L'étude, le dimensionnement et le test d'un dispositif de stockage d'énergie, à base de<br />supercondensateurs, destiné à fonctionner dans un véhicule à pile à combustible sont<br />présentés dans cette thèse. Deux modes de commande sont détaillés. Leur but est de permettre<br />un fonctionnement en quasi-statique de la pile à combustible afin de limiter les contraintes<br />mécaniques sur la pile en accordant les débits de gaz à la demande en courant. Les<br />supercapacités interviennent lors du non-fonctionnement de la pile, lors de régimes<br />transitoires ou de régimes de récupération.<br />Le dispositif développé utilise deux modules de supercapacités SAFT. Il est connecté à un bus<br />continu 42 V par un convertisseur continu-continu deux quadrants, la pile à combustible étant<br />connectée au bus continu par un convertisseur élévateur. Le contrôle des courants est réalisé<br />de manière analogique. Le contrôle des tensions et les algorithmes d'estimation utilisent une<br />carte numérique dSPACE. Les résultats expérimentaux présentés, obtenus avec une pile de<br />500 W, ont souligné la lenteur naturelle des réponses de la pile à combustible et l'apport des<br />supercapacités pour des applications automobiles. Celles-ci améliorent grandement la<br />dynamique et le contrôle énergétique du système.

Les problèmes associés aux fluctuations de l'état de polarisation des signaux lumineux transitant dans la fibre optique limitent actuellement les débits en transmission. Les solutions basées sur un contrôle de la polarisation du signal utilisent principalement les propriétés de la fibre optique, des cristaux liquides ou du niobate de lithium (LiNbO3) pour les composants d'optique intégrée. Toutefois, la nature même de ces matériaux ne permet pas d'associer sur une même puce les fonctions optiques et électroniques. Pour relever le défit de la miniaturisation des dispositifs, l'utilisation des matériaux semiconducteurs s'impose. L'objectif de ce travail de thèse s'inscrit dans ce cadre : il s'agit d'étudier puis de concevoir un convertisseur de polarisation TE/TM intégré sur substrat semiconducteur III-V de type GaAs. Le composant se base sur les effets électro-optiques linéaires pour modifier l'état de polarisation du signal optique. Ainsi, en menant un étude sur les propriétés électro-optiques linéaires, nous avons montré que l'application de deux champs électriques croisés au niveau du guide optique permettait de modifier l'état de polarisation de la lumière avec une efficacité équivalente à celle des composants intégrés sur niobate de lithium. En modélisant la propagation des modes guidés à travers le composant, les paramètres structurels ont pu être déterminés de manière à répondre aux contraintes imposées par le mode de fonctionnement (biréfringence modale et pertes optiques TM minimales). Les guides de type "chargés enterrés" ont ensuite été réalisés en utilisant les techniques micro-photolithographiques. L'aspect relatif à la nature des contacts électriques a été ensuite développée puis les modulateurs ont été fabriqués. Les résultats issus de la caractérisation des composants sont très prometteurs et démontrent ainsi le potentiel des matériaux semiconducteurs.

La première thématique développée dans ce mémoire vise à développer de nouveaux algorithmes pour la commande des éoliennes reposant sur une machine asynchrone à double alimentation et des convertisseurs multi niveaux. Deux stratégies de contrôle direct du courant, basées sur l'Hystérésis à Zones Carrées et l'Hystérésis à Zones Circulaires (HZCi) ont été proposées. Celles-ci consistent à appliquer des vecteurs de tension appropriés pour contrôler les puissances actives et réactive générées et permettent également d'équilibrer les tensions du bus continu interne des convertisseurs. Des résultats de simulation et d'expérimentation montrent que la stratégie basée sur l'HZCi est meilleure en termes de forme d'onde et de contenu harmonique des tensions de sortie.La seconde concerne la supervision et la gestion des puissances active et réactive dans une ferme éolienne au vu de son intégration dans un réseau électrique. Cette supervision centralisée est assurée par un algorithme qui distribue les consignes de puissance aux éoliennes de la ferme de manière proportionnelle. Ces références sont fonction de la capacité maximale de production de l'éolienne. Pour cela, une analyse des transits de puissance dans le système éolien à base de la machine asynchrone à double alimentation a été effectuée. Elle a permis de déterminer la caractéristique (P, Q) du générateur et de calculer ses limites de compensation en termes de puissance réactive. Une gestion locale des puissances de chaque éolienne a été développée permettant ainsi une répartition des puissances entre le stator de la machine et le convertisseur coté réseau en considérant plusieurs modes de fonctionnement du système éolien.

Issus de l'industrie de la microélectronique, les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) envahissent progressivement le marché avec des applications dans de nombreux domaines tels que l'aérospatiale, la médecine, l'industrie ou encore le grand public. Une des vocations de ces microstructures est de permettre le déploiement de réseaux de capteurs autonomes, c'est-à-dire d'un ensemble de systèmes capables de collecter des informations de leur environnement, de les traiter, de les transmettre et d'interagir entre eux, et ceci, sans intervention humaine. Comment rendre ces microsystèmes énergétiquement autonomes ? Utiliser des piles... Malheureusement, le défaut majeur des piles est leur durée de vie, puisqu'il faudra à un moment ou à un autre les recharger ou les remplacer. En fait, avec la miniaturisation, les systèmes deviennent de moins en moins consommateurs d'énergie et ceci permet de concevoir de nouvelles sources d'énergie basées sur la récupération de l'énergie ambiante (soleil, gradients de température,...). Il est par exemple possible de récupérer l'énergie des vibrations ambiantes à l'aide de systèmes piézoélectriques, électromagnétiques ou encore électrostatiques. Dans ce travail de thèse, nous nous concentrons sur l'étude de structures électrostatiques utilisant les électrets (diélectriques chargés électriquement). De l'étude des électrets à la réalisation et à l'optimisation de structures de récupération d'énergie, nous exposons dans ce mémoire, les résultats obtenus au cours de ce travail de thèse.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans une thématique nouvelle pour 1*équipe Electronique de Puissance du LEG : "l'intégration hybride des composants passifs". Us portent sur la conception de composants passifs et s'attardent sur leur modélisation, leur réalisation et leur caractensation. Ces composants seront employés au sein d'un convertisseur AC-DC à prélèvement sinusoïdal qui servira de support à notre étude. Il ressort d'une évaluation de quelques convertisseurs que la structure à résonance série se prête bien à l'intégration. Les effets des interactions électriques en haute fréquence ont été pris en compte grâce à une nouvelle formulation axisymétrique. Cette dernière couplée avec les équations de circuit électrique s'avère bien adaptée pour la caractérisation électromagnétique des composants magnétiques. Les travaux de modélisation des composants passifs, développés au LEG, ont permis de caractériser la structure LCT en prenant en compte tous les aspects utiles de son comportement. Cela a conduit, en particulier, à l'évaluation des pertes dues au diélectrique. Les mesures ont montré que la structure LCT intégrée apporte surtout une meilleure compacité.

Ce sujet s'inscrit dans la continuité des travaux commencés au sein du L2ES dans le cadre du programme ECCE en partenariat avec CREEBEL qui assure le nancement. La plateforme ECCE est un véhicule hybride électrique série à 4 roues indépendantes d'une puissance nominale en propulsion de 120kW électrique. La source d'énergie principale est constituée de deux moteurs diesels entraînant deux alternateurs. L'énergie électrique produite alimente les 4 moteurs électriques de traction et le reste est stocké dans le pack des batteries. Cette thèse développe les stratégies de couplage énergétique entre ce pack des batteries et les supercondensateurs an d'assurer au véhicule une dynamique de fourniture et du stockage de l'énergie électrique. Une étude bibliographique a permis de passer en revue le bilan technologique et les applications potentielles des supercondensateurs, puis d'élaborer le modèle simplié des supercondensateurs qui traduit dèlement le comportement des cellules durant les phases de charge et de décharge. Diérentes topologies des convertisseurs DC/DC avec des stratégies originales de gestion d'énergie électrique embarquée sont traitées. Les topologies proposées sont basées sur les convertisseurs Buck-Boost et les convertisseurs DC/AC-AC/DC à étage intermédiaire haute fréquence. Pour une raison de coût, les maquettes expérimentales des topologies ont été réalisées à l'échelle réduite ( 1/10 ). Les résultats expérimentaux obtenus ont permis de comparer les performances des topologies pour deux types de commande. La stratégie de gestion d'énergie à base des correcteurs polynomiaux (RST) est comparée à celle utilisant des correcteurs PI classiques. Ces études comparatives ont permis de choisir la meilleure topologie destinée au couplage des supercondensateurs sur le bus continu du banc ECCE.

Ce document retrace mes activités d'enseignement effectuées depuis ma nomination à l'Institut National des Sciences Appliquées (INSA) de Lyon comme Maître de Conférences ainsi que mes activités de recherche menées au sein du Centre de Génie Electrique de Lyon (CEGELY), UMR CNRS 5005, devenu le Laboratoire Ampère depuis janvier 2007.<br /><br />La première partie dresse un bilan de mon parcours professionnel, de mes activités de recherche, de mes activités d'encadrement, de ma participation à l'administration et de mes activités d'enseignement.<br /><br />La seconde partie est consacrée à une présentation thématique des travaux menés dans les trois axes de recherche suivants : la commande pour des entraînements électriques, la commande des systèmes dynamiques hybrides et la commande des convertisseurs de puissance à découpage.<br /><br />Ma contribution scientifique à travers des publications et des communications sera listée dans la troisième partie.

La logique supraconductrice RSFQ (Rapide Single Flux Quantum) est une solution très attractive pour le <br />traitement des données à très haute fréquence avec une dissipation très faible et des performances nettement <br />supérieures à ce que la technologie CMOS pourra offrir dans la prochaine décennie. La technologie RSFQ <br />en nitrure de niobium (NbN) en cours de développement au CEA-G est basée sur des jonctions Josephson <br />NbN/Ta_{X}N/NbN auto-shuntées qui présentent une fréquence d'oscillation maximum proche du THz jusqu'à <br />10 K. L'objectif de cette recherche a été d'appliquer cette technologie NbN 9K à un CAN (Convertisseur <br />Analogique-Numérique) adaptable aux télécommunications spatiales. Une architecture de type CAN <br />sigma-delta a été étudiée, sur-échantillonnant à 200 GHz de fréquence d'horloge un <br />signal avec une bande de 500 MHz et modulé sur une porteuse de 30 GHz. En particulier une horloge, <br />un comparateur et différents portes <br />logiques ont été étudiés et conçus pour opérer à 200 GHz ainsi qu'un modulateur sigma-delta passe-bande <br />du troisième ordre dont les performances SNR, SFDR, devraient après optimisation satisfaire les objectifs <br />visés. La complexité de l'architecture du filtre de décimation a été analysée. Certains composants de base <br />du filtre, des diviseurs de fréquence et des registres à décalage, ont été étudiés et dessinés, enfin quelques <br />méthodes de test du modulateur sont proposées. Le travail d'implémentation de circuits NbN en technologie <br />multi-niveaux a été traité conduisant à la réalisation complète de deux lots de circuits qui pour des raisons <br />technologiques clarifiées ensuite n'ont pu aboutir au test des portes logique du CAN. Cependant, les marges de <br />fonctionnement des portes logiques NbN ont été déterminées grâce à la caractérisation de jonctions, SQUIDs <br />et de filtres (résonateurs) micro-ondes. Finalement, une étude comparative entre des circuits à jonctions NbN <br />auto-shuntées opérant à 9K en réfrigération allégée et des circuits similaires obtenus en fonderie Nb basés sur <br />des jonctions Nb/AlO_{X}/Nb shuntées en externe opérant à 4K, démontre tous les avantages qu'on peut espérer <br />attendre de la technologie NbN.

Un nouveau circuit de protection contre les surtensions a été développé. Dans ce circuit de protection, la partie<br />dissipative est monolithiquement intégrée dans la même puce du transistor à protéger avec aucune modification<br />technologique additionnelle. Cette intégration monolithique tire profit du système de refroidissement du<br />transistor à protéger pour le refroidissement de la partie intégrée. En même temps, elle réduit au minimum les<br />problèmes de connections entre le transistor à protéger et son système de protection. En plus, la conception de<br />ce circuit de protection permet d'ajuster le seuil de tension de protection. C'est utile pour la mise en série des<br />transistors pour des applications à haute tension. Un modèle du BJT comme transistor de protection est établi.<br />Ce modèle se distingue des modèles existants car il prend en compte que le BJT fonctionne en mode linéaire.<br />Un modèle thermique de l'ensemble des transistors intégrés évalue le comportement de ces transistors malgré la<br />différence entre leur mode de fonctionnement. Ce modèle donne une meilleure distribution des cellules du<br />transistor de protection dans la puce. Des résultats pratiques à partir des composants MOSFETs autoprotégés<br />que nous avons fabriqués valident la solution proposée. Un démonstrateur de hacheur série utilisant deux<br />MOSFETs autoprotégés en série montre l'efficacité de notre solution.

La pile à combustible (PAC) est une technologie maintenant maîtrisée qui permet de convertir efficacement le combustible hydrogène en énergie électrique et thermique avec un faible impact environnemental. L'extension de son utilisation dépend fortement de la qualité de l'interface électronique de puissance qui a pour l'objet d'adapter la pile à la charge. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de Doctorat s'intéresse à la conception d'une interface électronique de puissance pour la pile à combustible pour les trois domaines d'applications : télécommunication, transport et stationnaire. <br />Dans cette objective, l'approche modulaire, qui se base sur l'étude des convertisseurs unitaires et leurs modes de connexion, a été proposée afin de s'adapter à la modularité des stacks de PAC. Des modèles de pertes et de dimensionnement des composants passifs et semi conducteurs ont été construits. La technique de l'entrelacement est introduite afin de résoudre le problème de fort courant et permet d'optimiser le dimensionnement des inductances. Une nouvelle structure nommée double BOOST dual entrelacé (Interleaved Double Dual BOOST – IDD BOOST) a été proposée afin de résoudre les difficultés d'un convertisseur modulaire présentant une tension de sortie élevée et un rapport de tension important. Les stratégies de contrôle – commande multi sources ont été étudié en adaptant aux topologies de l'interface de puissance. Deux prototypes ont été réalisés afin de valider les résultats de prédiction de pertes ainsi que le contrôle commande multi sources.