expensive. The low cost of GTD is due to both the fact that there is noruntime penalty in increasing the frequency and that the raytracing, which GTD is based on, is a geometrical technique. Thecomplexity is then no longer dependent on electrical size ofthe problem but instead on geometrical sub problems which aremanageable. For industrial applications the geometricalstructures, with which the rays interact, are modelled bytrimmed Non-Uniform Rational B-Spline (NURBS) surfaces, themost recent standard used to represent complex free-formgeometries. Due to the introduction of NURBS, the geometrical subproblems tend to be mathematically and numerically cumbersome,but they can be highly simplified by proper Object Orientedprogramming techniques. This allowed us to create a flexiblesoftware package, MIRA: Modular Implementation of Ray Tracingfor Antenna Applications, with an architecture that separatesmathematical algorithms from their implementation details andmodelling. In addition, its design supports hybridisationtechniques in combination with other methods such as Method ofMoment (MoM) and Physical Optics (PO). In a first hybrid application, a triangle-based PO solveruses the shadowing information calculated with the ray tracerpart of MIRA. The occlusion is performed between triangles andtheir facing NURBS surfaces rather than between their facingtriangles, thus reducing the complexity. Then the shadowinginformation is used in an iterative MoM-PO process in order tocover higher frequencies, where the contribution of theshadowing effects, in the hybrid formulation, is believed to bemore significant. Thesis presented at the Royal Institute of Technology ofStockholm in 2003, for the degree of Licentiate in ScientificComputing. / NR 20140805

Ces travaux portent sur la faisabilité de l'établissement d'un réseau Courant Porteur de Ligne (CPL) pour transmettre des données de maintenance prédictive dans le domaine aéronautique. Le CPL est identifié comme solution afin d'augmenter le nombre d'informations échangées sans modifications du câblage déjà présent dans l'avion. L'approche adoptée au cours de cette thèse porte sur l'adaptation des solutions CPL existantes sur le marché afin qu'elles puissent être déployées sur un réseau avionique classique. Ces modifications doivent respecter les normes aéronautiques qui intègrent notamment sur la protection foudre (DO-160) et les mécanismes de couplage pour assurer la liaison de communication sur les lignes de puissance. Des expérimentations ont été réalisées pour vérifier les performances que les solutions CPLs pourraient attendre en utilisant le ratio signal sur bruit (SNR) comme paramètre de comparaison.Un montage permettant de respecter à la fois la contrainte de protection à la foudre et le fonctionnement des transmissions CPM a été identifié et évalué par le biais de simulations et d’expérimentations en laboratoire. Ce montage nous a permis d'augmenter le SNR de la liaison CPL jusqu'à 40dB. Les circuits de couplage présents sur les modems CPL du commerce ont été optimisés afin de mieux s'adapter à l'environnement aéronautique. La conception de ces circuits sont complètement décrites, dont notamment la réalisation du transformateur HF permettant l'adaptation d'impédance. Une fois les modifications effectuées, nous avons réalisé une série de mesures d’émissions conduites générées les chipsets afin de vérifier leur conformité aux normes CEM DO-160. Les tests ont porté sur des modems classiques et des modems modifiés liés à un équipement classique avionique. Ces tests nous ont montré que, sans les modifications proposées au niveau du circuit de couplage, il est impossible de communiquer sur des lignes fortement bruitées. Dans le cas de bruits générés à la limite de la norme DO-160, notre modem modifié atteint un débit de 46 Mbps en émission et 36 Mbps en réception. Dans cette dernière manipulation, nous atteignons dans un pire cas de perturbations un débit supérieur à celui de notre cahier des charges. / This work focuses on the feasibility of a Power Line Communication (PLC) network for transmitting predictive maintenance data on avionics power lines. PLC is identified as a solution to increase the number of information exchanged without modification of the wiring already present in the aircraft. The approach taken in this thesis deals with the adaptation of existing PLC solutions on the market so that they can be deployed on a conventional avionics network. These modifications include lightning protection and coupling circuits to ensure the communication over the power network. Experiments were conducted to verify the performance that PLC solutions could expect by using the signal-to-noise ratio (SNR) as a comparison paramater.A circuit allowing to respect lightning protection constraints and that allow PLC transmissions has been identified and evaluated by means of simulations and laboratoy experiments. This modificatiosn allowed us to cincrease the SNR of the PLC link up to 40dB. Coulpling circuits on commercial CPL modems have been optimized to better adapt PLC signal to the avionic environment. The design of these circuits is completely described, including the realization of the HF transformer for impedance matching. Once the changes were made, we performed a series of conducted emissions measurements that generated the chipstets to verify their compliance with the CEM DO-160 standarts. The tests focused on conventional modems and modified modems related to conventional avionics equipment. These tests showed us that, without the proposed modifications at the level of the coupling circuit, it is impossible to communicate on very noisy lines. In the case of noise generated at the limit of the DO-160 standart, our modified modem achieves a data rates of 46 Mbps for transmission and 36 Mbps for reception. In this last manipulation, we reach in a worse case of disturbances a data rate higher than the specifications needed.