La tendance actuelle vers la miniaturisation des circuits électroniques a poussé vers ledéveloppement des systèmes sur puce (SoC : System on Chip) contenant plusieurs composants. Cescomposants réalisant des fonctions variées, ont besoin de différentes tensions d'alimentation fourniesà l'aide de plusieurs convertisseurs DC/DC connectés à l'alimentation du SoC. Actuellement, laplupart des circuits électroniques dans les applications portables contiennent des convertisseursDC/DC conventionnels utilisant une inductance pour stocker transitoirement l'énergie électrique.L'inductance étant un composant passif difficilement intégrable, ces convertisseurs sontconnectés à l'extérieur de la puce. Une alternative aux convertisseurs conventionnels est leconvertisseur à capacités commutés, qui a l'avantage d'être facilement intégrable sur silicium.Toutefois, il présente des limitations à cause de la dépendance du facteur de conversion avec lenombre de condensateurs. De plus, les pertes inhérentes à la charge et à la décharge descondensateurs font diminuer son rendement. Il est donc intéressant de trouver une nouvellealternative pour concevoir un convertisseur DC/DC compact et performant afin d'obtenir un circuitélectronique complètement intégrable sur silicium.Le sujet de cette thèse répond au besoin d'une nouvelle méthode de conversion DC/DCintégrable sur silicium et à haut rendement. L'idée est d'utiliser une capacité variable mécaniquementà la place d'une inductance pour stocker l'énergie électrique transitoire. Le condensateur variable serafabriqué par des procédés de fabrication de microsystème MEMS sur silicium ce qui permet d'intégrerla totalité du convertisseur.Dans ce mémoire, nous expliquons tout d'abord le principe et le fonctionnement d'un abaisseur etd'un élévateur de tension utilisant notre nouvelle approche. Par la suite, nous présentons laconception et la fabrication d'un MEMS adapté à la conversion de tension. Finalement, nousexpliquons notre méthode de contrôle utilisant une commutation à zéro de tension. Le rendement d'unélévateur 10V-20V obtenu par simulation est de l'ordre de 88% lorsque la gestion électrique estréalisée avec des composants discrets. Ce rendement très prometteur, devrait être amélioré dans lefutur lorsque tout le système sera intégré sur silicium.

La connexion entre un générateur photovoltaïque (GPV) et une charge de type continu reste encore un sujet d'étude. L'adaptation d'impédance entre un générateur PV et une charge de type continu est un problème technologique que signifie essentiellement le transfert du maximum de puissance du générateur PV à la charge. La littérature propose une grande quantité de solutions sur l'algorithme de contrôle effectuant une recherche de PPM lorsque le GPV et la charge sont connectés à travers un convertisseur statique. Le problème est abordé dans sa globalité dans cette thèse par une approche systémique du point de vue architecture de conversion et mode de commande associée visant des rendements, fiabilités et flexibilités élevés. Deux voies de recherches ont été menées sur les étages d'adaptation selon d'une part, le concept de transformateur DC et d'autre part, celui de girateur DC. Le premier correspond à une modélisation classique des fonctions basiques idéalisées d'un convertisseur DC/DC en régime établi. Le second correspond au comportement en régime établi d'un girateur de puissance. Concernant les girateurs de puissance, comme ces structures sont peu connues dans le domaine de la conversion de puissance, nous avons mis au point une méthodologie pour la conception et la classification des différents types de girateurs de puissance existants. Dans les deux cas, la réalisation d'étages d'adaptation pour GPV a été menée à travers plusieurs structures simples de convertisseurs statiques pour valider les performances réelles de chacun et en préciser l'utilisation la plus appropriée.

Ces travaux concernent la recherche des formes optimales de courant d'alimentation qui minimise la « puissance apparente silicium » du convertisseur statique des machines à réluctance variable. Des facteurs de dimensionnement des convertisseurs ont été définis par analogie avec le facteur de puissance des moteurs à courant alternatif alimentés en régime sinusoïdal. Une étude théorique prenant en compte les spécificités (saturation magnétique et formes d'onde de perméance non sinusoïdales) ainsi que la diversité de caractéristiques de ces machines a conduit à élaborer des modèles et à découvrir que, pour tirer le meilleur parti de l'onduleur, il fallait alimenter chaque phase par des créneaux de tension (pleine onde) et des courants unidirectionnels. Des limites théoriques des facteurs de dimensionnement des convertisseurs ont été mises en évidence. Il est apparu que, contrairement à une idée très répandue, les facteurs de dimensionnement des machines à réluctance variable pouvaient atteindre des valeurs équivalentes voire plus faibles que celles des moteurs classiques synchrones et asynchrones. Mais pour cela, il est nécessaire que la machine présente certaines caractéristiques électromagnétiques favorables. La plus importante d'entre elles, comme on pouvait le prévoir, était l'amplitude de la variation d'inductance ou encore le rapport des valeurs maximale à minimale de cette même inductance. Mais la saturation magnétique joue également un rôle favorable. Des régimes d'alimentation excités (notamment en conduction continue) ont montré également des améliorations très intéressantes. Enfin, une réalisation expérimentale sur un moteur de quelques centaines de watts, a permis de valider les modèles et les résultats. Un régime excité (polarisation en courant continu du circuit magnétique) s'est également révélé particulièrement intéressant en termes de minimisation de la puissance silicium apparente.

L'utilisation directe d'hydrogène comme vecteur énergétique pour des applications embarquées doit actuellement faire face à l'absence d'infrastructure de distribution et à des difficultés technologiques liées au problème du stockage de l'hydrogène. Une étape transitoire possible avant le passage à une économie " direct hydrogène " consiste à produire l'hydrogène à bord du véhicule à partir des carburants automobiles traditionnels. Le reformage assisté par plasma hors équilibre constitue une alternative au reformage catalytique qui, bien que largement utilisé à l'échelle industrielle, reste peu adapté aux contraintes des systèmes embarqués. Ce travail s'inscrit dans le cadre de recherches menées depuis une quinzaine d'années par le Centre Energétique et Procédés de l'Ecole des Mines de Paris, dans le domaine de la conversion d'hydrocarbures par voie plasma. Il a conduit à la réalisation et à la caractérisation d'un banc d'essai de reformage assisté par plasma hors équilibre. Le développement du dispositif expérimental, constitué d'une torche plasma et de son alimentation électrique, s'est appuyé sur la mise au point de deux types de générateurs : un générateur conventionnel basé sur un transformateur haute tension et un générateur électronique original de type convertisseur à résonance qui permet le contrôle continu du courant de décharge dans des conditions de haute tension-faible courant. La caractérisation électrique du système convertisseur / torche plasma, en fonctionnement non réactif à l'air, a permis de distinguer différents régimes de décharge fortement dépendants des régimes thermiques et des paramètres d'écoulement du gaz. La modélisation du reformage de l'octane a montré, au travers d'une étude thermodynamique et d'une étude cinétique basée sur trois approches de complexité croissante, l'influence des principaux paramètres opératoires et a permis de mettre en évidence le rôle du plasma sur les réactions de reformage. Les résultats expérimentaux, en accord avec les résultats théoriques obtenus, ont été comparés aux résultats issus de la littérature. Dans une dernière partie, l'utilisation d'un procédé de reformage plasma comme composant du système global : reformeur / pile à combustible a été étudiée et quelques perspectives d'évolution de la technologie plasma ont été présentées.

L'expansion du marché des semi-conducteurs dans tous les secteurs d'activité résulte de la capacité de créer de nouvelles applications grâce à l'intégration de plus en plus de fonctionnalités sur une surface de plus en plus faible. Pour chaque entreprise, la compétitivité dépend du coût de fabrication mais aussi de la fiabilité du produit. Ainsi, la phase de test d'un circuit intégré, et plus particulièrement des circuits analogiques et mixtes, est le facteur prédominant dans les choix d'un compromis entre ces deux critères antagonistes, car son coût est désormais proche du coût de production. Cette tendance contraint les acteurs du marché à mettre en place de nouvelles solutions moins onéreuses. Parmi les recherches dans ce domaine, la conception en vue du test (DfT) consiste à intégrer pendant le développement de la puce, une circuiterie additionnelle susceptible d'en faciliter le test, voire d'effectuer un auto-test (BIST). Mais la sélection d'une de ces techniques nécessite une évaluation de leur capacité de différencier les circuits fonctionnels des circuits défaillants. Ces travaux de recherche introduisent une méthodologie d'estimation de la qualité d'une DfT ou d'un BIST dans le flot de conception de circuits analogiques et mixtes. Basée sur la génération d'un large échantillon prenant en compte l'impact des variations d'un procédé technologique sur les performances et les mesures de test du circuit, cette méthodologie calcule les métriques de test exprimant la capacité de chaque technique de détecter les circuits défaillants sans rejeter des circuits fonctionnels et d'accepter les circuits fonctionnels en rejetant les circuits défaillant. Ensuite, le fonctionnement d'un auto-test numérique adapté aux convertisseurs sigma-delta est présenté ainsi qu'une nouvelle méthode de génération et d'injection du stimulus de test. La qualité de ces techniques d'auto-test est démontrée en utilisant la méthodologie d'estimation des métriques de test. Enfin, un démonstrateur développé sur un circuit programmable démontre la possibilité d'employer une technique d'auto-test dans un système de calibrage intégré.

Cette thèse s'intéresse à la commande et l'observation d'une classe de systèmes linéaires à commutations (SLC). La classe considérée regroupe les systèmes pouvant être représentés par un modèle Hamiltonien à ports. Récemment, plusieurs travaux ont utilisé la théorie des systèmes dynamiques hybrides pour traiter les problèmes de stabilité, de commandabilité et d'observabilité des systèmes linéaires à commutations. Cependant, certains verrous scientifiques demeurent et nécessitent d'être levés tels que la synthèse d'observateurs pour des SLC présentant des modes de fonctionnement inobservables ou la commande hybride de systèmes possédant un nombre réduit d'entrées de commutations et un nombre élevé de variables d'état à contrôler. Dans ce travail, nous nous intéressons à la synthèse d'observateurs s'appuyant sur la modélisation moyenne et la modélisation hybride de SLC ayant une topologie Hamiltonienne à ports particulière. Ce formalisme possède les outils nécessaires pour établir des preuves de stabilité des erreurs d'observation. Dans un premier temps, nous proposons un observateur non linéaire reposant sur le modèle moyen de la classe des SLC considérée. Ensuite, nous traitons le problème de synthèse d'un observateur hybride où nous proposons un observateur commuté prenant en compte les modes de fonctionnement inobservables. Le problème de la commande des SLC est abordé par la suite. Au départ, la théorie de Lyapunov est utilisée pour proposer deux lois de commandes : La première est synthétisée à partir du modèle moyen et la deuxième exploite le modèle hybride. Une commande optimale hybride est élaborée en utilisant le principe du maximum de Pontryagin et une approche utilisant la recherche d'arcs singuliers. Finalement, une commande prédictive hybride est établie à partir d'un modèle discrétisé du système. Des résultats de simulation et une mise en œuvre expérimentale sur un convertisseur DC-DC SEPIC sont donnés pour montrer l'efficacité des méthodes proposées. L'étude d'un tel circuit est motivée par sa topologie particulière qui contient à la fois un mode de fonctionnement observable et un mode de fonctionnement inobservable. En outre, il possède une seule entrée de commutations et quatre variables d'état ce qui lui vaut la réputation être difficile à commander.

La topologie modulaire multiniveaux est une structure d'électronique de puissance construite par la mise en série de sous-modules identiques, composés chacun d'une cellule de commutation et d'un condensateur. Un tel système de conversion pouvant comporter un grand nombre de cellules permet d'augmenter le rendement global et la qualité des signaux en sortie. De plus, il permet d'utiliser des composants basse tension présentant un meilleur comportement dynamique et un rapport qualité-prix bien supérieur aux composants moyenne tension. Il permet également, par rapport aux structures conventionnelles, une grande souplesse pour la conception et la fabrication du fait de son aspect modulaire, tout en s'affranchissant d'un transformateur volumineux et onéreux en entrée. Comparé aux autres types de topologies, avantageuses avec un nombre limité de niveaux, le convertisseur modulaire multiniveaux semble être mieux adapté aux applications en moyenne et haute tensions, qui sont tributaires de l'association des composants de puissance. Néanmoins, pour la variation de vitesse, un certain nombre de défis technologiques ont été mis en évidence, compte tenu du fonctionnement particulier de l'onduleur modulaire multiniveaux et des contraintes imposées par l'opération en très basse fréquence. En le fonctionnement normal, la forme d'onde des courants internes, contrairement aux autres types de topologies, n'est pas symétrique en raison de la distribution du courant direct dans chaque bras. Cela entraîne une disparité significative en termes de dissipation thermique parmi les interrupteurs constituant un sous-module. Avec le choix d'une technologie de packaging 3D, la possibilité de refroidir les puces semi-conductrices en double-face offre une meilleure capacité de refroidissement et une nouvelle perspective de conception des modules pour cette application. Un nouveau concept de report de puces est présenté et un prototype de tel module a été réalisé, modélisé et caractérisé. Il permet d'équilibrer globalement la chaleur dissipée par les puces sur les deux faces du module, problème inhérent à l'emploi de structure 3D. Conjugué à la mutualisation d'un interrupteur par deux puces en parallèle, la nouvelle architecture a aussi pour objectif d'équilibrer le refroidissement double-face dans le temps. En effet, pour les opérations en basse fréquence, les interrupteurs fonctionnent en régime instationnaire avec de forte variation de température, il n'est donc plus possible de compenser les effets thermomécaniques de chaque composant l'un par l'autre, comme en régime stationnaire et avec un positionnement planaire des puces. D'autre part, d'un point de vu systémique, la stratégie de commande et le dimensionnement des condensateurs flottants de l'onduleur modulaire multiniveaux sont deux aspects intimement liés. En effet, les condensateurs flottants sont le siège d'ondulations de tension de très forte amplitude. Cela a pour effet de déstabiliser l'onduleur, voire de provoquer la destruction des composants en atteignant des niveaux de tension trop élevés. Ainsi, des contrôleurs judicieusement conçus permettent de réduire les ondulations indésirables, et a fortiori, d'embarquer des capacités moins importantes dans le système, tant que ces dernières sont inversement proportionnelles à l'ondulation de la tension. Afin d'avoir une compréhension approfondie sur les dynamiques régissant le convertisseur modulaire multiniveaux, un modèle dynamique global basé sur la représentation d'état a été établi. Bien que cette représentation soit limitée à l'harmonique 2 des grandeurs caractéristiques, elle permet une fidèle interprétation du mécanisme de conversion sans passer par des modèles énergétiques bien plus complexes à exploiter, et de proposer des lois de commande montrant leur efficacité notamment autour de la fréquence nominale. Cela a été vérifié sur une maquette de puissance réalisée dans le cadre de cette thèse. / Multilevel modular topology converts energy between two direct and alternative endings. This structure is constructed by the series connection of identical sub-modules, composed of a switching cell and a floating capacitor, and with arm inductors. Such a conversion system may reach a large number of levels increases the overall efficiency and quality of the output signals. In addition, it allows the use of low voltage components with better dynamics and cost effectiveness above the high voltage components. It also allows flexibility in the work of design and manufacture due to its modularity, while avoiding a bulky and expensive input transformer, regarding the conventional technology. Compared with other types of topologies, advantageous with a limited number of levels, the modular multilevel converter seems to be more suited for medium and high voltage applications, which are dependent on the association of power components. However, for variable speed drive application, a certain number of technological challenges have been highlighted, given the specific functional characteristics of the modular multilevel inverter and the constraints imposed by the very low frequency operation. On the one hand, for the normal operation of a multilevel modular converter, the waveform of the internal currents, in contrast to other types of topologies, is not symmetrical due to the distribution of the direct current in each phase leg. This may entail a significant disparity in terms of heat dissipation within the switching devices constituting a sub-module. Therefore, the problem of thermal management of active components is emphasized in the use of a modular multilevel converter. With the choice of a 3D packaging technology, interconnection by bumps, the ability to cool the semiconductor chips through the both sides of a module offers better cooling effects and a new perspective to design the power module for the studied structure. The concept of laying chips on both the two substrates of module without facing each other provides overall balanced dissipation in the space and permit to overcome the unbalanced heat distribution induced by bumps. Combined with the sharing of a switch by two chips in parallel, the proposal of the new architecture for 3D power module also aims to balance the double-sided cooling in the time range. Indeed, for the very low frequency operation, the switches operate in unsteady state where each switch has its own thermal behavior, it is no longer possible to compensate the thermo-mechanical constraints over each component with the help of the others, as in steady state and with a planar chips positioning scheme. On the other hand, from a systemic point of view, the control strategy and the dimensioning of floating capacitors of modular multilevel inverter are two interrelated aspects. Because the floating capacitors, having the role of energy sources, are loaded / unloaded through the modulation period, which causes very high voltage ripples across those capacitors with a very low frequency. This will destabilize the inverter and even provoke the destruction of components by approaching too high voltage levels. Thus, wisely designed controllers reduce unwanted ripples and, furthermore, allow embarking much smaller capacity in the system, as they are inversely proportional to the voltage ripple. In order to have a thorough understanding on the dynamics governing the modular multilevel converter, a comprehensive dynamic model based on state-space representation was established. Although this representation is limited to the second harmonic of characteristic variable, it allows a faithful interpretation of the conversion mechanism without using energy models, more complex to operate, and control laws can also be proposed and their effectiveness around the nominal frequency has been underlined. Concerning the very low frequency operations, another solution has been proposed and is ongoing patent pending.

Dans le cadre du dimensionnement des systèmes de conversion statique d’énergie implantés dans des réseaux électriques, il est important de respecter certaines normes harmoniques. Pour caractériser celles-ci, on doit utiliser des approches des modélisations fréquentielles : soit numérique, soit semi-analytique. La deuxième est préférable pour à une procédure de dimensionnement par optimisation de système, qui requiert un modèle rapide et peut accepter beaucoup de contraintes. Cependant, la difficulté principale apparaît lors de la modélisation analytique des structures d’électronique de puissance, notamment celles ayant de la commutation naturelle.Cette thèse propose une approche de modélisation semi-analytique où la résolution des équations implicites est faite par Newton-Raphson ou SQP. Cependant, cette approche pose des difficultés de convergence de la méthode utilisée du point de vue numérique et du point de vue du mode de fonctionnement du convertisseur statique. Ainsi, cette thèse propose différentes alternatives pour les résoudre.En terme d’illustrations, cette thèse s’appuie particulièrement sur des applications avec des redresseurs à diodes qui sont largement utilisés dans les sous-stations de réseaux ferroviaires ou dans les réseaux d’avion,Notamment, un canal de puissance typique d’un Airbus de « nouvelle génération » sert d’application du point de vue de dimensionnement par optimisation. / For the design of static energy conversion systems from power grids, harmonic standards have to berespected. To characterize them, frequency modeling approaches, either numerical or semi-analytical. Thesecond one is more advisable for the sizing by optimization of systems, where a fast model is required and manyconstraints have to be carried out. However, the main difficulties happen in the analytical modeling of powerelectronics structures, especially those with soft commutations.This thesis proposes a semi-analytical modeling approach where the solving of implicit equations iscarried out by Newton-Raphson or SQP. The convergence difficulties are analyzed in two viewpoints:numerically and according the operating mode of the static converters. Then, alternatives are proposed to solvethem.To illustrate the problematic, applications with diode rectifiers (widely used in railway electrical gridsubstations or airline electrical grid) are used. Especially, the sizing of power channel of « new generation» of anAirbus, is made by optimization, using the proposed modelling approach.

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

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.