Les principaux critères de comparaison des convertisseurs sont le rendement, la masse, le volume, le coût et la fiabilité. Le contexte environnemental et économique et le développement des applications nomades ouvrent à l’électronique de puissance un domaine d’application de plus en plus vaste. Mais pour imposer cette technologie, il faut sans cesse améliorer ces performances et les compromis entre celles qui sont antagonistes (augmentation du rendement et diminution de la masse par exemple…) ce qui amène naturellement à la problématique de conception et d’optimisation. Le cas spécifique de l’aéronautique n’échappe pas à la règle et les contraintes y semblent encore plus fortes. La réduction de la masse, du volume et l’augmentation du rendement et de la fiabilité sont parmi les défis principaux actuels, et la transition de systèmes hydrauliques ou pneumatique vers des systèmes électriques laisse espérer à une amélioration des performances globales de l’avion. Les architectures des convertisseurs sont un moyen efficace d’améliorer les convertisseurs parce qu’ils permettent de réduire les contraintes au sein des convertisseurs tout en améliorant les formes d’onde en entrée et/ou en sortie. Parallèlement, les composants classiques en silicium ont bénéficié de larges avancés au cours de ces dernières décennies et approchent de leurs limites théoriques. Pour espérer une amélioration, des technologies en rupture sont désormais nécessaires. Au cours de ces dernières années, les technologies de semi-conducteurs dit « à grand gap », essentiellement à base de Nitrure de Gallium ou de Carbure de Silicium (resp. GaN et SiC) se sont considérablement amélioré et sont d’ores et déjà plus performant que les composants Si dans de nombreux cas. Les semi-conducteurs étant généralement plus performants lorsqu’ils ont une tenue en tension plus faible, on envisage ici de cumuler plusieurs avantages en envisageant la mise en série de composants GaN basse-tension pour améliorer l’intégration des convertisseurs de puissance. Dans un premier temps, un convertisseur multi-niveaux élémentaire de type Flying Capacitor (FlyCap) est mis en oeuvre. Des condensateurs de puissance intégrés sont utilisés, ce qui pourrait permettre de réduire l’empreinte de ces composants et de proposer une dissipation thermique commune par le dessus des composants. L’utilisation de composant au temps de commutation réduit est critique pour la fiabilité des convertisseurs. Une étude de l’influence des paramètres physique du circuit électrique sur les inductances parasites de la maille de puissance et de commande est menée permettant de mettre en évidence des règles de conception dans le but d’améliorer la fiabilité des convertisseurs. Dans un second temps, l’équilibrage dynamique de la topologie FlyCap qui est critique pour les formes d’onde et la sureté de fonctionnement est étudié. La prise en compte des pertes dans les semi-conducteurs permet d’améliorer l’estimation de la dynamique d’équilibrage. Une base de réflexion sur le dimensionnement d’un équilibreur passif est également proposée pour optimiser sa dynamique et les pertes associées. Un prototype expérimental à 5 cellules de commutation est présenté permettant d’atteindre une tension d’entrée de 270 V avec des composants 100V. / Performance, weight, volume, cost and reliability are key criteria to compare converters. Environment and economical context and the development of mobile applications lead electronics to have a wider field of application. Improving performances and tradeoff between conflicting characteristics (high efficiency and reduced weight for example) is thus constantly needed to impose this technology, which calls for design and optimization methods and tools. The specific case of aeronautics is no exception and there is in this field a high demand. Mass and volume reduction, efficiency and reliability improvement is one of the most important challenges, and the change from hydraulic and pneumatic systems to electric systems is expected to allow a global improvement of aircraft performances. Converter’s topology is a good candidate to improve and reduce the size of converters because it can reduce stress while improving the input and/or output waveforms. Meanwhile, conventional silicon components have taken advantage of wide advances in recent decades and are now close to their theoretical limits. To hope for a significant improvement, breaking technologies are now needed. In recent years, GaN and SiC Wide Band Gap semiconductors have seen significant development and are already often better than Si power devices. Lowvoltage semiconductors are generally better than higher voltage ones. Thus, we consider here cumulating advantages with a serial arrangement of low voltage GaN semi-conductors to improve power converter’s integration. First, a basic multilevel Flying Capacitor GaN-based converter is implemented. The integration of power capacitors is proposed to evaluate this technology, which could reduce the footprint of these components and could allow a common heatsink dissipation through the top of the components. Very fast turn-on and turn-off of GaN devices is critical for safe operation due to parasitic inductances. A study of physical parameters of the electrical circuit on parasitic inductances of power and control loop is conducted to lay down design rules in order to improve the reliability of converters. Secondly, dynamic balancing of Flying Capacitor which is critical for the waveforms and reliability is studied. Semi-conductor’s losses are considered to improve the estimation of dynamic balancing. A method for the design of a passive balancer is also proposed to optimize the balancing and associated losses. An experimental prototype with 5 switching cells is presented to achieve an input voltage of 270 V with 100 V rated voltage devices.

Dans le contexte des applications mobiles, les contraintes de conception des chaînes d'émission toujours plus performantes et de taille réduite demandent de compenser la forte sensibilité des caractéristiques des antennes à leur environnement. En particulier, il est nécessaire de maîtriser l'impédance de l'antenne pour optimiser l'efficacité énergétique de la chaîne de transmission. Or, les solutions actuelles se montrent encombrantes. Dans cette thèse, plusieurs pistes basées sur l'implémentation de condensateurs variables ont été étudiées et ont conduit à la réalisation et la caractérisation de nouveaux dispositifs RF intégrés à même de participer à cet effort. Après une présentation du contexte et de l'état de l'art, nous proposons une étude de condensateurs variables basés sur la technique des capacités commutées. L'étude a permis la réalisation de deux condensateurs variables en technologie CMOS SOI 130 nm pour des applications d'adaptation d'impédance et d'antenne agile en fréquence. Un premier démonstrateur d'antenne fente agile en fréquence visant les bandes LTE situées entre 500 MHz et 1 GHz et utilisant ce type de condensateur a ensuite été réalisé puis validé. Un système d'accord permettant de corriger les désadaptations d'antenne a ensuite été étudié et a donné lieu à la réalisation de deux circuits intégrés en technologie CMOS SOI 130 nm. Le premier circuit est un détecteur d'impédance capable de fonctionner sur une gamme de puissance étendue de 0-40 dBm pour une plage de fréquences de 600 MHz-2,4 GHz. Le deuxième circuit intègre une version améliorée du détecteur avec un circuit d'adaptation variable autorisant la réalisation d'un système d'accord d'antenne autonome et compact représentant une avancée importante par rapport à l'état de l'art. / In the context of mobile applications, design constraints on always more performant and size-constrained emitting front-ends ask to compensate for strong sensitiveness of antennas characteristics to their environment. In particular, it is necessary to control the antenna impedance in order to optimize the energy efficiency of the transmitting front-end. Yet, current solutions are bulky. I this thesis, several ways based on the implementation of variable capacitors have been studied and have led to the design and characterization of new integrated RF devices that can participate to this effort. After a presentation of the context and the state-of-the-art, we propose a study of switched-capacitor-based variable capacitors. This study allowed the design of two variable capacitors in 130 nm CMOS SOI technology for impedance matching and frequency-agile antenna applications. Then, a first demonstrator module of a frequency-agile antenna aiming for 500 MHz-1 GHz LTE bands and using this type of capacitor has been designed and validated. A tunable system allowing the correction of antenna mismatch has then been studied and has led to the design of two 130 nm CMOS SOI integrated circuits. The first circuit is an impedance detector that is able to work on a 0-40 dBm power range and a 600 MHz-2.5 GHz frequency range. The second integrated circuit includes an improved version of the detector with a tunable matching network which both allow the fabrication of an autonomous, compact antenna tunable system showing significant progress relative to the state-of-the-art.

Les condensateurs multicouches en céramique (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCCs) sont des composants passifs clés de l'électronique moderne. Les MLCCs sont constitués d'une alternance d'électrodes métalliques et de couches diélectriques de céramique. Les puces ultraminces sont composées de mélanges de couches micrométriques métalliques et céramiques et d'additifs de céramique de taille nano. Un certain nombre de défauts tels que des fissures, des délaminations des couches et des discontinuités au sein de l'électrode, peuvent survenir dans la fabrication de ces MLCCs ultraminces. Un dispositif expérimental à rayons X (TXM, Transmission X-ray Microscope) avec une résolution spatiale de 30 nm au synchrotron APS (Advanced Photon Source, USA) a été utilisé pour caractériser un volume cylindrique représentatif de Ø 20 µm × 20 µm extrait d'une puce 0603 (1,6 mm × 0,8 mm) au nickel (Ni) + titanate de baryum (BaTiO3, ou BT) avant et après frittage sous argon hydrogéné (2%). La tomographie 3D de la microstructure montre que les discontinuités de l'électrode finale sont liées à des hétérogénéités initiales dans les couches d'électrodes. La radiographie in-situ aux rayons X pendant le frittage (vitesse de chauffage de 10 °C/mn, température de maintien à 1200 °C pendant 1 heure, puis refroidissement à 15 oC/min) d’un volume représentatif d'électrode au palladium (+ baryum-néodyme-titanate) confirme bien que les discontinuités dans l'électrode proviennent de l'hétérogénéité initiale de la poudre, qui est lié à la nature du compactage d'un matériau particulaire. La discontinuité se produit à l'étape précoce du cycle de frittage. A ce stade, l'électrode métallique commence à fritter tandis que le matériau diélectrique peut être considéré comme un substrat inerte qui contraint le frittage de l’électrode.Des études corrélatives utilisant un FIB-SEM (Focused Ion Beam Scanning Electron-microscopie) en tomographie à haute résolution (5 × 5 × 5 nm3) ont été effectuées sur des échantillons MLCC à vert et frittés. Elles confirment que la résolution de la nanotomographie X est suffisante pour étudier l’évolution des hétérogénéités. Cependant la tomographie par FIB permet à la nanotomographie X d’être réinterprétée avec plus de précision. D'autre part, le FIB fournit les paramètres des particules pour les simulations DEM.La méthode des éléments discrets (DEM) a été utilisée pour simuler la microstructure du système multicouche lors du frittage. Tout d'abord, le frittage de la matrice de nickel avec inclusions BT a été simulé en utilisant le code dp3D. Nous avons pu montrer que la vitesse de densification de la matrice diminue avec l'augmentation la fraction volumique d'inclusions et avec la diminution de la taille des inclusions. Pour une fraction volumique donnée, et une taille d’inclusions donnée, une meilleure dispersion des inclusions conduit à un retard plus marqué de la densification du frittage de la matrice de nickel.Le co-frittage de multicouches de BT/Ni/BT a été simulé en tenant compte des informations collectées à partir de la tomographie FIB-SEM à résolution élevée (taille des particules, distribution de taille, hétérogénéités, et pores). On constate que les discontinuités d'électrodes proviennent des hétérogénéités initiales dans le comprimé à vert et se forment au début de frittage sous contrainte. Ces résultats de simulation sont en bonne correspondance avec les observations expérimentales. Une étude paramétrique indique que les discontinuités d'électrodes peuvent être minimisées par l'homogénéisation de la compacité, par l’augmentation de l'épaisseur des électrodes et par l’utilisation d’un chauffage rapide.A partir des résultats expérimentaux et des simulations DEM, une conclusion générale peut être avancée: la discontinuité finale provient de l'hétérogénéité initiale dans les couches d'électrodes et survient à un stade précoce de frittage lorsque les couches diélectriques contraignent les couches d'électrodes / Multi-Layer Ceramic Capacitors (MLCCs) are key passive components in modern electronics. MLCCs consist of alternating metal electrode and ceramic dielectrics layers. In ultrathin MLCC chips, the micrometric layers are composed of submicrometric metal and ceramic powders and nano sized ceramic additives. A number of defects such as cracks, delamination of layers and electrode discontinuity and homogeneity, may arise in the processing of these ultrathin MLCCs. Synchrotron (Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, IL, USA) X-ray based Transmission X-ray Microscope (TXM) with spatial resolution of 30 nm was used to characterize a representative cylindrical volume of Ø 20 µm × 20 µm extracted from a 0603 (1.6 mm×0.8 mm) case size Nickel (Ni)-electrode Barium Titanate (BaTiO3, or BT)-based MLCC before and after sintering under 2H2%+Ar atmosphere. 3D tomographic microstructure imaging shows that the final electrode discontinuity is linked to the initial heterogeneity in the electrode layers. In situ X-ray radiography of sintering (heating ramp of 10 oC, holding at 1200 oC for 1 hour, cooling ramp -15 oC) of a Palladium (Pd) electrode BNT (Barium-neodymium-titanate) based MLCC representative volume was also carried out. It confirmed that discontinuities in the electrode originate from the initial heterogeneities, which are linked to the very particulate nature of the powder material. The discontinuity occurs at the early stage of the sintering cycle. At this stage, the electrode starts to sinter while the dielectric material may be considered as a constraining substrate. Correlative studies using Focused Ion Beam - Scanning Electron Microscope (FIB - SEM) tomography were conducted on green and sintered MLCC samples at high resolution (5 × 5 × 5 nm3). FIB images confirmed that the resolution of the X-ray nCT is sufficient to deal with these heterogeneity evolutions. Still, FIB tomography allows the X-ray nCT to be re-interpreted more accurately. Also, it provides detailed particulate parameters for the DEM simulations.The DEM was used to simulate the microstructure of a multilayer system during sintering. First, the sintering of Nickel matrix with BT inclusions was simulated using the dp3D codes. It is found that the densification rate of the matrix decreases with increasing volume fraction of inclusions and with decreasing size of inclusions. For a given volume fraction and size of inclusions, a better dispersion of the inclusions results in a stronger retardation of the densification kinetics of the nickel matrix.Co-sintering of BT/Ni/BT multilayers was simulated with DEM by taking into account the particulate nature collected from the high resolution FIB nanotomography (FIB-nT) data, such as particle size, size distribution, heterogeneities, pores, and geometry. It is found that the electrode discontinuities originate from the initial heterogeneities in the green compact and form at the early stage of sintering under constraint, in good correspondence to the experimental observations. Parametric studies suggest that electrode discontinuities can be minimized by homogenizing the packing density and thickness of the electrodes and using a fast heating rate.Based on both experimental and DEM simulation results, a general conclusion is reached: the final discontinuity originates from the initial heterogeneity in the electrode layers and occurs at the early stage of sintering when the dielectric layers constrain the electrode layers.

Les filtres CEM sont largement utilisés dans les systèmes électroniques de puissance pour la suppression des interférences électromagnétiques. Ils sont en général composés d'une succession de condensateurs et de selfs. En haute fréquence, on est amené à compléter le modèle des composants par des éléments parasites. Ce travail de thèse est consacré à l'étude de l'influence du couplage inter composants sur la performance du filtre CEM. Une étude mathématique a été réalisée sur un filtre LC de type Γ. Cette dernière nous a permis de déduire qu'un meilleur comportement du filtre est obtenu quand le couplage magnétique inter-composants annule l'inductance parasite du condensateur (ESL=M). Pour atteindre cet objectif, une méthodologie permettant d'optimiser les emplacements des composants a été développée en se basant sur des modèles 3D simplifiés des composants du filtre. Dans ce travail de thèse, un condensateur film métallisé est présenté par un modèle 3D constitue d'un volume unique de conducteur. Les bobines avec ferrite sont modélisées en 3D en prenant en compte les propriétés physiques et géométriques. Ces modèles de condensateurs et de bobines ont été étudiés dans le cas de plusieurs configurations pour différents positionnements des composants. Les résultats obtenus ont montré leurs capacités de prédire à la fois les paramètres intrinsèques (Inductance parasite ESL pour le condensateur, Inductance L pour la bobine) et l'inductance mutuelle M inter-composants. Finalement, la méthodologie d'optimisation a été validée expérimentalement sur un filtre CEM de type Γ (condensateur film et bobine bâtonnet avec ferrite) intégré dans un moteur d'essuie-glace / EMC filters are widely used in power electronic systems for electromagnetic interference suppression. They usually consist of a series of capacitors and inductors. At high frequencies, it is necessary to complete the model of component with parasitic elements. This work is devoted to the study of the influence of inter-component coupling on the performance of the EMC filter. A mathematical study was performed on an LC filter in type Γ. The latter allowed us to deduce a better behavior of the filter can be obtained when the magnetic coupling inter-component cancels the parasitic inductance of the capacitor (ESL = M). To achieve this goal, a methodology to optimize the locations of components has been developed based on their 3D models simplified. In this thesis, a metalized film capacitor is presented by a 3D model constituting a single volume conductor. The inductor with ferrite is modeled by taking into account the physical and geometrical properties. These models of capacitors and inductors have been studied in several configurations for different positions of the components. The results have shown their ability to predict both the intrinsic parameters (parasitic inductance ESL for the capacitor, inductance L for the inductor) and mutual inductance M inter-components. Finally, the optimization method was validated experimentally with an EMC filter type Γ (film capacitor and ferrite-rod inductor) built in a wiper motor

La demande urgente d'innovations dans le domaine du stockage de l'énergie est liée au développement récent de la production d'énergie renouvelable ainsi qu'à la diversification des produits électroniques portables qui consomment de plus en plus d'énergie. Il existe plusieurs technologies pour le stockage et la conversion électrochimique de l'énergie, les plus notables étant les batteries aux ions lithium, les piles à combustible et les supercondensateurs. Ces systèmes sont utilisés de façon complémentaire des uns aux autres dans des applications différentes. Par exemple, les batteries sont plus facilement transportables que les piles à combustible et ont de bonne densité d'énergie alors que les supercondensateurs ont des densités de puissance plus élevés et une meilleure durée de vie. L'objectif principal de ces travaux est d'étudier les performances électrochimiques d'une nouvelle famille de matériaux bidimensionnel appelée MXène, en vue de proposer de nouvelles solutions pour le stockage de l'énergie. Pour y arriver, plusieurs directions ont été explorées. Dans un premier temps, la thèse se concentre sur les supercondensateurs dans des électrolytes aqueux et aux effets des groupes de surface. La seconde partie se concentre sur les systèmes de batterie et de capacités à ions sodium. Une cellule complète comportant une anode en carbone et une cathode de MXène a été développées. La dernière partie de la thèse présente l'étude des MXènes pour les supercondensateur en milieu organique. Une attention particulière est apportée à l'étude du mécanisme d'intercalation des ions entre les feuillets de MXène. Différentes techniques de caractérisations ont été utilisées, en particulier la voltampérométrie cyclique, le cyclage galvanostatique, la spectroscopie d'impédance, la microscopie électronique et la diffraction des rayons X. / An increase in energy and power densities is needed to match the growing energy storage demands linked with the development of renewable energy production and portable electronics. Several energy storage technologies exist including lithium ion batteries, sodium ion batteries, fuel cells and electrochemical capacitors. These systems are complementary to each other. For example, electrochemical capacitors (ECs) can deliver high power densities whereas batteries are used for high energy densities applications. The first objective of this work is to investigate the electrochemical performances of a new family of 2-D material called MXene and propose new solutions to tackle the energy storage concern. To achieve this goal, several directions have been explored. The first part of the research focuses on MXene behavior as electrode material for electrochemical capacitors in aqueous electrolytes. The next part starts with sodium-ion batteries, and a new hybrid system of sodium ion capacitor is proposed. The last part is the study of MXene electrodes for supercapacitors is organic electrolytes. The energy storage mechanisms are thoroughly investigated. Different characterization techniques were used in this work, such as cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge, electrochemical impedance spectroscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction.

Dans le cadre de l’intégration tridimensionnelle (3D) associée à l’utilisation d’un nombre croissant de circuits intégrés (CIs), le besoin en condensateurs de découplage à forte densité de capacité (≥ 1 μF.cm-2), capables d’opérer sur une gamme de fréquences de plus en plus étendue, est crucial afin de limiter les fluctuations de tension d’alimentation au niveau des CIs. Le principal frein au développement de ces condensateurs réside dans l’obtention de couches minces (≤ 100 nm) à partir de matériaux ayant une forte permittivité relative (ε_r > 200 à 1 GHz), des technologies compatibles avec une intégration à grande échelle, et peu coûteux.L’approche proposée dans cette thèse s’appuie d’une part, sur la possibilité de synthétiser des nanoparticules diélectriques à base de Ba0.6Sr0.4TiO3 [BST] (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 à 1 kHz) - obtenues en milieux fluides supercritiques - comme matériau diélectrique et d’autre part, sur la pulvérisation de jets ou spray coating comme technologie de dépôt en couches minces. Dans un premier temps, les nanoparticules de BST ont été synthétisées et fonctionnalisées par l’acide 3-aminopropylphosphonique (APA), dans le but de les disperser dans un solvant et d’obtenir des suspensions colloïdales stables. Les ligands ont aussi pour fonction d’améliorer la tenue mécanique des films (auto-assemblage) sur le substrat de cuivre (Cu). La variation de paramètres liés à la solution à base des nanoparticules (concentration, durée de dispersion mécanique) et à la technique de dépôt (température du substrat, débit), ont permis d’optimiser les conditions pour obtenir des films uniformes à base de nanoparticules fonctionnalisées (BST-APA). Des films de 200 ± 50 nm d’épaisseur ont ainsi pu être obtenus. Après dépôt de plots d’aluminium (Al) sur les films à base de BST-APA et utilisés comme électrode supérieure, les caractéristiques capacité-tension (C-V) et courant-tension (I-V) des condensateurs de structure Al/BST-APA/Cu ont permis d’extraire une densité de capacité élevée (0.71 μF.cm-2) et une densité de courant de fuite (25 μA.cm-2) mesurées à 1 V. Les résultats obtenus au cours de cette thèse montent que la pulvérisation de jets est une alternative aux procédés coûteux reportés (ablation laser, pulvérisation) dans l’état de l’art, pour la fabrication de condensateurs de hautes performances.Mots clés : Condensateurs MIM, couches minces, fluides supercritiques, diélectriques, Ba0.6Sr0.4TiO3, pulvérisation de jets, nanofabrication. / Within the three-dimensional (3D) integration associated with the use of an increasing amount of integrated circuits (ICs), there is strong need of high capacitance density (≥ 1 μF.cm-2) decoupling capacitors, able to operate on large frequency bandwidth, in order to reduce the noise that can compromise the signal integrity in ICs. The main challenge of these capacitors relies on the deposition of thin films (≤ 100 nm) using innovative materials with high relative permittivity (ε_r > 200 à 1 GHz) and «low cost» technologies compatible with large scale integration.On one hand, the proposed approach in this thesis benefits from the possibility of synthetizing – by the supercritical fluid technology – and using Ba0.6Sr0.4TiO3 (BST) nanoparticles (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 at1 kHz) as dielectric material and on the other hand, from the use of spray coating as technique for the deposition of these materials as thin films. First of all, the BST nanoparticles synthesized are functionalized with specific ligands (3-aminopropylphosphonic acid, APA), in order to obtain colloidal suspensions composed by aggregates with size (Ø < 100 nm) showing few fluctuations during two months. The other function of ligands is to improve the adhesion of the deposited films (self-assembling) on the copper (Cu) substrate. Different solvent are studied for the preparation of the solutions : N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), water, methanol and ethanol. The variation of different parameters related to the solution and the deposition technique helped us to define the optimal conditions leading to different thickness of film (200 – 1000 nm) based on pristine (BST) and functionalized nanoparticles (BST-APA). Using ethanol instead of NMP as solvent, enabled us to prevent de formation of a copper oxide layer and organic residues. After deposition of aluminum pads (Al) on BST or BST-APA films and used as top electrode, the capacitance-voltage (C-V) and current-voltage (I-V) characteristics of capacitors with metal-insulator-metal (MIM) structure enabled us to achieve high capacitance density (~ 0.7 μF.cm-2) and low leakage current (~ 25 μA.cm-2) at 1 V.Keywords: MIM capacitors, thin films, supercritical fluids, Ba0.6Sr0.4TiO3, spray coating, nanofabrication in cleanroom.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont dédiés à l'étude des composants passifs pour l'électronique de puissance à haute température. Des condensateurs et des matériaux magnétiques sont sélectionnés et caractérisés jusqu'à environ 250°C. Les caractéristiques électriques et électromagnétiques montrent, pour certains de ces composants et matériaux, des dépendances significatives en fonction de la température, mais également des non-linéarités et des phénomènes d'hystérésis. Les caractérisations sont ensuite exploitées pour la conception d'un filtre CEM d'entrée d'un onduleur de tension de 2kW. Une démarche et des considérations liées au dimensionnement d'un filtre sont détaillées. Un démonstrateur de filtre CEM est testé en charge et à haute température (200°C). Les résultats montrent une dépendance relativement faible des perturbations conduites entre 150kHz et 30MHz en fonction de la température (environ +6dBµA entre 25°C et 200°C selon la norme DO-160F). Le fonctionnement à haute température de composants passifs au sein d'un filtre CEM pour l'électronique de puissance a été démontré. En complément du filtre à composant discret et pour répondre aux besoins d'atténuation à haute fréquence qui seront accrus pour les convertisseurs à base de semi-conducteurs à grand gap (SiC et GaN) qui commutent plus rapidement que des interrupteurs de type IGBT en Si, nous avons proposé l'intégration de condensateurs de mode commun au sein d'un module de puissance. Les résultats simulés et expérimentaux ont montré une réduction des perturbations conduites grâce à l'intégration de ces condensateurs. Cette solution, compatible avec un fonctionnement à haute température, est positionnée comme une solution alternative à un filtre d'entrée complexe (multi-niveaux) et s'inscrit dans la tendance actuelle des IPEM (Intelligent/Integrated Power Electronics Module) qui recherche l'intégration de fonctions dans le module de puissance. L'ensemble de ces travaux souligne par ailleurs l'importance du packaging pour l'électronique de puissance à haute température. / The study, which is described in this dissertation, is dedicated to passive components in order to be integrated into high temperature power electronic converters. Capacitors and magnetic materials are selected and characterized up to 250°C. Electrical and electromagnetic characteristics are measured. Some components show a significant temperature deviation, but also a non-linear behavior with a hysteresis phenomenon. Based on these characteristics, a high temperature EMI filter for a 2kW voltage inverter is designed. The design procedure and some practical considerations are discussed. Then, the experimental results from the prototype at 200°C under full load conditions are given. The variation of the conducted emissions, from 150kHz and 30MHz, with the temperature is low (about +6dBµA between 25°C and 200°C into a DO-160F setup). The feasibility of a working EMI filter for high temperature power electronics is demonstrated. To meet the high frequency EMI requirements, with wide-band gap semi-conductors devices which are faster than Si IGBT, a solution based on integrated common mode capacitors into the power module is proposed. With this solution, operation at high temperature is also doable. Experimental results show a reduction of the conducted emissions thanks to these integrated capacitors. We consider this solution as an alternative against an increased complexity of the EMI input filter. It follows the present trends toward the integration of functions into a power module, close to the power switches. Moreover, packaging issues are highlighted and remains as a major limitation for high temperature power electronics.

Dans un contexte de raréfaction des ressources et de limitation des capacités d'adaptation de l'environnement, la minimisation des impacts environnementaux de l'activité humaine représente un des objectifs majeurs du développement durable. Proposer des dispositifs présentant de meilleures performances environnementales nécessite une démarche de conception spécifique intégrant des critères environnementaux crédibles. Il s'agit en effet d'agir dès la conception d'un produit (ou d'un service) afin de bénéficier du maximum de latitude pour minimiser ses impacts environnementaux. Cette démarche se nomme l'éco-conception. Rejoignant cette thématique, ces travaux ciblent des applications du domaine du Génie Electrique et plus particulièrement celui des convertisseurs électromagnétiques d'énergie. Ces composants présentent la particularité d'être fondamentalement, à l'usage, consommateurs d'énergie. Cet aspect implique un fort couplage entre le mode de fonctionnement du dispositif et son dimensionnement sur son cycle de vie. Ce travail de thèse aborde dans une première partie l'analyse sur cycle de vie ainsi que les principes fondamentaux de la démarche d'éco-conception. Les perspectives méthodologiques que ces considérations ouvrent dans le domaine plus spécifique du Génie Electrique sont ensuite décrites. Dans une seconde partie, trois cas d'étude en Génie Electrique de complexité croissante, font l'objet d'applications des principes d'éco-conception : un transformateur monophasé simplifié à alimentation fixe, une machine asynchrone monophasée à condensateur permanent réelle (produit commercial) et présentant des durées de fonctionnement très brèves, et enfin une machine asynchrone triphasée alimentée à fréquence variable. Les critères environnementaux retenus pour les optimisations sont l'énergie globale sur cycle de vie et les émissions de gaz à effet de serre. En effet, la prise en compte d'autres impacts environnementaux est identique du point de vue méthodologique. Lors de ces études, nous montrons qu'il est intéressant d'optimiser la conception de ces convertisseurs électromagnétiques sur cycle de vie, lorsque leur durée cumulée de fonctionnement est faible devant leur durée d'usage. Le niveau de puissance de fonctionnement des convertisseurs est aussi un paramètre ayant une action significative sur les résultats d'éco-conception. Le paramétrage des trois cas d'études fait par ailleurs l'objet de différentes analyses de sensibilité permettant de cerner plus précisément, sur les résultats d'optimisation, l'influence des coûts énergétiques élémentaires, des choix des matériaux constituant le dispositif, etc. Enfin, pour les convertisseurs d'énergie, nous introduisons la notion de rendement énergétique sur cycle de vie prenant en compte leur efficacité globale.

Un système hybride multi-source est étudié dans cette thèse pour la génération dispersée basée sur des sources d’énergie renouvelable et des systèmes de stockage d’énergie. Il comprend un générateur éolien comme source d’énergie primaire, des super-condensateurs comme système de stockage à dynamique rapide, des piles à combustible et des électrolyseurs comme système de stockage sur le long terme sous forme d’hydrogène. Ils sont tous connectés à un bus continu commun et un onduleur est utilisé pour la connexion du système entier au réseau. Dans ce mémoire, nous avons présenté la modélisation du système, la conception du contrôle y compris des stratégies de répartition des flux de puissance et la gestion énergétique. Cette centrale hybride peut finalement générer des puissances lissées et contrôlables comme la plupart des générateurs classiques. Les performances ont été testées en simulation numérique et aussi sur un prototype expérimental. Les contributions scientifiques principales de cette thèse sont les suivantes : l’utilisation et l’adaptation des formalismes pour la modélisation des systèmes complexes et la conception de leur commande ; la conception et la réalisation expérimentale des émulateurs pour réduire le temps et le cout du développement du prototype expérimental ; la proposition et la validation de deux stratégies de gestion des puissances pour la régulation du bus continu et le contrôle des puissances transitées au réseau et enfin la proposition des stratégies de supervision énergétique avec la définition des modes de fonctionnement pour le générateur actif éolien afin d’assurer une disponibilité énergétique / A hybrid power system is studied in this thesis for the distributed generation based on renewable energy resources and energy storage systems in microgrid applications. It consists of a wind generator as primary energy source, super-capacitors as fast-dynamic storage system, fuel cells and electrolyzers as long-term storage system in hydrogen. They are all connected to a common DC bus and an inverter is used for the connection of the whole system to the grid. In this thesis, we have presented the system modeling, the control design including the power balancing and energy management strategies. This hybrid power system can finally supply controllable smooth powers as most conventional power plants. The performances have been tested in numerical simulations and also on an experimental test bench. As result, it is able to provide ancillary services to the microgrid. The main scientific contributions of this thesis are: the use and the adaptation of the graphical tools for the modeling of complex systems and their design; the design and the experimental implementation of real-time emulators in order to reduce the time and the cost of an experimental platform; the proposition and the validation of two power balancing strategies for the DC-bus voltage regulation and the grid power control and finally the proposition of energy management strategies for the active wind generator to ensure the energy availability

Le volume des convertisseurs électroniques de puissance devient lié, dans une part importante aux composants passifs qui le constituent. En particulier, les condensateurs de découplage constituent une part non négligeable de ce volume. En outre, les évolutions technologiques des composants passifs et particulièrement la densité d'énergie des condensateurs de découplage s'accroit beaucoup moins vite que la densité de puissance des composants actifs auxquels ils sont associés (transistors de puissance). D'autre part, la technologie à film plastique utilisée représente une masse non recyclable qu'il est essentiel de minimiser. Leur rôle est néanmoins fondamental pour le fonctionnement de l'ensemble. Une réduction trop importante de leur valeur conduit à une augmentation de perturbations conduites et rayonnées, voire à une instabilité non contrôlée du bus de tension du véhicule. Cette instabilité, pouvant générer des surtensions importantes, pourrait conduire à une destruction du variateur. Dans certains cas, cette démarche de dimensionnement est compliquée par le fait que d'autres systèmes abonnés au bus source de tension continue participent également aux perturbations conduites, en particulier un deuxième variateur triphasé à découpage. Dans ce cas, un partage du même condensateur de découplage peut-être envisagé. Ceci dit, on est confronté à deux problèmes couplés : - D'une part, le dimensionnement des condensateurs reste lié au courant efficace (du point de vue de l'auto échauffement aussi bien que de l'ondulation de tension qui est également liée à la capacité, autre critère dimensionnant) qu'ils seront amenés à supporter. Il est donc souhaitable de mettre en œuvre des stratégies de réduction de ce courant. - D'autre part, la faible résistance série a tendance à réduire de manière importante le facteur d'amortissement de l'impédance de bus continu vue par l'entrée de l'onduleur. Il convient alors de s'assurer de la maîtrise de la résonance du bus dans une telle situation. Ce travail de recherche explore deux approches complémentaires permettant de minimiser la taille des condensateurs requis et de maîtriser les ondulations de tension à l'entrée du convertisseur : - Développer une stratégie de modulation aussi satisfaisante que possible pour le pilotage d'un onduleur triphasé classique à deux niveaux et trois bras de pont. La contrainte supplémentaire, liée aux risques de résonnance du bus continu, doit être analysée et sera un des objectifs des travaux proposés. - Etudier l’impact que peut avoir une stratégie de modulation sur l’ensemble de la chaine de traction électrique. Des contraintes additionnelles liées à la stratégie de modulation d'un variateur de vitesse automobile sont aussi prises en comptes comme par exemple : - La compensation des effets non-linéaires qui sont dus au comportement de l’onduleur de tension ; - La minimisation du stress exercé sur le condensateur de découplage partagé de manière commune entre deux onduleurs de tension, en termes d’ondulation de tension à ses bornes et de la valeur efficace du courant absorbé. Les résultats théoriques ont été validés expérimentalement sur deux bancs de tests : un premier dédié pour des essais à faible puissance sur une charge passive et un deuxième, monté au site de Lardy de Renault, dédié pour des essais à haute puissance sur une charge réaliste. / The volume of the electronic power converters becomes linked, in a large part, to the passive component which constitute it. In particular, the decoupling capacitors are a significant part of this volume. Moreover, the technological evolutions of the passive components and in particular the energy density of the decoupling capacitors increase much less rapidly than the power density of the active components to which they are associated. On the other hand, the plastic film technology used represents a non-recyclabl mass which it is essential to minimize. The role of the film capacitor is nevertheless fundamental for the functioning of the whole inverter. Too much reduction of their value leads to an increase in conducted and radiated disturbances, or to an uncontrolled instability of the vehicle DC bus voltage. This instability, which can generate significant overvoltages, could lead to a destruction of the switching power devices of the voltage source inverter. In some cases, this design approach could become complicated when other systems could be connected t the same DC voltage source bus, such as a second voltage source inverter. Hence, the same DC link capacitor is shared between the two inverters. Thus, it becomes much solicited and conducted disturbances may be generated. That said, we are confronted with two coupled problems. On the one hand, the design of the capacitors remains linked to the RMS current. It is therefore desirable to implement strategies to reduce this current. On the other hand, the low series resistance tends to reduce significantly the damping factor of the DC bus impedance seen by the input of the inverter. Hence, it is then necessary to ensure control of the resonance of the bus in such a situation. This research explores two complementary approaches to minimize the size of the required capacitors an to control the voltage ripples at the input of the converter: - Develop a P WM strategy that is as satisfactory as possible for controlling a conventional two-level three-phase inverter. The additional constraint, related to the resonance risks of the DC bus, must be analyzed and is one of the objectives of the proposed works. - Study the impact of P WM strategies on the entire electrical traction chain. Additional constraints related to the P WM strategy are also taken into account such as - Compensation for non-linear effects due to the behavior of the voltage inverter; - Minimization of the stress exerted on the decoupling capacitor commonly shared between two voltage source inverters in terms of voltage ripple across its terminals and the rms value of the absorbed current. Theoretical and simulation results have been validated experimentally on two test benches: one dedicated for low power tests on a passive load and the second one, mounted at the Lardy site of Renault, dedicated for hi h ower tests on a dynamic electrical machine.