Ces dernières années ont vu le fort développement des communications spatiales et avec lui le changement des contraintes de conception de ces systèmes. En effet, la multiplicité des applications hyperfréquences ainsi que leur ouverture au domaine grand public ont entraîné l'augmentation des densités d'intégration et des performances des systèmes, mais aussi la nécessité de prendre en considération leur fiabilité et les coûts de production. Ainsi, nos travaux portent sur l'étude et l'intégration de convertisseur de fréquence micro-ondes répondant à ces impératifs. Dans un premier temps, nous abordons les définitions relatives aux mélangeurs ainsi que les principales caractéristiques nécessaires à leurs évaluations. Nous présentons ensuite les différentes topologies de mélangeurs existantes en citant, pour chacune, ses avantages et ses inconvénients. La seconde partie de nos travaux de recherche est dédiée à la définition d'une cellule originale de mélange. Une méthode analytique de conception, basée sur le formalisme des matrices de conversion, nous a permis d'une part de définir des règles génériques de conception de mélangeur et d'autres part d'optimiser notre cellule de mélange suivant des critères fixés. Enfin, une partie importante de ces investigations est dédiée à l'étude de la stabilité non-linéaire des mélangeurs, point sensible de la topologie retenue. La dernière partie de ce mémoire est consacré à l'intégration monolithique et à la caractérisation du mélangeur performant envisagé pour deux technologies concurrentes : l'une basée sur des transistors à effet de champ à haute mobilité électronique sur Arséniure de Gallium et l'autre fondée sur des transistors bipolaires à hétérojonction Silicium/Silicium-Germanium. Pour cette dernière technologie, un effort a été porté sur la conception de circuits passifs fonctionnant aux fréquences millimétriques. La caractérisation des circuits a démontré le bien fondé des études présentées précédemment ainsi que l'aptitude de la technologie Silicium-Germanium pour l'intégration monolithique de systèmes aux fréquences millimétriques.

Les progrès réalisés en matière d'électronique de puissance, de circuits de commande ont contribué à l'utilisation grandissante des machines asynchrones dans les systèmes d'entraînements électriques. Le recours aux machines asynchrones est surtout lié à leur robustesse, leur puissance massique et à leur coût de fabrication. L'apparition dans les années 1980 des variateurs permettant de faire varier la fréquence de rotation dans une large gamme a largement favorisé son développement. En effet, il entre dans la conception de nombreux procédés industriels associant des convertisseurs statiques et des machines électriques.<br />La maintenance et la surveillance de ces deux systèmes permettent de rentabiliser les installations. Il est donc important de développer des outils de diagnostic pour détecter de manière précoce les défauts pouvant apparaître aussi bien sur le convertisseur que sur la machine. <br />Notre approche est basée sur l'utilisation des méthodes de reconnaissance des formes. Un vecteur de paramètres, appelé vecteur forme, est extrait de chacune des mesures effectuées sur la machine. Les règles de décisions utilisées permettent de classer les observations, décrites par le vecteur forme, par rapport aux différents modes de fonctionnement connus avec ou sans défaut. <br />Des défauts ont été créés au rotor et au stator de la machine asynchrone, alimentée soit à partir du réseau, soit par le biais d'un onduleur de tension. <br />La procédure de décision, basée sur la règle des k - plus proches voisins, associée à une fonction d'appartenance, permet de détecter l'évolution des modes de fonctionnements ainsi que les défauts avérés. Par la suite, le suivi d'évolution de ces modes est réalisé par une approche de type Kalman : un estimateur récursif de Kalman est utilisé pour déterminer les paramètres du modèle dynamique rendant compte de l'évolution d'un mode et un prédicteur de Kalman pour prévoir une évolution vers de nouvelles zones de l'espace. Ces algorithmes ont montré l'efficacité de l'application de la reconnaissance des formes au diagnostic.

Ce travail est relatif à l’augmentation du courant de court-circuit du réseau électriqueportuaire alimentant le navire. Ceci passe par une modélisation des réseaux des charges, dutransformateur et enfin convertisseurs concernés. Munis de cette compréhension du système,diverses solutions à base d’électronique de puissance ou d’éléments passifs ont étéinvestiguées, simulées et évaluées à l’aune des performances exigées. Pour l’augmentation ducourant de court-circuit, un transformateur spécialement créé pour cette application à deuxenroulements primaires est proposé. L’esprit de la solution est de modifier la configuration dutransformateur au moment de la détection du court-circuit en modifiant son rapport detransformation. Un banc de test temps réel hybride a été architecturé afin de tester cettesolution. Les essais sur le banc de test ont permis d’obtenir des résultats satisfaisants etencourageants qui corroborent la théorie. Pour finir des études complémentaires, sousdifférents scenarii, ont été menées en simulation hors ligne. / This work is about the short-circuit current increase, inside the harbor’s electrical networkthat supplies the electrical grid of each vessel docked in port. We analyze the system’srequirements, the load demands, the transformer and finally the modeling of the convertersinvolved. Armed with this understanding of the system, various solutions like powerelectronics devices or passive equipments were investigated, simulated and evaluated in termsof performance requirements. To increase the short-circuit current, we provide a noveltransformer with two primary windings. The purpose of this solution is to change theconfiguration of the transformer when the short circuit is detected by changing thetransformation ratio. A real-time hybrid test bench has been build in order to test the solution.The real-time tests have yielded good and encouraging results, supporting the theory. Finally,further studies under various scenarios were conducted in offline simulations.

Les progrès réalisés durant ces dernières années dans le domaine de la microélectronique et notamment vis-à-vis de l'augmentation exponentielle de la densité d'intégration des composants et des systèmes a participé activement à l'apparition et au développement de systèmes portables communicants de plus en plus performants et polyvalents. La R&D dans les technologies de stockage d'énergie n'a pas suivi cette tendance d'évolution très rapide ; ce qui constitue un handicap majeur dans les évolutions futures des systèmes portables. La transmission d'énergie sans fils sur des distances considérables (plusieurs dizaines de mètres) grâce aux microondes constitue une solution très prometteuse pour pallier aux problèmes d'autonomie dans le cas des systèmes sans fils communicants. De plus, du fait de l'omniprésence des ondes électromagnétiques dans notre environnement avec des niveaux plus ou moins importants, la récupération et l'exploitation de cette énergie libre est également possible. La rectenna (Rectifying Antenna) est le dispositif permettant de capter et de convertir une onde électromagnétique en une tension continue. Plusieurs travaux de thèse axés sur l'étude et l'optimisation de la rectenna ont été réalisés au sein du laboratoire. Ces travaux avaient montré que pour des faibles niveaux de champs les tensions délivrées par la rectenna sont généralement très faibles et inexploitables. Aussi, comme la majorité des micro-sources d'énergie et à cause de son impédance interne, les performances de la rectenna dépendent fortement de sa charge de sortie. Ainsi, le développement d'un système d'interfaçage de la rectenna est nécessaire afin de pallier ces manquements inhérents du convertisseur RF/DC. Ce genre de système d'interfaçage est généralement absent dans la littérature à cause des faibles niveaux de puissance exploités. Par conséquent, la rectenna est très souvent utilisée tel quelle ; ce qui limite fortement le champ applicatif. Dans ce projet de recherche, un système de gestion énergétique de la rectenna complètement autonome a été conçu, développé et optimisé afin de garantir les performances optimales de la rectenna quelques soient les fluctuations de la puissance d'entrée et celles de la charge de sortie. Le circuit d'interfaçage permet également de fournir à la charge des niveaux de tension utilisables. Le système réalisé est basé tout d'abord sur l'utilisation d'un convertisseur DC/DC résonant pouvant fonctionner d'une manière complètement autonome à partir de niveaux très bas de la tension et de la puissance de la source. Ce convertisseur permet donc de garantir l'autonomie du système en éliminant la nécessité d'une source d'énergie auxiliaire. A cause de ses faibles performances énergétiques, ce convertisseur ne sera utilisé que durant la phase de démarrage. L'efficacité du système en termes de rendement énergétique et d'adaptation d'impédance est garantie grâce à l'utilisation d'un convertisseur Flyback fonctionnant dans son régime de conduction discontinu. Ainsi, une adaptation d'impédance très efficace est réalisée entre la rectenna et la charge de sortie. Ce convertisseur principal fonctionnera durant le régime permanent. Les deux convertisseurs ont été optimisés pour des niveaux de tension et de puissance aussi bas que quelques centaines de mV et quelques μW respectivement. Des mesures expérimentales réalisées sur plusieurs prototypes ont démontré le bon fonctionnement et les excellentes performances prédites par la procédure de conception ; ce qui nous permet de valider notre approche. De plus, les performances obtenues se distinguent parfaitement vis-à-vis de l'état de l'art. Enfin, en fonction de l'application désirée, plusieurs synoptiques d'association des deux structures sont proposés. Ceci inclut également la gestion énergétique de la charge de sortie.

Le domaine de la conversion d'énergie requiert, la plupart du temps, la mise en œuvre d'études spécifiques et coûteuses pour répondre, avec les meilleures performances possibles (rendement, compacité, CEM), aux diverses applications. Afin de proposer une solution générique et évolutive, nous nous sommes intéressés à l'utilisation d'un réseau de micro- convertisseurs optimisés, de faible puissance, que l'on peut associer en série et/ou en parallèle, pour couvrir un large domaine d'applications. Dans ces conditions, un effort unique de réflexion est à porter sur le dimensionnement d'un micro-convertisseur optimisé qui joue le rôle de cellule élémentaire ou de brique de base pour l'établissement du réseau complet. Cependant, cela suppose de mettre en œuvre également une méthode de contrôle adaptée au grand nombre de micro-convertisseurs ainsi qu'une technique de communication entre tous les micro-convertisseurs, pour assurer un bon équilibrage de la puissance. L'objectif principal de cette thèse est de fournir une solution intégrée pour le contrôle à la fois des cellules de commutation internes du micro-convertisseur et du réseau lui-même. Pour y parvenir, une solution modulaire de contrôle entièrement décentralisé est proposée. Trois étapes essentielles sont alors étudiées : la génération des porteuses entrelacées, l'équilibrage des courants de phase et la régulation des grandeurs de sortie courant et/ou tension. Ces trois étapes sont abordées de manière à proposer une solution entièrement décentralisée. Plusieurs cartes de test ont été réalisées pour valider chaque fonction indépendamment. Un circuit intégré (démonstrateur), implémentant l'ensemble des fonctions nécessaires au contrôle d'un micro-convertisseur 5V-2A-1MHz, a également été conçu et testé. Les résultats expérimentaux montrent clairement la validité des solutions proposées, ce qui ouvre la voie vers un contrôle mieux adapté aux nouveaux types d'architectures multi-phasées et distribuées en réseau.

Les Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) mettent en oeuvre le métabolisme de micro-organismes et utilisent de la matière organique pour générer de l'énergie électrique. Les applications potentielles incluent le traitement d'eau usée autonome en énergie, les bio-batteries, et le grappillage d'énergie ambiante. Les PCMs sont des équipements basse-tension et basse-puissance dont le comportement est influencé par la vitesse à laquelle l'énergie électrique est récupérée. Dans cette thèse, on étudie des méthodes pour récupérer l'énergie électrique de façon efficace. La tension à laquelle l'énergie est récupérée des PCMs influence leur fonctionnement et leurs performances électriques. La puissance délivrée est maximum pour une tension spécifique (environ 1/3 de la tension en circuit-ouvert). Les PCMs ont été testées à ce point en utilisant une charge contrôlée automatiquement qui inclut un algorithme de recherche de puissance maximale. Un tel outil a été utilisé pour évaluer la puissance maximum, la vitesse de consommation du combustible, le rendement Coulombic et le rendement de conversion de 10 PCMs à chambre unique de 1.3 L, construites de façon similaire. Bien que d'autres choix structurels et opératoires peuvent permettre d'améliorer ces performances, ces résultats ont étudié pour la première fois les performances des PCMs en condition de production d'énergie de point de puissance maximal et les PCMs ont été testées avec des conditions de récupération d'énergie réalistes. Récupérer un maximum d'énergie des PCMs est la ligne directrice de ce rapport. Cela est rendu possible par des circuits dédiés de gestion de l'énergie qui embarquent un contrôle contre-réactif pour réguler la tension des PCMs à une valeur de référence qui est égale à une fraction de leur tension en circuit ouvert. Deux scénarios typiques sont développés dans la suite. Une application critique des PCMs concerne le grappillage autonome de petites énergies, pour alimenter des équipements électroniques basse-puissance (e.g. capteurs sans fil). Dans ce cas, les contraintes basse-puissance et basse-tension imposées par les PCMs nécessitent des fonctionnalités de démarrage autonomes. L'oscillateur d'Armstrong, composé d'inductances couplées à fort rapport d'enroulement et d'un interrupteur normalement-fermé permet d'élever des tensions de façon autonome à partir de sources basse-tension continues comme les PCMs. Ce circuit a été associé à des convertisseurs d'électronique de puissance AC/DC et DC/DC pour réaliser respectivement un élévateur-de-tension et une unité de gestion de l'énergie (UGE) auto-démarrante basée sur une architecture flyback. La première est adaptée pour les puissances inférieures à 1 mW, alors que la seconde peut être dimensionnée pour des niveaux de puissance de quelques mW et permet de mettre en oeuvre une commande qui recherche le point de puissance maximal du générateur. Une seconde application d'intérêt concerne le cas où de l'énergie est récupérée depuis plusieurs PCMs. L'association série peut être utilisée pour élever la tension de sortie mais elle peut avoir des conséquences négatives en terme de performances à cause des non-uniformités entre cellules. Cet aspect peut être résolu avec des circuits d'équilibrage de tension. Trois de ces circuits ont été analysés et évalués. Le circuit " complete disconnection " déconnecte une cellule défectueuse de l'association pour s'assurer qu'elle ne diminue pas le rendement global. Le circuit " switched-capacitor " transfère de l'énergie depuis les MFCs fortes vers les faibles pour équilibrer les tensions de toutes les cellules de l'association. Le circuit " switched-MFCs " connecte les PCMs en parallèle et en série de façon alternée. Chacune des trois méthodes peut être mise en oeuvre à bas prix et à haut rendement, la plus efficace étant la " switched-capacitor " qui permet de récupérer plus de 85 % de la puissance maximum idéale d'une association très largement non uniforme

Les convertisseurs de puissance multicellulaires trouvent une place privilégiée dans le contrôle des systèmes de très forte puissance. Dans ce travail de thèse une nouvelle classe de convertisseurs de puissance est étudiée les Convertisseurs Multicellulaires Parallèles (CMP). La topologie de ces convertisseurs repose sur une association de n cellules de commutationinterconnectées par l'intermédiaire d'inductances indépendantes, appelées aussiinductances de liaison. Le CMP permet d'atteindre un courant de sortie égal à n fois le courant d'entrée du convertisseur, l'inconvénient majeur de ce type de convertisseur est le déséquilibrage des courants de branches . Dans le but de réduire et d'économiser le nombre de capteurs, nous avons proposé dans la première partie de la thèse une analyse d'observabilité spécifique à une classe de système dynamique hybride appelée Z(TN)-Observability et synthétisé un observateur hybride en utilisant l'algorithme super twisting. La deuxièmepartie du travail a été consacrée à la synthèse d'une loi de commande pour la régulation des courants de branches. En effet, le régulateur proposé est un régulateur hybride en basant sur la modélisation par réseaux de pétri de l'algorithme de contrôle. Enfin, Les deux parties théoriques sont suivies par une réalisation pratique d'un CMP à trois cellules de commutation pour valider les deux approches proposées. Les résultats expérimentaux nous ont montré les performances de l'observateur et le régulateur de courant et de tension de sortie.

L'utilisation de systèmes de stockage de l'énergie électrique tels que les batteries nécessite l'assemblage de plusieurs cellules. Comme chacune de ces dernières peut avoir des caractéristiques légèrement différentes ainsi que des conditions d'environnement thermique ou de vieillissement distinctes, l'utilisation d'un système d'équilibrage permettant une bonne gestion de la répartition de l'énergie au sein des éléments qui composent le pack est nécessaire. Les travaux de recherche présentés se rapportent à l'étude et à la conception d'un tel circuit d'équilibrage à base de convertisseurs d'énergie intégrables ainsi qu'aux sollicitations électriques engendrées dans les cellules lors de son utilisation.

Depuis ces années, le développement de systèmes de stockage d'énergie pour la mobilité électrique avec davantage d'autonomie de durabilité est au cœur des contraintes de développement des véhicules électriques ou hybrides entraînant une émergence de l'utilisation des systèmes de management ainsi que des circuits d'équilibrage. Les travaux de thèse portent sur la conception et la réalisation d'une nouvelle structure d'équilibrage à base du réseau de micro-convertisseurs (RµC) utilisant les matrices de connections ainsi que les stratégies de commande appropriées. L'objectif principal est de concevoir un équilibreur actif forcé de haute performance, intégrable à base de technologies d'aujourd'hui et avec une stratégie de contrôle simple à mettre en œuvre. Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres : approche du RµC versus l'équilibrage des batteries, conception de la structure et des stratégies d'équilibrage à base du RµC, conception et dimensionnement du système de contrôle intégrée, version intégrée de l'équilibreur-perspectives. Les premiers prototypes de l'équilibreur utilisant des composants discrets ont été mis en place afin de valider notre structure ainsi que les solutions de contrôle proposées. La réalisation des versions intégrées en se basant sur l'utilisation les technologies disponible au sein du laboratoire ouvre un avenir promettant pour les systèmes de management de batterie.

Ce mémoire d'HDR synthétise les travaux menés de 1983 à 1994 sur les machines à réluctance variable. Ils concernent leur conception intégrant les contraintes de l'électronique de puissance et leurs capteurs d'autopilotage. Ces travaux ont été associés à plusieurs réalisations de prototypes allant de la dizaine de watts à plusieurs dizaines de kilowatts. Le mémoire inclut également le CV de l'auteur et une chapitre historique concernant les machines électriques.