Les normes électriques liées aux harmoniques réseau exigent une "qualité" de fonctionnement qui poussent à utiliser des structures de conversion plus "propres". Les redresseurs à prélèvement sinusoïdal répondent à ces nouvelles contraintes. Néanmoins ces structures repoussent le problème dans les hautes fréquences, domaine lui aussi soumis à certaines contraintes. Pour en parfaire la qualité de fonctionnement, il devient de plus en plus nécessaire d'en étudier le comportement haute fréquence laissé de côté jusqu'à présent. Ce travail présente un nouveau moyen d'étude des perturbations conduites créées par les redresseurs de courant commandés permettant de limiter les problèmes liés à la double échelle de temps (fréquence réseau et fréquence de découpage). Basé sur deux concepts (linéarisation et modélisation fréquentielle), il est applicable dans le cas des structures à entrée en courant. Une première partie présente les principales structures et modes de fonctionnement de cette famille de convertisseur. L'une d'elle, "le redresseur à injection dans neutre artificiel" fait l'objet d'une étude plus détaillée. TI s'en suit une présentation des aspects CEM conduits en électronique de puissance et la description de la démarche de modélisation fréquentielle. Plusieurs remarques liées au comportement perturbateur des redresseurs sont faites. Le modèle fréquentiel est alors appliqué au redresseur mono-interrupteur en conduction continue. Celui-ci est validé (comparaisons théoriques et pratiques) puis utilisé à la caractérisation des perturbations conduites. Une étude des moyens de filtrage est alors proposée. Un dernier chapitre est consacré à l'étude du redresseur monophasé en pont complet. Une fois le modèle fréquentiel établi et validé, une étude du comportement fonctionnel de cette structure est proposée. TI est montré que les niveaux de perturbations conduites peuvent être fortement réduits selon les choix fonctionnels et structurels à faire.

Cette étude est consacrée au développement d'outils logiciels dédiés à la Conception Assistée par Ordinateur des convertisseurs statiques non isolés, prenant en compte les aspects de compatibilité électromagnétique.<br />Nous présentons d'une part les modèles de composants silicium utilisés et d'autre part notre contribution à la modélisation du circuit imprimé et au développement des outils logiciels associés, dans l'objectif de parvenir à la constitution de modèles " Circuit ". Les modèles de composants actifs sont adaptés aux contraintes propres à la simulation en C.E.M. La modélisation du circuit imprimé est basée sur la méthode des fils-fins, méthode monodimensionnelle issue de la théorie des lignes. Enfin, un outil logiciel permet de constituer la librairie SPICE des différents segments de piste imprimé, qu'ils soient couplés ou non. Le modèle électrique complet du convertisseur ainsi obtenu permet de simuler et d'étudier sous SPICE son comportement électrique et CEM.<br />La bonne concordance obtenue entre les résultats mesurés et simulés, tant de l'admittance présentée par le circuit imprimé que des spectres des courants de perturbations conduites, permet de valider cette approche de modélisation, ainsi que la démarche d'étude des perturbations conduites dans un convertisseur non isolé..

Dans les domaines industriels et en particulier celui du transport, le nombre et la puissance des équipements électriques et électroniques embarqués est en constante augmentation. L'alimentation des équipements électriques et la commande de ces actionneurs nécessitent l'utilisation de convertisseurs d'électronique de puissance à découpage dont la nature perturbatrice n'est plus à démontrer. Afin de prendre en compte la CEM dès la phase de conception d'un produit, les constructeurs doivent disposer d'outils dédiés à la CEM ou à défaut de règles ou techniques de conception spécifiques. C'est dans l'optique de répondre à ces besoins que se sont orientés ces travaux de thèse.La première partie des travaux traite de la modélisation des perturbations conduites des organes de puissance d'une chaîne de traction : un ensemble convertisseur / machine synchrone à rotor bobiné. Cette étude a conduit à un modèle CEM générique d'une structure non isolée quelconque d'électronique de puissance. La deuxième partie a permis de développer une nouvelle méthode de calcul qui ouvre de réelles perspectives quant à la réduction des temps de calcul. Par l'observation et l'étude de signaux sur différents horizons temporels, une technique de reconstitution des perturbations de mode commun par convolution a été proposée. Une troisième partie, consiste à synthétiser les sources de perturbations grâce à l'élaboration de fonctions de transfert décrivant le comportement haute fréquence d'une cellule de commutation. Cette approche immédiatement exploitable en simulation numérique se distingue dans la mesure où elle permet de s'affranchir des non linéarités intrinsèques des composants semi-conducteurs.

Les matériaux absorbants électromagnétiques, ou " Radar Absorbing Materials " (RAM), ont été créés à la fois aux USA et en Allemagne lors de la seconde guerre mondiale. Les applications des absorbants appartiennent principalement aux domaines de la Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) et de la discrétion radar. Ces absorbants sont lourds et encombrants. Au travers de cette thèse, nous cherchons à développer une solution pour pallier à ces inconvénients grâce aux absorbants à métamatériaux. Les métamatériaux sont des composites artificiels présentant des propriétés électromagnétiques que l'on ne retrouve pas dans la nature. En utilisant ce type de matériaux, nous pouvons obtenir des absorbants ultras fins, et par l'optimisation et la conception couvrir des bandes larges en fréquence. Nous proposons donc plusieurs formes basiques d'absorbant à métamatériaux. De ces formes, nous présentons un modèle théorique et développons les techniques pour définir leur fréquence de fonctionnement et les paramètres nécessaires pour obtenir une absorption totale. Puis nous étudions plus en détail nos différents prototypes à travers des simulations et des mesures. Nous étudions aussi le couplage des absorbants à métamatériaux avec des absorbants traditionnels pour créer un type d'absorbant inédit.

Ce document comporte la synthèse du parcours scientifique de Philippe Besnier depuis l'obtention de la thèse de doctorat en 1993. Les travaux concernent pour l'essentiel la compatibilité électromagnétiques des systèmes électroniques. ICette recherche recouvre les tentatives de modélisation de ces phénomènes, et de reproduction de ces phénomènes sur le plans expérimental. Une partie de nos travaux a également consisté à étudié la transposition de certaines techniques pour l'application mesure d'antennes. Le chapitre 1 introduit le document. Le chapitre 2 comporte les éléments essentiels de ce parcours et la liste des travaux réalisés. Le chapitre 3 est une synthèse des activités de recherches conduites et des principaux résultats scientifiques obtenus. Enfin, le chapitre 4 présente une perspective de recherche pour les années futures.

Durant leurs utilisations, les produits électroniques sont soumis à des décharges électrostatiques (en anglais : ESD - ElectroStatic Discharge) pouvant induire des erreurs de fonctionnements et/ou leur destructions. Pour s'affranchir de ce type de défaillances, des tests sont effectués dans l'industrie suivant différents standards, comme l'IEC61000-4-2 ou l'ISO10605 pour l'automobile. Lorsqu'une défaillance du produit est révélée, il n'existe aucun outil, aucune méthode permettant d'analyser ou de prédire le comportement du système. Les concepteurs doivent remanier le produit jusqu'à ce que celui-ci remplisse les exigences du standard ou des clients, sans avoir suffisamment de méthodes d'investigation pour comprendre les mécanismes de dégradation durant la décharge. Ceci peut conduire à de nombreuses conceptions avant de trouver une solution qui n'est pas forcément la plus efficace et la plus économique. Les travaux présentés dans ce document sont orientés sur le développement de méthodes de modélisation et de caractérisation permettant d'analyser un système et de comprendre les modes de propagation et de défaillance lorsque survient une décharge électrostatique sur une carte électronique. Etant donné les niveaux de complexité qu'il faut gérer pour un système complet, la méthodologie de modélisation mise en œuvre est basée sur une description comportementale hiérarchique utilisant le langage VHDL-AMS. Cette méthode est destinée à analyser la propagation du courant de décharge dans un système depuis un générateur ESD jusqu'aux phénomènes internes à la puce. En parallèle nous avons été amenés à développer, sur la base de méthodes existantes, des techniques de mesure permettant une investigation plus poussée que celles proposées dans les standards. Les mesures, obtenues à l'aide ces techniques permettent de réaliser des corrélations avec les simulations. Toute cette approche a été validée au travers de trois cas d'étude. Grâce à ces méthodes cette thèse propose aux concepteurs de système des outils leur permettant d'analyser l'impacte d'un phénomène ESD dans un système aussi bien d'un point de vue robustesse que susceptibilité.

La connaissance de l'exposition des personnes aux champs électromagnétiques radiofréquences, pour le public ou pour les professionnels, est encore aujourd'hui très parcellaire. Deux problématiques sont encore mal connues:* La connaissance des usages des objets communicants, en évolution constante et rapide,* L'estimation de l'impact potentiel que pourraient avoir ces nouvelles technologies sur l'environnement.Ce document est une synthèse des travaux de recherche conduits pour affiner les questions de compatibilité électromagnétique et d'exposition des personnes. Dans ce contexte, il a fallu évaluer, caractériser et définir les paramètres les plus importants des signaux rayonnés ou des niveaux des champs électromagnétiques émis par les dispositifs mettant en œuvre les technologies émergentes. Dans cette étude, on s'est également intéressé à des problématiques connexes comme l'exposition des personnes aux champs électromagnétiques de très basses fréquences induits par des lignes à très haute tension ou aux émissions rayonnées par des équipements domestiques intégrant des dispositifs électroniques potentiellement rayonnants. Il comprend également, une synthèse de tous les résultats obtenus à partir d'études de cas concrets, tant sur le plan des connaissances détaillées de la compatibilité électromagnétique des systèmes nouveaux ou émergents que sur la problématique de l'exposition des personnes. Enfin, des solutions ont été proposées, pouvant permettre d'améliorer les connaissances des signaux et des impacts potentiels par des modifications de normes, par la prise en compte de nouveaux paramètres plus pertinents, ou par la modification de procédures d'étalonnage de systèmes utilisés pour caractériser l'exposition.

Les véhicules de transport tendent à utiliser de plus en plus des énergies dites propres. De ce fait, les structures des réseaux électriques embarqués se complexifient que ce soit en termes d'architecture, de nombre de convertisseurs d'électronique de puissance connectés ou bien des technologies utilisées dans ces derniers. En complément de l'approche normative, où le convertisseur est étudié seul dans un environnement normalisé, cette thèse de modélisation CEM de convertisseurs statiques se place dans le cadre particulier des réseaux pour lesquels : • la connaissance de la structure interne du convertisseur étudiée n'est pas nécessaire à la réalisation de son modèle. La méthode développée se base uniquement sur des mesures extra-convertisseurs. Cette approche possède l'avantage de garantir aux fabricants une certaine confidentialité sur l'architecture interne des convertisseurs tout en permettant à l'équipementier d'étudier les effets de ces derniers sur son réseau de bord ; • le réseau sur lequel les convertisseurs sont modélisés peut posséder une architecture complexe par rapport à l'approche « convertisseur seul sur RSIL ». Pour plus de réalisme, le fonctionnement normal d'un convertisseur peut être soumis au fonctionnement d'autres convertisseurs du réseau. Ainsi, les impédances qui seront mises face au convertisseur étudié devront représenter la réalité de ce réseau qui ne sera alors pas nécessairement bien connu. Même si ce n'est pas ce qui a été réalisé au cours de cette thèse, ce point est important puisqu'il remet en question l'utilisation systématique des RSIL puisqu'ils faussent le comportement réel sur réseau ; • la montée en fréquence des technologies utilisées dans les convertisseurs conduit à la nécessité d'un modèle sur une plage de fréquences allant au-delà des 30MHz conventionnels imposés par les normes. Pour ce travail, une plage allant de la fréquence de découpage jusqu'à 100MHz était visée. En définitive, l'objectif principal de cette thèse a été de réaliser un protocole d'identification clairement défini dans le but de renseigner un modèle de type « boîte noire » compatible avec les convertisseurs statiques. Ce modèle a été choisi pour : • son faible nombre d'éléments, le rendant compatible avec l'analyse d'un réseau où de nombreux convertisseurs seront présents ; • sa généricité qui permet d'établir une méthode d'analyse systématique. • sa compatibilité avec l'étude classique en mode commun – mode différentiel qui, dans le cadre de la séparation de modes, le rend même plus simple à utiliser. L'envie de donner du sens physique aux éléments de ce modèle a été une clé dans son identification. De ce fait, les nombreux modèles CEM de convertisseurs statiques qui existent et qui possèdent une utilité (par exemple, dans le cadre du dimensionnement des filtres CEM d'entrée) n'ont pas été laissés de côté. Il a donc été choisi de réaliser dès que possible un lien formel entre les différents modèles. / Energy saving in stationary or embedded systems is a general trend in the modern society. Therefore, the “More Electrical” concept is widely developed, using the Power by Wire idea. The need of increased efficiency and the various ways the electricity is produced, used or stored has led to the generalization of power electronics use. If this solution is effective regarding weight and losses, the high switching frequencies and sharp commutations (several mega-volts or mega-amps per microseconds) generate Electromagnetic Interferences (EMI) which have to be managed. This phenomenon is especially dramatic with the new wide band gap devices, with always increasing commutation speed. Electromagnetic models (EMC) of power electronics converters are thus needed to manage EMC aspects of More Electrical Systems. Depending on the needs, many solutions have been proposed in the literature, to account for the high frequency behavior of power electronics converters (from the switching frequency to several tens of Megahertz). In addition to the classical normative approach, the “EMC system model for power electronics converter” presented here aims to be suitable for embedded networks. In opposition to EMC filter design method, no inner knowledge (as an accurate description of each element and propagation path) from the studied converter is needed. Only external measurements are needed to get the model. Thus, non-disclosure agreement is guaranteed and the embedded network can be studied. Regarding the network structure, the “LISN + Converter” approach can be far away from its complexity. A more global approach might be achievable with “black-box” approach. For the normative approach, only EMI under 30MHz are considered. By increasing the switching frequency, the “EMC system model” has to be valid up to 100MHz. The aim of the Ph.D. is to achieve an entire identification protocol of a “Black-box” model. This modification has been chosen for: • Its tiny number of elements. This means that it can be use in network analysis with multiple converters. • Its generalist form lead to a systematic method of analysis. • Its links with the classical common mode and differential mode approach which give some interesting connection with classical converters modelization. Those links lead to a physical consideration about the meaning of this non-comprehensive model.

La connaissance précise des champs électromagnétiques rayonnés par les dispositifs hyperfréquences nécessite des outils instrumentaux permettant la mesure directe ou indirecte de ces champs. La technique du scan champ proche fait partie de ces outils. Ce manuscrit décrit les travaux de caractérisation des sondes électromagnétiques pour une plate-forme de scan champ proche développée au laboratoire LAPLACE. L’accent a été mis sur la simulation électromagnétique des dispositifs de test utilisés dans le travail de déconvolution du facteur d’antenne des sondes de champs magnétiques ou électriques. Ces dispositifs comprennent aussi bien des structures planaires telles que des interconnexions en ligne microruban que des composants en guide d’ondes tels que des guides ouverts de formes rectangulaire ou circulaire. Pour analyser ces structures des logiciels commerciaux basés sur la méthode des différences finis ont été utilisés. Dans le cas des structures rayonnantes un programme basé sur la méthode de l’opérateur transverse a été développé, permettant la détermination de l’admittance de rayonnement et les champs rayonnés en zones proche et lointaine. Les résultats obtenus ont été validés par des simulations avec des outils commerciaux, et par des mesures réalisés au laboratoire. / The accurate knowledge of electromagnetic fields radiated by microwave devices requires instrumental tools for direct or indirect measurement of these fields. Near-field scan technique is one of those tools. This manuscript describes the work done to characterize electromagnetic probes using a near field scan platform developed in the laboratory LAPLACE. We focused our work on the electromagnetic simulation of test devices that are used in the deconvolution of antenna factor of magnetic or electric probes. These devices include both planar structures such as microstrip line and also waveguide components such as rectangular or circular open-ended waveguides. To analyze these structures, commercial software based on finite element method was used. In case of radiating structures, a program based on transverse operator method was developed. It allows the determination of the admittance of radiation and the radiated electromagnetic fields in near-field and far-field regions. The results were validated by simulations with commercial tools, and measurements made in the laboratory.

Avec la miniaturisation de plus en plus poussée des composants sur silicium, certains phénomènes, connus sous le nom des problèmes de la Compatibilité Électromagnétique peuvent surgir, ils sont les principales causes de la reconception des systèmes intégrés. Ce travail de thèse consiste à développer une méthodologie d'analyse prédictive de la compatibilité électromagnétique pour les systèmes électroniques, par anticipation design. Afin d'aboutir à ce modèle prédictif, différents champs d'investigation ont été mise en place afin d'appréhender l'ensemble du problème. Premièrement, nous avons développé une méthode de prédiction des parasites du boîtier électronique appelée « MCTL Matrix Method ». Cette méthode est issue du principe du prototypage virtuel du boîtier et elle est basée sur des lignes de transmission multiconducteurs. Deuxièmement, nous avons proposé une méthodologie d'analyse de l'immunité du système complet dès les premières phases de la conception. / Modern electronic systems require a high-level of integrations. As a result, some phenomena which are known as ElectroMagnetic Compatibility (EMC) issues are arising, and they are the major causes of system redesign. This main objective of this work is to develop a predictive methodology for systems immunity. To do so, different fields have been investigated: first, we have developed a predictive method for package parasites called “MCTL Matrix Method” which is based on a virtual package prototyping and Multiconductor transmission lines. Then we have proposed a new methodology for system immunity at the earliest design stages.