Les structures de conversion d'énergie trouvent de plus en plus leur place dans des produits grand public. Ce marché étant fortement concurrentiel, les efforts des industriels sont concentrés sur la réduction de leurs coûts et l'augmentation de leur fiabilité. Un moyen pour répondre à ces contraintes est l'intégration des structures de conversion d'énergie. Ce mémoire de thèse traite le sujet de l'intégration monolithique des fonctionnalités autour des interrupteurs semi-conducteurs de puissance. L'étude est plus particulièrement portée sur l'intégration de l'alimentation de la commande rapprochée. Deux solutions techniques, distinctes et complémentaires, toutes les deux intégrables, ont été développées. Des méthodes de dimensionnement et de conception sont présentées, tenant compte des conditions et des contraintes technologiques propres aux composants de puissance à structure verticale. La première solution contenant deux composants MOSFETs a été étudiée sur la base de simulations et de réalisations expérimentales. Cette solution a été testée avec des composants discrets et avec les composants réalisés. La seconde solution contient un MOSFET et un JFET. Cette dernière a été présentée et étudiée quasi exclusivement à base de travaux de simulations. Plusieurs "familles" de prototypes ont été conçues, dimensionnées et réalisées avec pour objectif de valider le concept, la démarche de conception, les principes de fonctionnement et "l'intégrabilité" d'une fonction d'auto-alimentation.

Ces travaux de thèse portent sur la conception et la réalisation d'un circuit générique de commandes rapprochées pour les transistors à grille isolée, notamment pour les MOSFETs et les IGBTs, compatible avec différentes structures de conversion d'énergie de l'électronique de puissance. L'objectif principal est de concevoir un système de commande simple à mettre en oeuvre, compact, intégrable et configurable pouvant servir un panel varié d'applications dites multi transistors. Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres : état de l'art de la commande rapprochée des transistors à grille isolée, présentation et validation d'une nouvelle topologie de commande rapprochée à base de transformateur d'impulsion, présentation et validation d'une version améliorée pour travailler à large spectre de fréquence et de rapport cyclique, conception et validation du circuit de commande générique contenant une puce intégrée en technologie CMOS et 6 transformateurs d'impulsions planars. Les champs d'application de ce concept du driver sont multiples, celui-ci favorise la simplicité de la conception et de la mise en oeuvre des systèmes de commande pour l'électronique de puissance.

Dans cette recherche, l'auteur met l'accent à la fois sur une optimisation de la conception pour une (MV-MMC: Medium Voltage Modular Multilevel Converter) utiliser comme un DC/AC ou AC/DC et à deuxième fois sur la grille pour les modules IGBT qui sont utilisés dans ce type d'application. Par exemple, les convertisseurs de MMC sont utilisés dans les systèmes d'alimentation des navires électriques avec les buses de moyenne tension de courant continu (en anglais: medium-voltage direct current (MVDC)). Pour une telle application, selon le document IEEE, la tension du bus DC peut être jusqu'à 35kV. Par conséquent, les systèmes de commande rapprochée pour piloter le grille des modules IGBT pour les applications MVDC-MMC sont des principaux problèmes en termes d'architectures et des besoins de haute isolation galvanique. Ainsi, cette thèse fournit des solutions pour répondre à ces problèmes. L'étude inclut également les études d'un matériau diélectrique qui est utilisé comme matériau d'isolation. Les résultats des essais expérimentaux d'un matériau diélectrique proposé pour différentes épaisseurs des couches pour maintenir des niveaux de tension d'isolation sont également fournis pour valider clairement cette étude. En effet, un convertisseur MMC compose d'un certain nombre de cellules de conversion connectés en série. Une cellule (sous-module de convertisseur) est classiquement constitué de deux modules IGBT. Sur la base de la topologie de la cellule, l'architecture d'un pilote de grille contestée pour les modules de puissance à semi-conducteurs est proposée et comparée à celle classique en termes de besoins des niveaux de tension d'isolation galvanique, la taille de la cellule de convertisseur, etc. / In this research, the author focuses on both a design optimization for a Medium Voltage Modular Multilevel Converter (MV-MMC) use as a DC/AC or AC/DC converter and gate drivers systems for IGBT modules which are used in this kind of application. For example, the MMC converters are used in Medium-Voltage Direct Current (MVDC) electrical ship power systems. For such application, according to IEEE document, the DC bus voltage can be up to 35kV. Hence, gate drivers’ systems for IGBT modules for MVDC-MMC applications are major concerns in terms of architectures and insulation voltage capabilities. Thus, this dissertation provides solutions to answer these problems. The study also includes the studies of a dielectric material which is used as insulation material. The results of experimental tests of a proposed dielectric material for different layers thicknesses to sustain different insulation voltage levels are also provided to clearly validate this study. Actually, a MMC converter composes of a number of converter cells connected in series. One cell (converter’s sub-module) is classically composed of two IGBT modules. Based on the cell topology, a challenged gate driver’s architecture for power semiconductor modules is proposed and compared to the classical one in terms of high and low galvanic insulation voltage levels’ requirements, converter’s cell size, etc.

Dans un contexte de réduction des émissions de CO2 dans les systèmes industriels et d’amélioration de leur efficacité énergétique, les chauffages par induction répondent à ces critères. Le procédé consiste à plonger un corps conducteur d’électricité dans un champ magnétique variable, induisant ainsi des courants au sein de la pièce qui se met alors à chauffer par effet Joule. Cette technologie présente l’avantage d’atteindre des températures élevées de manière précise et rapide, sans contact avec la source d’énergie. Si aujourd’hui le contrôle de tels procédés passe par la structure mécanique du chauffage, de nombreuses études ont montré que l’association de plusieurs bobines alimentées par des systèmes d’électronique de puissance fournit une souplesse dans le contrôle des profils de température et une flexibilité vis-à-vis des pièces traitées. Ce travail présente deux systèmes de chauffage par induction. Le premier est un prototype réalisé par EDF considérant trois inducteurs alimentés par trois onduleurs à résonance. Nous nous y intéresserons plus particulièrement par la suite. Le second, en cours de réalisation, met en jeu six inducteurs pour du chauffage au défilé. Leurs caractéristiques, leurs alimentations et leurs fonctionnements sont abordés pour ensuite mettre en place deux modélisations des phénomènes électriques, l’une sous forme de fonctions de transfert, la seconde dans l’espace d’état. L’objectif final est le développement d’une alimentation auto-adaptative capable de contrôler en temps réel le profil de puissance injecté dans les pièces à chauffer afin d’atteindre un profil de température requis avec le minimum d’énergie consommée. L’étude se poursuit avec un inventaire des solutions existantes en termes de commande en boucle ouverte et en boucle fermée des systèmes mono-inducteurs, ainsi que des travaux, plus rares, pour les chauffages multi-inducteurs. De plus, des études ont montré que le contrôle de la température à la surface d’une pièce à chauffer passait par le contrôle des courants dans les inducteurs, en amplitude mais également en phase. C’est pourquoi nous proposons des lois de commande pour asservir les courants dans les inducteurs. Une routine d’optimisation fournit les amplitudes et les phases des courants dans les trois inducteurs permettant d’obtenir le profil de température le plus proche d’un profil de référence. Nous l’avons modifiée de façon à tenir compte de solutions énergétiquement optimisées en intégrant les pertes dans les interrupteurs et les inducteurs. Deux lois de commande originales sont proposées. La première étudie une commande robuste dans l’espace d’état par placement de vecteurs propres. La seconde met en jeu des correcteurs résonants qui confèrent à la boucle du système un module de gain infiniment grand à la fréquence de résonance de sorte qu’ils effacent les effets des perturbations agissant à cette même fréquence. Les méthodes de synthèse de ces correcteurs sont échantillonnées avec un très faible rapport fréquence d’échantillonnage/fréquence de résonance ; les performances sont détaillées et analysées pour le prototype à trois inducteurs. Pour tester plus facilement et valider en partie les lois mises en place, un simulateur analogique a été conçu, sorte d’émulateur reproduisant le comportement des courants dans les inducteurs et des tensions à leurs bornes. Il se base sur la modélisation sous forme de fonctions de transfert et ne comprend donc pas d’onduleur. Par l’intermédiaire d’une carte dSPACE intégrant un DSP, nous avons implanté et validé les deux lois de commande robustes sur le simulateur analogique. Par la suite, pour se rapprocher du système réel, nous avons mis en place une commande rapprochée transformant les trois signaux de commande en sortie des correcteurs vers les rapports cycliques des douze interrupteurs des convertisseurs alimentant les inducteurs. Cette étape a été validée par des essais expérimentaux réalisés en parallèle de nos études. / In the context of reducing carbon dioxide emissions in industrial systems and improving their energy efficiency, induction heaters meet these criteria. The method consists in immersing an electrically conductive body in a variable magnetic field, inducing currents within the piece which then begins to heat by Joule effect. This technology has the advantage of reaching high temperatures accurately and quickly, without contact with the power source. Today the control of such works with mechanical structures. But many studies have shown that the combination of several coils supplied by electronic power systems provides flexibility in controlling temperature profiles and flexibility towards the treated parts. This paper presents two systems of induction heating. The first is a prototype made by EDF considering three inductors supplied by three resonant inverters. We will focus more specifically later on this prototype. The second one, in progress, involves six inductors for scrolling heating. Their characteristics, their power supplies and their functions are discussed and then set up two models of electric phenomena, one form of transfer functions and one form in the state space. The final objective is the development of a self-adaptive power able to control real-time power profile injected into parts of heating to achieve a temperature profile required with minimum energy consumption. The study goes on with a list of existing solutions in terms of open-loop control and closed-loop control for single inductor system, as well as few rarer works for multi-inductors heaters. In addition, studies have shown that control of the surface temperature of the piece to be heated passes by the control of currents in the inductors, in magnitude but also in phase. That is why we propose control laws for controlling inductor currents. An optimization routine provides the magnitudes and phases of the currents in the three inductors to obtain the temperature profile closer to a reference profile. We modified it to take into account energy optimized solutions by integrating the losses in the switches and inductors. Two original control laws are proposed. The first one studies a robust control in the state space by placing eigenvalues and eigenvectors. The second one involves resonant markers that give the system loop gain module infinitely large at the resonant frequency so that they erase the effects of disturbances acting at the same frequency. The methods of synthesis of these markers are sampled with a very low sampling frequency / resonant frequency ratio; performance are detailed and analyzed for the prototype with three inductors. So as to test and validate easily some of the studied laws, an analog simulator was designed, a kind of an emulator, which reproduces the behaviour of the currents in the coils and the voltages at their terminals. It is based on the transfer function model and therefore does not include inverters. Through a dSPACE card integrating a DSP, we have implemented and validated the two robust control laws on the analog simulator. Thereafter, in order to be closer to the real system, we have established a close control which turns the three control signals toward the duty cycles of the twelve switches of the converters supplying the inductors. This step was validated by experimental tests carried out in parallel with our studies.

La variation de vitesse des machines électriques est une application très porteuse de l’électronique de puissance. La solution de conversion la plus répandue consiste à connecter en cascade deux convertisseurs statiques et d’effectuer une double conversion (AC/DC/AC). Une autre solution, faiblement répandue dans l’industrie, effectue une conversion directe AC/AC. Ce mémoire effectue une synthèse sur les solutions de conversion directe ainsi que sur les stratégies de modulation des convertisseurs matriciels et matriciels « double étage » dans le but de piloter des machines électriques triphasées à partir d’un réseau alternatif triphasé. Cette synthèse a permis de développer une modulation scalaire généralisée, associée à un modulateur par porteuse, équivalente à la modulation vectorielle et applicable aux différents convertisseurs matriciels. Les modulations, à nombre de commutation réduit par période de découpage, ont été approfondies. Cette généralisation a permis de mettre en évidence une solution réduisant les pertes et améliorant le comportement électromagnétique du dispositif comparativement aux modulations traditionnellement utilisées. La présentation des contraintes réelles (commande rapprochée des interrupteurs, Les protections ainsi que le filtrage) est abordée et a été utilisée pour développer une maquette laboratoire. Les stratégies de modulation ont été implantées expérimentalement et valident l’étude théorique. Enfin, un fonctionnement direct à la fréquence réseau, sans modulation donc à faibles pertes, est proposé. Un fonctionnement particulier est introduit, permettant d’effectuer le transitoire du mode modulé classique au fonctionnement direct non modulé / In the power electronics field, the adjustable speed drives is a growing application for electric motors control. The most common conversion solution is to connect in series two static converters and perform a double conversion (AC/DC/AC). Another solution, hardly proposed by industry, uses a direct AC/AC conversion. This thesis aims to make a direct conversion solutions and matrix converters and ‘‘two stage’’ matrix converters modulation strategies synthesis for the purpose to control three-phase electric motor with a three phase input network. This synthesis has developed a generalized scalar modulation, combined with a carrier wave modulator, equivalent to the space vector modulation and applied to matrix converters and the ‘‘two stage’’ matrix converters. Some attention has been done to reduced the switching number during the modulation period. The generalization allows to propose a modified modulation which reduces the losses and improves the electromagnetic performance compared to the traditional modulations used for these kind of converters. The practical constraint (switches control, protection system and filtering) are discussed and has been used to develop a laboratory prototype. The modulations strategies have been implemented experimentally and validate the theoretical study. Finally, a direct function mode with an equal frequency between the input and output network is proposed, without modulation and therefore low losses. In the last part, a particular operation mode is then introduced, permitting the transient operation between the modulated conventional mode to the direct mode without modulation