L’imagerie constitue un axe majeur de l’exploration de l’univers et de la Terre depuis l’espace, que l’on se trouve dans le domaine du visible ou non. Ainsi dans le domaine spatial, les données sont le plus souvent récupérées par un capteur CCD (Charge-Coupled Device, ou Dispositif à Transfert de Charge (DTC)) qui fournit des tensions analogiques vers un convertisseur analogique-numérique (CAN), dont la sortie sera transmise à une chaîne de traitement, puis envoyée sur terre. Ainsi, les CAN sont des éléments clés dans l’imagerie par satellite. De leur précision et de leur vitesse va dépendre la qualité de la représentativité de la chaîne de signaux binaires. Il est donc crucial de réaliser une conversion de données de grande qualité (vitesse, précision) tout en s’assurant de la résistance du CAN à l’environnement radiatif. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la robustesse à l’environnement spatial, tout en optimisant les performances, de plusieurs fonctions élémentaires d’un convertisseur analogique-numérique de type pipeline 14bits,5MS/s, réalisées en technologie XFAB 0,18µm. Les trois fonctions ciblées sont les interrupteurs (notamment la résolution des problèmes liés au phénomène d’injection de charges en environnement spatial), les comparateurs (durcissement) et l’amplificateur à capacités commutées (amélioration du gain par une technique prédictive sans pénaliser la puissance consommée). / Imaging is a major issue in the observation of the Universe and the Earth from space, whether in the visible domain or not. Thus, in the spatial field, data is often gathered by a CCD (charge-Coupled Device) sensor, that supplies analog voltages to an Analog-to-Digital Converter (ADC), which outputs will be delivered to a processing chain, and then sent to earth. Consequently, ADCs are key elements in satellite imaging. Their precision and speed will indeed define the quality and the representativeness of the binary signal. It is then crucial to perform a high quality (speed & precision) conversion of the data, while making sure that the ADC can cope with the harsh irradiative environment. The purpose of this thesis is to improve the robustness to the space environment (hardening), while optimizing the performances, of several elementary devices that compose a 14 bits, 5MS/s pipeline ADC, made with the XFAB 180nm technology. The three targeted functions are the switches (especially the problems linked to coping with the charge injection problems in a space environment), the comparators (hardening) and the switched-capacitor amplifier (gain boosting through a predictive architecture with no penalty on the power consumption).

L'objectif de la thèse est de concevoir des compensateurs discrets qui permettent de compenser les non-linéarités introduites par les différents éléments dans la boucle de commande numérique, tout en maintenant des performances dynamiques élevées, des temps de développement rapide, et une structure reconfigurable. Ces compensateurs discrets doivent également avoir des temps de réponse rapide, avoir une déviation de la tension minimale et avoir, pour un étage de puissance donné, un temps de récupération rapide de la tension. Ces performances peuvent être atteintes par des compensateurs discrets conçus sur la base de techniques de contrôle linéaires et non linéaires. Pour obtenir une réponse rapide et stable, la thèse propose deux solutions : La première consiste à utiliser des techniques de contrôle linéaires et de concevoir le compensateur discret tout en gardant la bande passante la plus élevée possible. Il est communément admis que plus la bande passante est élevée, plus la réponse transitoire est rapide. L‘obtention d’une bande passante élevée, en utilisant des techniques de contrôle linéaires, est parfois difficile. Toutes ces situations sont mises en évidence dans la thèse. La seconde consiste à combiner les techniques de contrôle linéaires avec les techniques de contrôles non linéaires tels que la logique floue ou les réseaux de neurones. Les résultats de simulations ont permis de vérifier que la combinaison des contrôleurs non-linéaires avec les linéaires ont un meilleur rendement dynamique que les contrôleurs linéaires lorsque le point de fonctionnement varie. Avec l'aide des deux méthodes décrites ci-dessus, la thèse étudie également la technique de l’annulation des pôles-zéros (PZC) qui annule la fonction de transfert du convertisseur. Quelques modifications des techniques classiques de contrôle sont également proposées à partir de contrôleurs numériques afin d’améliorer les performances dynamiques. La thèse met également en évidence les non-linéarités qui dégradent les performances, propose les solutions permettant d'obtenir les meilleures performances, et lève les mystères du contrôle numérique. Une interface graphique est également introduite et illustrée dans le cas de la conception d'un convertisseur abaisseur de tension synchrone. En résumé, cette thèse décrit principalement l'analyse, la conception, la simulation, l’optimisation la mise en œuvre et la rentabilité des contrôleurs numériques. Une attention particulière est portée à l'analyse et l'optimisation des performances dynamique à haute fréquence et pour de faibles puissances des convertisseurs DC-DC abaisseur de tension. Ces convertisseurs fonctionnent en mode de conduction continue (CCM) à une fréquence de commutation de 1 MHz et s’appuie sur des techniques de contrôle linéaires et non linéaires de façon séquentielle. / The objective of the thesis is to design the discrete compensators which counteract the nonlinearities introduced by various elements in the digital control loop while delivering high dynamic performance, fast time-to-market and scalability. Excellent line and fast load transient response, which is a measure of the system response speed, with minimal achievable voltage deviation and a fast voltage recovery time for a given power stage can be achieved through the discrete compensators designed on the basis of linear and nonlinear control techniques. To achieve a stable and fast response, the thesis proposes two ways. One way is to use linear control techniques to design the discrete compensator while keeping the bandwidth higher. It is well-known fact that the higher the bandwidth, the faster is the transient response. Achieving higher bandwidth through linear control techniques sometimes becomes tricky. All those situations are highlighted in the thesis. The other way is to hybridize the linear control techniques with the nonlinear control techniques such as fuzzy logic or neural network based control techniques. Simulation results verify that hybridization of nonlinear controllers with the linear ones have better dynamic performance over linear controllers under the change of operating points. Along with using the two methodologies described above, the thesis also investigates the pole-zero cancellation (PZC) technique in which the poles and zeros of the compensator are placed in such a way that they cancel the effect of the poles or zeros of the buck converter to boost the phase margin at the required bandwidth. Some modifications are also suggested to the classical control techniques based digital controllers to improve the dynamic performance. The thesis highlights the nonlinearities which degrade the performance, a cost-effective solution that achieves good performance and the mysteries of digital control system. A graphical user interface is introduced and demonstrated for use with the design of a synchronous-buck converter. In summary, this thesis mainly describes the analysis, design, simulation, optimization, implementation and cost effectiveness of digital controllers with particular focus on the analysis and the optimization of the dynamic performance for high-frequency low-power DC-DC buck converter working in continuous conduction mode (CCM) operating at a switching frequency of 1 MHz using linear and nonlinear control techniques in a very sequential and comprehensive way.

Les technologies avancées de semi-conducteur permettent de mettre en œuvre un contrôleur numérique dédié aux convertisseurs à découpage, de faible puissance et de fréquence de découpage élevée sur FPGA et ASIC. Cette thèse vise à proposer des contrôleurs numériques des performances élevées, de faible consommation énergétique et qui peuvent être implémentés facilement. En plus des contrôleurs numériques existants comme PID, RST, tri-mode et par mode de glissement, un nouveau contrôleur numérique (DDP) pour le convertisseur abaisseur de tension est proposé sur le principe de la commande prédictive: il introduit une nouvelle variable de contrôle qui est la position de la largeur d'impulsion permettant de contrôler de façon simultanée le courant dans l'inductance et la tension de sortie. La solution permet une dynamique très rapide en transitoire, aussi bien pour la variation de la charge que pour les changements de tension de référence. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances de ce contrôleur jusqu'à la fréquence de découpage de 4MHz. Un contrôleur numérique nécessite une modulation numérique de largeur d'impulsion (DPWM). L'approche Sigma-Delta de la DPWM est un bon candidat en ce qui concerne le compromis entre la complexité et les performances. Un guide de conception d'étage Sigma-Delta pour le DPWM est présenté. Une architecture améliorée de traditionnelles 1-1 MASH Sigma-Delta DPWM est synthétisée sans détérioration de la stabilité en boucle fermée ainsi qu'en préservant un coût raisonnable en ressources matérielles. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances des DPWM proposées en régimes stationnaire et transitoire. Deux ASICs sont portés en CMOS 0,35µm: le contrôleur en tri-mode pour le convertisseur abaisseur de tension et la commande par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension. Les bancs de test sont conçus pour conduire à un modèle d'évaluation de consommation énergétique. Pour le contrôleur en tri-mode, la consommation de puissance mesurée est seulement de 24,56mW/MHz lorsque le ratio de temps en régime de repos (stand-by) est 0,7. Les consommations de puissance de command par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension sont respectivement de 4,46mW/MHz et 4,79mW/MHz. En utilisant le modèle de puissance, une consommation de la puissance estimée inférieure à 1mW/MHz est envisageable dans des technologies CMOS plus avancées. Comparé aux contrôlés homologues analogiques de l'état de l'art, les prototypes ASICs illustrent la possibilité d'atteindre un rendement comparable pour les applications de faible et de moyen puissance mais avec l'avantage d'une meilleure précision et une meilleure flexibilité.

Les convertisseurs de forte puissance sont des éléments critiques des futurs réseaux HVDC. À ce titre, leur fiabilité et leur endurance sont primordiales. La défaillance d’un composant se produit soit en circuit ouvert, ou en court-circuit. Le composant défaillant en circuit ouvert est inadmissible pour les convertisseurs utilisant une topologie de mise en série. En particulier, dans certaines applications HVDC, les modules doivent être conçus de telle sorte que lorsqu'une défaillance se produit, le module défaillant doit se comporter comme un court-circuit et supporter ainsi le courant nominal qui le traverse. Un tel comportement est appelé “défaillance en court-circuit” ou “failure-to-short-circuit”. Actuellement, tous les modules de puissance ayant un mode de défaillance en court-circuit disponibles dans le commerce utilisent des semi-conducteurs en silicium. Les potentialités des semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC) poussent, aujourd’hui, les industriels et les chercheurs à mener des investigations pour développer des modules Fail-to-short à base des puces SiC. C’est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, visant à concevoir un module à base de puces SiC offrant un mode de défaillance de court-circuit. Pour cela nous présentons d’abord une étude de l’énergie de défaillance des puces SiC, afin de définir les plages d’activation du mécanisme Fail-to-short. Ensuite, nous démontrons la nécessité de remplacer les interconnexions classiques (fils de bonding) par des contacts massifs sur la puce. Enfin, une mise en œuvre est présentée au travers d’un module “demi pont” à deux transistors MOSFET. / The reliability and endurance of high power converters are paramount for future HVDC networks. Generally, module’s failure behavior can be classified as open-circuit failure and short-circuit failure. A module which fails to an open circuit is considered as fatal for applications requiring series connection. Especially, in some HVDC application, modules must be designed such that when a failure occurs, the failed module still able to carry the load current by the formation of a stable short circuit. Such operation is referred to as short circuit failure mode operation. Currently, all commercially available power modules which offer a short circuit failure mode use silicon semiconductors. The benefits of SiC semiconductors prompts today the manufacturers and researchers to carry out investigations to develop power modules with Fail-to-short-circuit capability based on SiC dies. This represents a real challenge to replace silicon power module for high voltage applications in the future. The work presented in this thesis aims to design a SiC power module with failure to short-circuit failure mode capability. The first challenge of the research work is to define the energy leading to the failure of the SiC dies in order to define the activation range of the Fail-to-short mechanism. Then, we demonstrate the need of replacing the conventional interconnections (wire bonds) by massive contacts. Finally, an implementation is presented through a "half bridge" module with two MOSFETs.

L’utilisation des alimentations à découpage (SMPSs : switched mode power supplies) est à présent largement répandue dans des systèmes embarqués en raison de leur rendement. Les exigences technologiques de ces systèmes nécessitent simultanément une très bonne régulation de tension et une forte compacité des composants. SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter) est un convertisseur à découpage DC/DC qui possède plusieurs avantages par rapport à d’autres convertisseurs de structure classique. Du fait de son ordre élevé et de sa forte non linéarité, il reste encore peu exploité. L’objectif de ce travail est d’une part le développement des stratégies de commande performantes pour un convertisseur SEPIC et d’autre part l’implémentation efficace des algorithmes de commande développés pour des applications embarquées (FPGA, ASIC) où les contraintes de surface silicium et le facteur de réduction des pertes sont importantes. Pour ce faire, deux commandes non linéaires et deux observateurs augmentés (observateurs d’état et de charge) sont exploités : une commande et un observateur fondés sur le principe de mode de glissement, une commande prédictive et un observateur de Kalman étendu. L’implémentation des deux lois de commande et l’observateur de Kalman étendu sont implémentés sur FPGA. Une modulation de largeur d’impulsion (MLI) numérique à 11-bit de résolution a été développée en associant une technique de modulation Δ-Σ de 4-bit, un DCM (Digital Clock Management) segmenté et déphasé de 4-bit, et un compteur-comparateur de 3-bit. L’ensemble des approches proposées sont validées expérimentalement et constitue une bonne base pour l’intégration des convertisseurs à découpage dans les alimentations embarquées. / The use of SMPS (Switched mode power supply) in embedded systems is continuously increasing. The technological requirements of these systems include simultaneously a very good voltage regulation and a strong compactness of components. SEPIC ( Single-Ended Primary Inductor Converter) is a DC/DC switching converter which possesses several advantages with regard to the other classical converters. Due to the difficulty in control of its 4th-order and non linear property, it is still not well-exploited. The objective of this work is the development of successful strategies of control for a SEPIC converter on one hand and on the other hand the effective implementation of the control algorithm developed for embedded applications (FPGA, ASIC) where the constraints of Silicon surface and the loss reduction factor are important. To do it, two non linear controls and two observers of states and load have been studied: a control and an observer based on the principle of sliding mode, a deadbeat predictive control and an Extended Kalman observer. The implementation of both control laws and the Extended Kalman observer are implemented in FPGA. An 11-bit digital PWM has been developed by combining a 4-bit Δ-Σ modulation, a 4-bit segmented DCM (Digital Clock Management) phase-shift and a 3-bit counter-comparator. All the proposed approaches are experimentally validated and constitute a good base for the integration of embedded switching mode converters

Face aux enjeux énergétiques d'aujourd'hui et de demain, le développement des énergies renouvelables semble inéluctable. Cependant, la production électrique de sources renouvelables prometteuses comme le photovoltaïque ou l'éolien est intermittente et difficilement prévisible du fait de la dépendance de ces sources aux conditions météorologiques. Afin de s'affranchir du caractère discontinu de la production d'électricité et de l'inadéquation de la production avec la consommation, un moyen de stockage de l'énergie électrique est nécessaire. Dans ce contexte, la batterie hydrogène est une des solutions envisagées. Lors de périodes de surproduction d'énergie renouvelable, un électrolyseur produit de l'hydrogène par électrolyse de l'eau. Lorsque cela est nécessaire, une pile à combustible fournit de l'électricité à partir du gaz stocké. Couplé avec des sources d'énergie renouvelable, la batterie produit de l'énergie électrique non carbonée, c'est-à-dire non émettrice de gaz à effet de serre. L'intérêt majeur de cette technologie est le découplage entre l'énergie et la puissance du système. Tant que la pile est alimentée en gaz, elle fournit de l'électricité, l'énergie dépend des réservoirs de gaz. La puissance quant à elle, dépend des caractéristiques des composants électrochimiques et du dimensionnement des chaînes de conversions de puissance. Les chaînes de conversions de puissance relient les composants électrochimiques au réseau électrique. Dans le cas de la chaîne de conversion sans transformateur qui est envisagée ici, la présence d'un convertisseur DC-DC à haut rendement est rendue nécessaire de par la caractéristique basse tension fort courant des composants électrochimiques. Avec pour but principal l'optimisation du rendement, deux axes de recherches sont développés. Le premier axe de recherche développe un convertisseur multicellulaire innovant à haut rendement à fort ratio de conversion. Les résultats expérimentaux du convertisseur appelé 'miroir' obtenu dans deux expérimentations ont démontré la supériorité de cette topologie en terme d'efficacité énergétique par rapport aux convertisseurs conventionnels. Le deuxième axe de recherche porte sur de nouveaux composants de puissance au nitrure de gallium (GaN) annoncés comme une rupture technologique. Un convertisseur buck multi-phases illustre les défis technologique et scientifique de cette technologie et montre le fort potentiel de ces composants.

Les travaux développés durant cette thèse concernent la détection et l'identification des défauts simples et multiples d'ouverture des transistors dans un convertisseur statique associé à une machine asynchrone. Pour aborder cette problématique, nous avons commencé par l'analyse des potentialités, des faiblesses et des incertitudes des techniques qui ont initiés notre démarche. Ensuite, nous avons présenté deux méthodologies permettant d'analyser les performances du moteur asynchrone en présence des défauts dans une ou plusieurs cellules de commutation. Cette étude préliminaire nous a permis ainsi de proposer deux nouvelles stratégies de diagnostic sans référence basées sur l'approche signal. Les signaux électriques (courants ou tensions) disponibles à la sortie du convertisseur statique sont utilisés pour alimenter le processus de diagnostic. La première stratégie retenue est basée sur l'analyse qualitative des tensions de sortie entre phases du convertisseur et des signaux de commande appliqués aux transistors pendant les instants de commutation. Grâce à une représentation instantanée de ces grandeurs, à l'échelle de la période de découpage, nous avons pu mettre en évidence des caractéristiques favorables à la détection des défauts simples et multiples d'ouverture des transistors. L'implémentation pratique de cette première approche a été réalisée au moyen d'une technologie analogique permettant ainsi de minimiser le temps de retard à la détection jusqu'à quelques dizaines de microsecondes. / The main goal of this thesis concerns the detection and identification of simple and multiple open-circuit faults in voltage source inverters (VSIs)-fed induction motor drives. In first step, the potentialities, the weaknesses as well as the uncertainties of the previously published works have been discussed. The second step was dedicated to the study of the inverter faults impact on the induction motor. For this purpose, we have proposed two methodologies permitting the characterization of the electromagnetic torque behaviour as well as the electric variables of the induction motor under the open- and short-circuit faults. These preliminary studies allowed to propose two novel signal-based approaches for open-circuit fault diagnosis in voltage source inverter. The measured outputs inverter voltages and currents have been used as the input quantities for the fault detection and identification (FDI) process. The first approach consists in analyzing the pulse-width modulation (PWM) switching signals and the line-to-line voltage levels during the switching times, under both healthy and faulty operating conditions. For this purpose, we have adopted an instantaneous representation of these variables, which permits their analysis over one switching period. The fault diagnosis scheme is achieved using simple analog device. This circuit allows an accurate single and multiple faults diagnosis, and a minimization of the fault detection time which becomes about a few tens of microseconds.

Cette thèse est focalisée sur la conception et la réalisation d'un filtre CEM hybride intégré pour une application aéronautique. Les travaux effectués durant cette thèse sont réalisés dans le cadre d’un projet FRAE (Fondation de Recherche pour l’Aéronautique et l’Espace) intitulé FEMINA (Filtrage Electromagnétiques et Matériaux pour l’INtégration en Aéronautique). Afin de protéger le réseau de bord des perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées et répondre aux normes concernant la compatibilité électromagnétique (CEM) et plus particulièrement la norme aéronautique "DO160F [150KHz, 30MHz]», un filtre CEM est absolument nécessaire pour les cartes d’alimentations des dispositifs électroniques d’un avion. Les niveaux des perturbations générées par ce type d’équipement exigent une conception soignée pour assurer le filtrage des courants parasites qui se propagent en mode commun (MC) et en mode différentiel (MD). C’est pourquoi, la première partie du travail réalisé est consacrée à la modélisation électromagnétique de la carte d’alimentation utilisée comme support à cette étude. Cette modélisation est basée sur une représentation de type «boîte noire». Le modèle identifié est composé de sources de perturbations et d’impédances de MC et de MD équivalentes. Cette première étape permet de définir la structure électrique du filtre et les valeurs des composants à mettre en œuvre. Pour atteindre les performances requises, nous proposons dans ce travail un filtre CEM hybride optimisé, hybride signifiant qu’il est réalisé par association d’une partie purement passive et d’un filtre actif. Cette association permet de tirer le meilleur parti de chaque technologie de filtrage. Le filtre actif permet de traiter les perturbations à basses fréquences et la partie passive est dimensionnée pour les perturbations à hautes fréquences. Une intégration complète dans le circuit imprimé (PCB) des parties passives, capacitives et inductives, est proposée dans la deuxième partie de ce travail. Après avoir choisi les matériaux magnétique et diélectrique qui répondent au mieux au cahier de charge défini dans la première partie, plusieurs tests d’intégration dans le PCB ont été effectués. En prenant en compte la fragilité des matériaux magnétiques (ferrites), une géométrie plane qui répond aux spécifications a été proposée. Les principaux avantages de l'intégration proposée sont la réduction des effets inductifs et capacitifs parasites conduisant, de fait, à une augmentation des atténuations à hautes fréquences et l’augmentation de la compacité du filtre CEM. Nous démontrons que le filtre passif intégré réalisé réduit les interférences en MC et en MD dans la gamme de fréquences qui s'étend de 2,5MHz à 30MHz. Afin de compenser les tensions perturbatrices de mode différentiel jusqu’à 2,5MHz, une nouvelle topologie de filtre actif est proposée. Dans cette structure, l’injection des tensions de compensation des perturbations est effectuée à l’aide d’un enroulement auxiliaire ajouté aux enroulements couplés du filtre passif intégré. Les composants du filtre actif sont montés sur la face supérieure du PCB (composants CMS) dans lequel le filtre passif est intégré. L'assemblage du filtre hybride intégré (4 x 5 x 0,4 cm3) réduit les perturbations en MC et en MD dans la gamme de fréquence [150 kHz, 30 MHz]. Grâce à l'intégration et à l'optimisation de la topologie du filtre actif, le volume du filtre hybride est 75% plus faible que celui de l’ancien filtre CEM utilisé à l’entrée du convertisseur (4 x 5 x 1,6 cm3) tout en conservant un rendement élevé. / This thesis is focused on the design and implementation of a hybrid integrated EMC filter for aerospace application. The work performed in this thesis is carried out in the framework of FRAE project (Research Foundation for Aviation and Space) titled FEMINA (Electromagnetic Filtering and Materials for the INtegration in Aerospace). To protect the network board from both conducted and radiated electromagnetic interferences and to meet the standards for electromagnetic compatibility (EMC) and especially the aviation standard "DO160F [150 KHz, 30 MHz]," an EMC filter is absolutely necessary to the aircraft's electronic power supply board. The disturbance levels generated by this type of equipment require careful design to ensure the filtering of parasitic currents that propagate in common mode (CM) and differential mode (DM). Therefore, the first part of the work is devoted to the electromagnetic modeling of the power supply board used as support for this study. This modeling is based on a "black box" representation. The identified model is composed of equivalent disturbance sources and impedances in CM and DM. This first step leads to define the electrical structure of the filter and the component values. To achieve the required performances, an optimized hybrid EMC filter is proposed in this work- hybrid means an association of a purely passive part and active filter. This association will make the most advantage of each filtering technology. The active filter can handle disturbances at low frequencies and the passive part is designed to the high frequencies. Full integration within the printed circuit board (PCB) of passive parts, capacitive and inductive, is proposed in the second part of this work. After choosing the magnetic and dielectric materials that best meet the defined specifications in the first part, several integration tests on the PCB have been made. Considering the fragility of magnetic materials (ferrites), a planar geometry that meets the specifications has been proposed. The main advantages of the proposed integration are the reduction of inductive and capacitive parasitic effects lead to an increase the attenuation at high frequencies and to increase the compactness of the EMC filter. We demonstrate that the realizing of integrated passive filter reduces the CM and DM interference in the frequency range extending from 2.5 MHz to 30MHz. To compensate the differential mode interference voltages up to 2.5 MHz, a new topology of an active filter is proposed. In this structure, the injection of disturbances compensation voltage is performed using an auxiliary winding added to the coupled windings of integrated passive filter. The active filter components are mounted on the upper side of PCB (SMD components) in which the passive filter is integrated. The assembly of the integrated hybrid filter (4 x 5 x 0.4 cm3) reduces the CM and DM disturbances in the frequency range [150 kHz, 30 MHz]. Thanks to the integration and optimization of the active filter topology, the hybrid filter volume is 75% lower than that of the former EMC filter used at the input of the converter (4 x 5 x 1.6 cm3) while maintaining a high efficiency.

Dans ce travail de thèse, réalisé dans le cadre d'une bourse CIFRE entre le laboratoire ECS-Lab et l'entreprise GS Maintenance, nous nous sommes intéressés au contrôle et à l'observation des systèmes électriques, particulièrement les convertisseur multicellulaires séries et les moteurs à courant continu série.Dans la topologie des convertisseurs multicellulaires il est nécessaire d'équilibrer les tensions des condensateurs flottants à des valeurs spécifiques. Les techniques de commande par Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI) permettent cet équilibrage, mais favorisent les dynamiques lentes. De plus, si le nombre de cellules est non premier, il existe des rapport cycliques qui déstabilisent le convertisseur. Afin de pallier à ces inconvénients, dans la première partie de la thèse des commandes directes basées sur les modes glissants sont proposées pour le convertisseur multicellulaire série à deux et trois cellules. Ces commandes sont simples et permettent une dynamique rapide, pouvant être étendues à des convertisseurs à nombre de cellules quelconque. Ces commandes sont testées en simulation et expérimentalement via un système temps réel dSpace sur un convertisseur multicellulaire à deux et trois cellules réalisé au cours de cette thèse au sein du laboratoire ECS-Lab. Il est important de souligner qu'une version industrielle du convertisseur a été réalisée au sein de l'entreprise GS Maintenance et vendue à l'Université du Qatar.Par ailleurs, dans le cadre de l'application du convertisseur multicellulaire une commande par modes glissants de type Zig-Zag est proposée pour pallier aux problèmes de quantification et saturation des actionneurs.La deuxième partie du travail a été consacrée à la synthèse d'un observateur/estimateur de type super-twisting pour estimer la vitesse d'un moteur à courant continu série sans capteur mécanique. La stratégie d'observation proposée est dédiée à une application industrielle qui concerne le forage pétrolier. Elle permet d'apporter une solution au problème d'observation généré par le fonctionnement à zéro ou faible courant. Cette stratégie a été testée sur un banc expérimental développé au cours de cette thèse au sein de l'entreprise GS Maintenance. / In this thesis , conducted in the context of a grant CIFRE between laboratory ECS-Lab and the company GS Maintenance, we focused on the control and observation of electrical systems, particularly multicellular converter series and the series DC motor.The floating voltages of the multicell topology need to be balanced to specific values. PWM control techniques provide such a balance but favor the slow dynamics. Moreover, if the numbers of cells is not prime, there exist duty-cycles which could destabilize the converter. To overcome these drawbacks, we propose direct control strategies based on sliding mode techniques for 2 and 3-cell converters. These are simple, allow fast dynamics, and can be easily extended to any number of cell with little overhead. They have been tested in simulation and experimentally via a real-time dSpace board on a 2 and 3-cell converter develloped during this thesis at ECS-Lab. It is important to emphasize that an industrial version of the converter has been manufactured at GS Maintenance and sold to Qatar University.Moreover, in the context of the appication of multicell converters, a Zig-Zag sliding mode control law has been proposed to overcome quantization and saturation problems found in real actuators.The second part of this work adresses the synthetization of an super-twistign observer/estimator scheme to estimate the speed of a sensorless DC series motor. The proposed observation strategy is dedicated to an industrial application in the context of oil drilling. It provides a solution to the problem of observation generated by operating at zero or low current. This strategy has been tested on an experimental bench developed in this thesis within GS Maintenance.

Cette thèse s’intéresse à l’étude d’une structure de moteur électrique à aimants permanents afin de réduire l’utilisation d’aimants à basse de terres rares et qui puisse être utilisée pour des applications industrielles. Il est montré dans la première partie de ce travail de recherche que la machine synchro-réluctante à aimants permanents est une bonne solution potentielle. Une analyse paramétrique est alors réalisée en utilisant une modélisation par éléments finis pour mettre en évidence les particularités de son comportement électromagnétique. Puis, une modélisation analytique multi-physique innovante du système convertisseur-moteur est détaillée dans le but de calculer les performances de ce dernier en un temps raisonnable. Les modèles multi-physiques présentés dans ces travaux concernent l’onduleur et le moteur. Ils intègrent les aspects électromagnétique, électrique, énergétique, thermique, mécanique et technico-économique. Le modèle multi-physique de la machine électrique est validé par comparaison à des résultats d’essais sur un prototype. Le modèle du système qui a été développé est ensuite utilisé dans une procédure de conception par optimisation de systèmes d’entrainements. Pour cela, une démarche d’optimisation originale est présentée pour le dimensionnement conjoint de deux applications en imposant la contrainte d’utiliser la même tôlerie magnétique. Il s’agit d’une part d’une application à vitesse fixe et d’autre part d’une application de type traction électrique. La méthode d’optimisation employée est à évolution différentielle. Les résultats des optimisations réalisées permettent de déterminer des conceptions optimales ou des compromis optimaux aux sens de Pareto qui répondent aux deux applications visées. Finalement, cette thèse a permis de positionner la machine synchro-réluctante à aimants permanents parmi les structures de machines à fort potentiel industriel. / This thesis focuses on the study of a structure of permanent magnet electric motor which reduces the amount used of permanent magnets composed of rare earths and which can be used in industrial applications. In the first part of the research work, it is shown that the permanent magnet assisted synchronous reluctance machine is a good alternative. A parametric analyse is realised using a finite element modelling in order to highlight the peculiarities of its electromagnetic behaviour. Then, an innovative multi-physic analytical modelling for the system inverter-motor is detailed in order to evaluate its performances in a reasonable computational time. The multi-physic models presented in this work concern the inverter and motor. They integrate the electromagnetic, electric, energetic, thermal, mechanic, and techno-economic aspects. The multi-physical model of the electric machine is validated by means of tests carried out on a prototype. The model of the system which has been developed is used in a design procedure by optimization of drive systems. For this purpose, an original optimization approach is presented for the simultaneous design of two applications by imposing the constraint of using the same magnetic lamination. On one hand it is an application of fixed speed and on the other hand an application of electric traction. The optimization method used is a type of differential evolution optimization. The results of the optimizations realised determine the optimal designs or the optimal compromise with Pareto front which deal with both applications. Finally, this thesis has placed the permanent magnet assisted synchronous reluctance machine among structures of machines with great industrial potential.