L’autonomie limitée du véhicule électrique est le premier frein au développement du marché de l’électrique. La charge inductive dynamique répond à ce problème, en offrant de charger son véhicule en roulant. La principale difficulté est de gérer les variations importantes du couplage magnétique lors du déplacement du véhicule, et ce pendant le transfert de puissance. Une précédente thèse dans l’équipe de recherche sur un prototype de 3 kW avait abouti au concept de recopie de tension, qui stabilise la tension en sortie du coupleur malgré la variation de couplage, et facilite notablement la conception du convertisseur DC/DC faisant interface avec la batterie. La thèse présentée ici porte sur l’adaptation du système pour fonctionner de 20 kW à 30 kW. Cette montée en puissance n’est pas évidente, du fait des importantes contraintes électriques sur les bobines du coupleur (1,4 kV sur le système de 3 kW), et du champ rayonné limité par des références normatives. Tout d’abord, nous proposons une nouvelle commande du circuit résonnant, qui permet de modifier le dimensionnement pour aboutir à des contraintes électriques plus faibles tout en conservant la recopie de tension. Ensuite, une forme de bobine en huit est étudiée pour aider à réduire le champ rayonné. Enfin, une démarche de dimensionnement est établie pour la partie électrique du système, ainsi que pour le coupleur magnétique, alliant modèle analytique et simulations à éléments finis et réduisant considérablement les temps de simulations. Les résultats de l’évaluation des performances du système dimensionné pour la haute puissance sont prometteurs. / The limited electric-vehicle distance range is the main reason hindering the development of the electric transportation market. Dynamic inductive charging solves this problem, offering the possibility to charge while driving. The main issue consists in handling wide magnetic coupling variations when the vehicle is moving, while charging. A previous thesis in the research team on a 3-kW prototype led to the concept of voltage copying, which stabilises the coupler output voltage despite the varying coupling, making it easier to design the DC/DC converter linking the coupler to the battery. The hereby thesis deals with adapting this system to transfer from 20 kW to 30 kW. Raising the power is no small matter, due to the high electrical constraints on the coupled coils (1.4 kV on the 3-kW system), and the radiated field, limited by standardised thresholds. Firstly, a new control of the resonating circuit is proposed, allowing to change the system design to get lower electrical constraints and maintaining voltage copying properties. Then, an eight-shape coil was investigated in order to reduce the radiated field. Finally, a design method was conceived for the electrical part of the system, as well as the magnetic coupler, using jointly analytical models and finite element simulations to reduce simulation times. Results of the evaluated performance for such a high-power system are quite promising.

Ces travaux de thèse traitent de l'approximation en dimension finie de système de dimension infinie. La classe considérée est celle des systèmes hamiltoniens à ports. Nous étudions dans un premier temps les systèmes d'équations différentielles ordinaires. Sur la base d'un intégrateur énergétique, nous définissons une classe de dynamiques passives discrètes qui est invariante par interconnexion. Nous obtenons alors des conditions de stabilité (LMI) pour des dynamiques en réseau en présence de retards et d'incertitudes, et proposons une méthode de synthèse énergétique stabilisante. Ces développements ont été validés expérimentalement par la mise en oeuvre d'une commande énergétique sur un convertisseur de puissance (Buck). Nous étudions ensuite le formalisme hamiltonien en dimension infinie. Nous proposons une approximation qui combine une semi-discrétisation et un intégrateur énergétique. La composabilité mixte est étudiée et une méthode de synthèse IDA-PBC a été développée. L'ensemble des résultats obtenus sont illustrés numériquement dans le manuscrit. / This thesis work dealing with finite dimensional approximation of infinite dimension system. The class considered is that of Hamiltonian systems in ports. We study initially ordinary differential equations systems. Based on an energy integrator, we define a class of discrete passive dynamics is invariant interconnection. We obtain the stability conditions (LMI) for dynamic network in the presence of delays and uncertainties, and propose a method of stabilizing energy synthesis. These developments were experimentally validated by the implementation of an energy control a power converter (Buck). We then study the Hamiltonian formalism in infinite dimensions. We offer an approximation that combines a semi-discretization and an energy integrator. The mixed composability is studied and a method of synthesis IDA-PBC was developed. All the obtained results are numerically illustrated in the manuscript.

La diode Schottky SiC est un composant qui peut potentiellement remplacer la diode PiN Si dans les applications de puissance. Effectivement, la tenue en tension élevée, la faible résistivité, ainsi que l’indépendance de la température du courant de recouvrement rendent cette diode idéale pour les convertis- seurs de puissance DC/DC. Cependant, face à l’abondance des composants Si sur le marché, la diode Schottky rencontre une certaine réticence. Malgré les nombreuses démonstrations de systèmes électroniques de puissance réalisés, la fiabilité de cette technologie n’arrive pas à convaincre. Cette étude porte sur la caractérisation en régime statique sur une large gamme de températures et l’évaluation de la fiabilité en surcharge des diodes Schottky et JBS SiC-4H. La caractérisation en température a permis de proposer des modèles de la carac- téristique directe et inverse sur une gamme étendue de températures. Les tests en surcharge ont permis de comparer la fiabilité de diodes expérimentales et commerciales à fin de montrer la maturité de cette technologie. / The SiC Schottky diode can potentially replace the PiN diode in power appli- cations. As a matter of fact, high blocking voltage, low resistivity as well as temperature independence of the reverse recovery current make this diode ideal for DC/DC power converters. Nevertheless, Schottky diodes meet some reluc- tance before the abundance of PiN Si diodes. Despite the numerous demons- trations of power electronics systems, there are still some reliability aspects to improve. This study focuses on static characteristic in a large temperature range and reliability assessment of repetitive surge test of Schottky and JBS diodes. The measurements of forward and reverse characteristics yielded new models in a wide temperature range. Repetitive surge tests enabled us to com- pare the reliability of experimental and commercial diodes in order to prove the maturity of this technology.

Les énergies fossiles (Pétrole, Charbon, …) représentent 80 % des énergies consommés. Malheureusement pour l’environnement, elles sont les plus polluantes. Le remplacement actuel des énergies fossiles permet au marché de l’électronique de puissance de grandir d’année en année. L’électronique de puissance permet d’adapter l’énergie électrique à son utilisation finale. Dans la pratique, l’adaptation de l’énergie électrique utilise des convertisseurs. En plus de respecter le volume, l’efficacité et la fiabilité imposés par le cahier des charges pour chaque application, l’électronique de puissance doit aussi permettre de réduire sensiblement les coûts. Le convertisseur doit assurer le fonctionnement électrique du circuit, le support mécanique des composants et la gestion thermique. Le package utilisé par les nouveaux composants à grand gap limite leurs performances. L’intégration des convertisseurs doit développer des méthodes d’interconnexion permettant d’éliminer ce package. L’objectif de la recherche sur l’intégration des convertisseurs est de repousser les limites imposées par un cahier des charges standard tout en assurant ces 3 fonctions principales. Parmi les nombreuses techniques d’intégration, le circuit imprimé (PCB) est mature industriellement, permet la fabrication collective et un assemblage automatisé. L’intégration utilisant le PCB a développé la technique d’enfouissement de puce avec laquelle la puce est directement enfouie dans le PCB sans son package. Cette thèse va étudier la méthode d’enfouissement pour les autres composants nécessaires à la réalisation d’un convertisseur (Condensateurs, Composants Magnétiques). Une optimisation du convertisseur qui doit être réalisé permet de prendre en compte les avantages de cette nouvelle technologie. Un prototype de convertisseur intégré a été réalisé avec des composants utilisant cette technologie. / With the endangering of the environment due to the use of fossil fuels, the power electronics market is growing through the years. The number of applications is increasing in numerous field as, for example, transport (electric car, "more electric" aircraft) or energy (photovoltaic, smart grid). Beyond meeting the volume, efficiency and reliability specifications for each application, power electronics should also reduce substantially costs. Today, the managing of the electric energy uses power electronic converters. The conception of a converter is a multiphysic problem. The converter has to ensure electrical functionality, mechanical support and proper thermal management.The new wide-band gap components are limited in performance by their package. The integration of a converter should use new interconnection methods to avoid the use of packaged components. The trend is to integrate the maximum of components into a single system. This integration can offer benefits such as size and weight reduction, cost saving and reliability improvement by managing the complexity and the high density of interconnection. Among many integration technologies available, Printed Circuit Board (PCB) is well known in the industry, allowing mass production with automated manufacturing and assembly. The PCB integration was developed with the “Die Embedding” technology in which a bare die in embedded directly in the PCB to not use package. This thesis studied the embedding technology on others components necessary to the realization of a converter (Capacitors, Magnetics, …). An optimization of the converter is done taking into account the advantages of this new technology. A prototype of an AC/DC bidirectional converter fully integrated using this technology was realized.

Ce travail de thèse a pour objectifs l'observation et la commande des convertisseurs multi-niveaux et la commande des machines synchrones. Pour satisfaire le besoin des clients de l’entreprise GS Maintenance et pour des raisons de maintenance, une commande en courant de la machine synchrone est implémentée expérimentalement. L'accent est mis sur le démarrage de ce type de machines car durant ces phases de fonctionnement (basses vitesses), les forces électromotrices sont faibles pour assurer la commutation des thyristors de l'onduleur. Ensuite, l'entreprise a proposé à ses clients un convertisseur statique en moyenne tension afin de garder sa place dans la variation de vitesse. Dans ce cadre, une commande en tension moderne de la machine synchrone alimentée par un onduleur de tension est proposée et validée par des résultats de simulation. Compte tenu du fonctionnement en moyenne tension, les convertisseurs multi-niveaux ont été retenus par l’entreprise. Dans ce cadre, le convertisseur multicellulaire série est proposé dans ce travail et une commande directe basée sur la théorie des modes glissants et le principe de priorité est conçue pour assurer l'équilibrage des tensions flottantes du convertisseur. Cette commande a été généralisée pour un nombre quelconque de cellules du convertisseur et validée par des résultats de simulation pour un nombre de cellules égal à 7. Pour réduire le coût et l'encombrement du convertisseur, un observateur adaptatif des tensions flottantes est proposé en prenant en compte les états de commutation du convertisseur. Cet observateur est ensuite associé à la commande directe en boucle fermée. Un banc d'essai du convertisseur à 3 cellules est réalisé au sein de l’entreprise et l’ensemble « observateur + commande directe » est testé expérimentalement sur ce banc. / This PhD thesis aims to the observation and control of multilevel converters and the synchronous machines control. To satisfy the needs of GS Maintenance's customers and for maintenance reasons, a control strategy for a current fed self controlled synchronous machine is validated by experiments tests. The proposed strategy focus on a very low speed because the machine counter electromotive force is insufficient for inverter thyristors switching. Recently, the company proposed for its customers a power converter with medium voltage to keep its place in the speed variation. So, a modern voltage control of the synchronous machine fed by a voltage inverter is proposed and validated by simulation results. Medium voltage operation encouraged the company to choose the multi-level converter. Then, the flying capacitor converter is proposed in this work and a direct control based on the sliding mode theory and the priority principle is designed to guarantee the voltage balance. This control strategy has been generalized for any number of cells of the converter and validated by simulation results for a 7 cells converter. To reduce the cost and complexity of the converter, an adaptive observer floating voltages is proposed by taking into account the switching states of the converter. This observer is then associated with the direct control in closed loop. A test bench of a 3 cells converter is set up in the company. Experimental tests of « observer based direct control » are then conducted on this test bench.

L’objectif des travaux menés dans le cadre de cette thèse est le déploiement d’un dispositif médical embarqué et portable assurant l’acquisition et la transmission du signal biomédical électrocardiogramme. Il doit intégrer des techniques de traitement avancées et un étage de communication radio. A la quête de nouvelles idées non encore explorées par la communauté scientifique, nous proposons dans notre travail d’appliquer une acquisition compressée intelligente par exploitation du caractère parcimonieux du signal électrocardiogramme à l’aide d’un convertisseur analogique-numérique à échantillonnage non-uniforme. / The objective of this thesis is the deployment of an embedded and portable medical device for acquisition and transmission of the biomedical electrocardiogram signal. The device incorporates advanced processing techniques and a radio communication module. In search of new ideas not yet explored by the scientific community, we propose in our work to apply an intelligent compressed acquisition by exploiting the sparsity character of the electrocardiogram using a non-uniform sampling analog-to-digital converter.

L’augmentation des capacités des systèmes de télécommunications optiques passe par le développement des dispositifs optoélectroniques innovants et des technologies clés à hautes performances. Ces dispositifs sont sujets à une forte intégration des composants et les technologies déployées mettent en œuvre des fonctions complexes (PDM – QPSK, PDM – 16 QAM, etc.). Il est donc nécessaire avant toute réalisation d’étudier le comportement électromagnétique de ces composants afin d’envisager des performances en haute fréquence et une bonne intégrité du signal contenant l’information dans la chaîne de transmission. Ainsi à travers une modélisation EM – circuit le comportement global d’un modulateur à plusieurs niveaux de phase, basé sur la déplétion de porteurs dans une jonction PN, est étudié et analysé. Le modulateur est dans un premier temps représenté par un modèle prenant en compte la jonction. Cette dernière est modélisée par sa résistance et sa capacité équivalentes. Ensuite le packaging du modulateur avec son circuit d’entrée pour les signaux RF et son circuit de sortie pour l’adaptation de charges en sortie est réalisé et optimisé. Une modélisation EM a également permis de concevoir le circuit d’entrée d’un multiplexeur intégré à un Convertisseur Numérique – Analogique 3 bits, destiné à mettre œuvre une modulation PDM – 64 QAM dans un système optique. Les résultats obtenus respectent les spécifications industrielles et permettent de d’envisager le fonctionnement en haute fréquence des dispositifs intégrés. / The increase of the capacities of optical telecommunications systems goes through the development of innovative optoelectronics devices and key technologies with high performances. These devices are subjects to high components integration and the deployed technologies implement complex functions (PDM - QPSK, PDM - 16 QAM etc.). Therefore, it is necessary before any realization to study the electromagnetic behavior of these components in order to predict good performances at high frequency and signal integrity in the transmission chain. Thus, through an EM - circuit modeling, the overall behavior of an electro-optical multilevel modulator based on carrier depletion in a PN junction has been studied and analyzed. The modulator is firstly represented by a model taking in account the junction. The junction is modeled by her equivalents resistance and capacity. Subsequently, the packaging of the modulator with the input and out circuit is realized and optimized. The EM modeling has also helped to design the input circuit of an integrated multiplexer to a 3 bits digital - analog converter for an optical system. The obtained results meet the industry specifications and allow predicting good performances in high frequency for the integrated devices.

Plusieurs phénomènes astronomiques émettent des ondes radios basses fréquences tels que les éruptions solaires, les magnétosphères, les pulsars . . . Certains de ces ondes sont mal captées par les observatoires terrestres à cause, principalement, de la coupure ionosphérique. Il devient indispensable d’envoyer des récepteurs radio dans l’espace pour les acquérir. Cependant, ces récepteurs sont consommation d’énergie et le taux de transmission. Un paradigme récent pour l’acquisition et la reconstruction des signaux, appelé l’échantillonnage comprimé (Compressive sampling, Compressed Sensing, CS) pourra être une réponse adéquate à ces problématiques en limitant, dès l’acquisition, la quantité de données numérisés : En effet, le CS a permis l’émergence d’un nouveau type de Convertisseur Analogique-Numérique (ADC) appelé Convertisseur Analogique-Information (AIC) qui permet d’échantillonner à une fréquence potentiellement inférieure à celle prescrite par Nyquist-Shannon, en exploitant le caractère parcimonieux des signaux. Nous proposons dans le cadre de cette thèse d’étudier l’application de l’échantillonnage comprimé pour l’acquisition des signaux astrophysiques spatiaux dans la bande de fréquence [1kHz à 50 MHz]. Nous nous focalisons sur des signaux émis par les deux sources radio les plus brillantes dans le ciel telles que vues de la Terre, à savoir le Soleil et Jupiter. En se basant sur les propriétés caractéristiques de nos signaux d’intérêt, nous avons construit progressivement et méthodologiquement notre schéma d’acquisition : En commençant par l’étude de compressibilité des signaux, puis l’identification de l’architecture du Convertisseur Analogique-Information (AIC) appropriée et enfin le choix de l’algorithme de reconstruction du signal. Nous avons également proposé une nouvelle implémentation flexible et programmable de l’AIC retenu, qui permet l’acquisition de différents types de signal ayant le même domaine de compressibilité avec différents facteurs de compression. En utilisant une technologie CMOS 65 nm, nous avons évalué le gain en quantité de données acquise et en consommation de puissance de cette architecture par rapport au convertisseur analogique-numérique traditionnel. / Several astronomical phenomena emit low-frequency radio waves such as solar flares, magnetospheres, pulsars ... Some of these emissions are poorly captured by ground-based observatories mainly because of the Earth’s ionospheric cutoff frequency. It becomes necessary to send radio receivers in space to acquire them. However, these receivers are faced with strong restrictions on storage capacity, energy consumption and transmission rate.To overcome these challenges, sampling architectures should be reviewed and improved. A recent paradigm for signal acquisition and reconstruction, known as compressive sampling hat require a limited number of measurements and leads to the development of a new type of converter : the Analog to Information Converter (AIC). Unlike standard Analog to Digital converters (ADC), AIC can sample at a lower rate than that prescribed by Nyquist Shannon, exploiting the sparsity of signals.The main goal of this thesis is to study the application of compressed sampling for the acquisition of spatial astrophysical signals in the frequency band [1 kHz to 50 MHz]. We focus on signals emitted by the two brightest radio sources in the sky as seen from the Earth, namely the Sun and Jupiter. Based on the characteristic properties of our signals of interest, we progressively and methodologically constructed our acquisition scheme : From the study of signals compressibility, to the choice of the AIC architecture and the signal reconstruction algorithm. We also proposed a new, flexible and programmable implementation of the selected AIC which allows the acquisition of different types of signal having the same compressibility domain and with different compression factors. Using a 65-nm CMOS technology, we evaluated the gain in terms of the amount of data acquired and power consumed of this architecture compared to the traditional analog-to-digital converter.

Le but de cette thèse est de concevoirun chargeur de véhicule électrique avec une fortedensité de puissance car il doit être embarqué dansle véhicule. La thèse se focalise sur le deuxièmeétage du chargeur qui comporte un transformateur.Cet élément représente une part importante du volumetotal du convertisseur.Pour réaliser cela, une nouvelle technologie de transistorsest utilisée : les transistors GaN. Ces composantsinduisent des pertes par commutation plusfaibles que les transistors classiquement utilisés cequi permet d’augmenter la fréquence de découpage.Cette fréquence est un levier pour améliorer la densitéde puissance des convertisseurs. Cependant lafréquence est également responsable de pertes dansd’autres composants comme le transformateur et lesinductances. Pour augmenter efficacement cette densité, la topologie du convertisseur doit être conçuepour réduire les contraintes sur ces composants.La thèse comporte trois parties. Tout d’abord, lecomportement des transistors GaN est évalué etdifférentes topologies sont analysées pour en déduireune structure de chargeur qui minimise les pertesdans le transformateur. Ensuite, un dimensionnementcompact de transformateur est réalisé à l’aide d’uneétude paramétrique et des simulations par élémentsfinis. Enfin, un prototype de ce deuxième étage duchargeur est réalisé et testé pour évaluer ses performanceset son volume / Improvement of power density is a bigchallenge for embedded electric vehicle chargers.Goal of the study is to reduce the volume of the DCDCcharger which contains a bulky transformer. Thekey point is to use wide band gap transistors (GaN) toincrease the charger switching frequency. High switchingfrequency can improve power density but theinconvenient is the increase of switching and transformerlosses. The PhD dissertation is organized inthree steps. First step is the definition of a charger topology.This topology is optimized to reduce transformerlosses. Second part of the study is the theoreticaldesign of a high power density transformer. A completetransformer parametric model is presented withFinite Element Analysis. Third part present the prototypeand test results of the charger DC-DC. Electricalbehavior, volume and efficiency results are discussedin this part.Universit ´

La récupération d'énergie ambiante permet d’alimenter de manière autonome des systèmes de petite taille tels que des neouds de capteurs ou des objets connectés à internet (IoT) en remplacement des batteries. Les sources d’énergie ambiante sont par exemple, l’énergie solaire, le gradient thermique, les forces mécaniques, le rayonnement électromagnétique et la pile microbienne. Les matériaux piézoélectriques permettent de valoriser électriquement l’énergie mécanique de vibration en la convertissant directement en énergie électrique. Les niveaux de puissance assez faible (de quelques μW au mW) ont amené à développer des interfaces électriques de récupération afin d’extraire le maximum d'énergie en améliorant le couplage électromécanique. Dans ce travail, nous nous intéressons à l’amélioration de dispositif de récupération d’énergie. Deux aspects sont abordés : dans un premier temps l’étude d’un commutateur hybride synchrone électrique-mécanique est faite pour remplacer le transistor MOSFET couramment utilisé, afin de réduire sa consommation d’énergie ; dans un deuxième temps, un travail est mené sur une nouvelle structure mécanique à base de poutres reliées entre elle par des forces de répulsion magnétique. La structure obtenue par cet ensemble de poutres et de type non-linéaire à plusieurs degrés de liberté (MDOF) ce qui permet augmenter la bande passante. / The future trend of Internet of Things (IoT) is bringing energy harvesting in to the core technique due to its requirement of self-power supplying. For best customer interface and eco-friendly issues, additional sensing systems are to be designed small, wireless and self-powering. Energy harvesting provides a way to realize the wireless self-powered system, it enables the device itself to obtain its own energy from their environment. Solar energy, thermal gradient, mechanical forces, are some commonly seen methods to obtain energy from the environment. The piezoelectric energy harvester is chosen to harvest vibrational energy in this study. In this work, a simple model of the original electrical smart switch driven under ultra-low power is proposed. By using the miniature device to drive the smart switch, the efficiency when low power is provided was examined. To construct an energy harvesting system in a more complete aspect, two newly proposed methods are as below: First, the hybrid-electrical-mechanical switches were utilized to replace the commonly seen electrical smart switches, to reduce its energy consumption such as threshold loss. Secondly, we designed a new mechanical structure for the cantilever array by connecting the beams using magnetic repelling force. In this way, the beams within the array were connected physically, forming a nonlinear multi-degree of freedom (MDOF) -like result.