Les systèmes électriques sont de plus en plus présents dans les applications embarquées. Ils remplacent les systèmes mécaniques ou hydrauliques. Dans le cas du remplacement d'un système hydraulique par un système électrique, le gain de masse n'est pas significatif mais peut devenir plus important en mutualisant l'onduleur. L'objectif des travaux de thèse qui s'intègre dans le cadre du projet CISACS est de développer une méthodologie de pré-dimensionnement de l'étage de puissance en considérant des contraintes multi-physiques et en intégrant le choix technologiques des composants. Le premier chapitre, à travers le contexte et les objectifs du projet CISACS, introduit la problématique de conception de convertisseurs statiques à embarquer au sein de futurs avions plus électrique. Dans le deuxième chapitre, une analyse fonctionnelle et dysfonctionnelle de certaines architectures adaptées à une application de type CISACS est effectuée. Trois architectures sont considérées : structure classique à N convertisseurs, une architecture mono-convertisseur-aiguilleur et une structure d'un convertisseur matriciel. Dans le troisième chapitre, nous proposons une méthodologie de pré-dimensionnement progressif de convertisseurs statiques par optimisation sous contraintes multi-physiques. Grâce à cette méthodologie, le choix des composants actifs et passifs est automatisé. Afin d'affiner le pré-dimensionnement de la structure de puissance retenue, nous proposons dans le dernier chapitre une méthodologie de placement-routage des semi-conducteurs de puissance sur dissipateur plan. La modélisation mise en oeuvre fait intervenir les aspects électrique-thermique-géométrique du système. / Electric systems are more and more present in embedded applications. They replace mechanic or hydraulic systems. Regarding the replacement of a hydraulic system by an electric one, the mass profit is not significant but can be more considerable by mutualizing the inverters. The aim of that thesis’ work, which fit in as part of CISACS projects, is to develop a pre-sizing methodology of the power floor by considering multi-physics torsions and including the technical choices of components. The first chapter, through the context and the objectives of CISACS project, introduces the problematic of the conception of the static converters to load within future more electrified airplanes. In the second chapter, a functional and dysfunctional analysis of some sort of adjusted architecture to an application such as CISACS is done. Three architectures are considered: the first one, a classic structure with N converters, the second one a mono-points converters and the last one a structure of a matrix converters. In the third chapter, a progressive pre-sizing methodology of static converters by optimization under multi-physical constraints is proposed. Thanks to this methodology, the choice of the active and passive components is automated. In order to refine the sizing of the structure of retained power, we suggest in the last chapter a methodology of placement-layout of the semiconductors of power on sink plan. The implementation of the modelling calls on the electric-thermic-geometric aspects of the system.

Ce mémoire traite des différents aspects liés à la conception et à la réalisation intégrée de l'ensemble d'un micro-convertisseur isolé. À partir d'une étude théorique se basant sur des modèles simplifiés, un pré-dimensionnement des éléments actifs et passifs a été mené pour cibler nos besoins. Une première phase de nos travaux a consisté en la conception des parties actives. Ces structures actives sont intégrées en technologie CMOS 0,35μm et sont constituées du circuit de puissance, à savoir un onduleur monophasé, d'un circuit de commande rapprochée optimisée, ainsi que d'un circuit de commande semiéloignée permettant la gestion d'une commande entrelacée dans le cadre d'un projet de recherche sur les réseaux de micro-convertisseurs. La seconde phase de ces travaux a consisté en la conception et la réalisation des composants passifs magnétiques que sont le transformateur HF et l'inductance de sortie. L'étude de ces composants s'est portée sur des structures planar, sur la base d'une technologie Kapton cuivré ou silicium avec circuit magnétique reporté. Le dernier aspect présenté dans ce mémoire concerne, d'une part, les techniques de réalisation utilisées pour ces composants passifs et, d'autre part, l'hybridation de l'ensemble du micro-convertisseur. Cette étude permet ainsi d'aborder les difficultés liées à la réalisation de tels dispositifs.

Dans le domaine de l'électronique de puissance, afin d'améliorer l'efficacité du fonctionnement des associations convertisseurs-machines, les semi-conducteurs utilisés fonctionnent à des fréquences de plus en plus élevées, ceci engendre des perturbations électromagnétiques très contraignantes.Durant cette étude, nous nous intéressons particulièrement aux perturbations conduites de mode commun (MC) qui est le mode le plus pénalisant dans ce genre de système. Ces perturbations vont d'une part dégrader les roulements du moteur et d'autre part se propager vers l'alimentation et engendrer des perturbations rayonnées qui peuvent créer des dysfonctionnements dans les appareils environnants, notamment les systèmes électroniques bas niveau. Ces perturbations, qui font partie des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM), attirent de plus en plus l'attention des industriels, notamment dans le domaine aéronautique qui s'oriente vers une génération d'avions « plus électriques ». Pour assurer la sûreté de fonctionnement, il convient de respecter des normes de CEM strictes (ex. DO-160D en aéronautique). La modélisation du système constitue le point de départ de ce travail. L'approche choisie, dite « quadripolaire », est basée sur des mesures spécifiques de la tension de MC générée par l'onduleur, et des impédances équivalentes de MC de chaque constituant du système qui est représenté par un quadripôle associé à une matrice d'impédance [Z]. Ce modèle simple, efficace et surtout versatile nous permet d'estimer ou de calculer directement dans le domaine fréquentiel les courants et les tensions de MC aux différents points du circuit. La confrontation aux résultats expérimentaux montre la validité du modèle sur une large gamme de fréquences. Ce modèle est ensuite exploité à des fins d'études de sensibilité et de dimensionnement de solutions de réduction des perturbations conduites de MC. Enfin, un modèle, tenant compte du courant circulant dans le plan de masse, propose une modélisation proche d'un système d'entraînement réel installé en secteur industriel ou à bord d'un avion.

La conversion de l'énergie éolienne en énergie électrique fait appel à de nombreuses disciplines scientifiques (météorologie pour l'étude du comportement du vent, mécanique et chimie pour les contraintes et la composition des divers matériaux utilisés dans l'aérogénérateur, mécanique des fluides pour l'effet des masses d'air en mouvement sur les pales, électrotechnique pour la conversion électromécanique et l'adaptation de l'énergie électrique). C'est à la partie électrotechnique de cette chaîne de conversion qu'est consacré ce mémoire. <br />Après un bref rappel des concepts et équations régissant le fonctionnement d'un système éolien, ce document dresse un état de l'art des ensembles machines – convertisseurs utilisés dans l'énergie éolienne. <br />Une première étude montre les performances et les limites d'utilisation de la machine asynchrone à cage auto-excitée. Elle utilise une modélisation originale et simple où le modèle de la machine est complètement indépendant de celui de la charge et des capacités d'excitation. Les régimes équilibré et déséquilibré sont étudiés en simulation et validés expérimentalement.<br />Dans un deuxième temps, la réalisation d'un simulateur physique d'aérogénérateur est présentée. Celui-ci est destiné à placer les génératrices à l'étude dans des conditions proches de la réalité en les entraînant grâce à une machine à courant continu commandée de façon à reproduire les variations de couple d'une éolienne. <br />La troisième partie de ce mémoire est consacrée à la production d'électricité sur un réseau grâce à une machine asynchrone à double alimentation. L'originalité de cette machine, utilisée dans un système éolien, est de pouvoir contrôler l'échange de puissance entre le stator et le réseau en agissant sur les signaux rotoriques via un convertisseur bidirectionnel. Dans cette optique une commande vectorielle en puissances active et réactive statoriques est mise en œuvre. Cette commande est élaborée et testée en synthétisant trois types de régulateurs linéaires : Proportionnel- Intégral, RST basé sur la théorie du placement de pôles et Linéaire Quadratique Gaussien basé sur la minimisation d'un critère quadratique. Les performances du dispositif sont analysées et comparées en termes de suivi de consigne, robustesse, et rejet de perturbations.

Cette thèse étudie les problèmes liés à l'association des principaux composants des réseaux électriques.La nature inductive des éléments à connecter pose des problèmes lors de leur association dans un nœud de connexion commun. Deux solutions sont proposées pour résoudre ce problème et rendre ainsi possible la simulation. Une première solution accepte la présence de causalités dérivées, la deuxième consiste à simplifier les modèles en supprimant localement les régimes dynamiques pour faciliter leur association.La mise en évidence graphique de la causalité dans le modèle global d'un micro réseau à structure variable montre que différentes configurations sont possibles, avec pour chacune un comportement et un fonctionnement différents pour les composants. L'outil bond graph a été choisi pour la modélisation des différents éléments, l'analyse des propriétés des modèles et la conception de lois de commande par modèle inverse à l'aide de la bicausalité. La robustesse de la commande pour le convertisseur d'électronique de puissance est analysée d'une manière classique pour tester ses performances par rapport aux incertitudes paramétriques, en faisant varier la charge connectée au convertisseur. La commande est validée par simulation et de manière expérimentale.

Cette thèse concerne la synthèse de lois de commandes et d'observateurs pour l'onduleur de tension triphasé sans neutre raccordé. Celle-ci comporte 4 volets. Le premier volet donne les éléments de modélisation de l'onduleur ainsi que sa représentation dans des différents repères de coordonnées, puis les applications auxquelles on s'intéresse, à savoir la compensation d'énergie réactive et le filtrage actif. La deuxième partie est dédiée à la synthèse d'une loi de commande dite directe à structure variable basée sur le simplexe minimal. Nous y avons surmonté certains des problèmes d'ambiguïté rencontrés dans des approches classiques quand vient le moment de choisir les vecteurs de commande à appliquer. Des comparaisons avec une méthode classique de commande à hystérésis sont présentées afin de mettre en évidence ses principales propriétés. Dans la troisième partie nous présentons une amélioration à la commande directe basée sur le simplexe minimal, qui nous permettra de maîtriser parfaitement la fréquence de commutation et de confiner ainsi le spectre de découpage des courants côté alternatif. Les résultats obtenus ont été encore améliorés par l'introduction d'une compensation des retards induits par l'échantillonnage de la mesure. L'implémentation des algorithmes proposés sur un banc expérimental a confirmé la justesse de résultats théoriques et autres simulations. La dernière partie porte sur l'étude de deux types d'observateurs non linéaires (un observateur de type Kalman et un observateur de type modes glissants) appliqués à l'onduleur de tension, et ce, à des fins de diagnostique (redondance analytique) ou d'économie de capteurs. Des analyses sont présentées pour deux cas en particulier, à savoir l'estimation de la tension du bus continu à partir des mesures des courants du côté alternatif, puis l'observation des courants du côté alternatif à partir de la mesure de la tension continue.

Ce travail vise une exploration et une évaluation de nouvelles variantes de topologies multiniveaux AC/DC non réversibles (PFC) du point de vue de leur sûreté de fonctionnement : recherche d'une grande sécurité électrique sur destruction interne et maintien d'une continuité de fonctionnement. Elles sont caractérisées par une connexion AC non différentielle, un partitionnement cellulaire en série et symétrique autour d'un point milieu. Cette organisation permet d'exploiter la redondance active série entre les cellules d'un même groupe et l'effet de ségrégation topologique qui apparaît entre les deux groupes de cellules. Les structures étudiées sont modulaires et peuvent être parallélisées et étendues à un nombre quelconque de phases. Elles ne possèdent que des cellules mono-transistors basse-tension (Si et SiC 600V max) performantes et intrinsèquement tolérantes aux imperfections de la commande et aux parasites donc naturellement sécurisées. Les comparaisons prenant en compte les pertes, la répartition des pertes, le dimensionnement et le report de contraintes sur défaut interne mettent en avant la structure PFC Double- Boost Flying Cap. à 5 Niveaux, brevetée en début de thèse, comme une solution ayant le meilleur compromis. Sur le plan théorique nous montrons que le seul calcul de la fiabilité basé uniquement sur un critère d'occurrence au premier défaut est inadapté pour décrire ce type de topologie. La prise en compte de la tolérance de panne est nécessaire et permet d'évaluer la fiabilité globalement sur une panne effective (i.e. au second défaut). L'adaptation de modèles théoriques de fiabilité à taux de défaillance constant mais prenant en compte, au niveau de leurs paramètres, le report de contrainte en tension et l'augmentation de température qui résulte d'un premier défaut, permet de chiffrer par intégration et en valeur relative, le gain obtenu sur un temps court. Ce résultat est compatible avec les systèmes embarqués et la maintenance conditionnelle. Un prototype monophasé à 5 niveaux, à commande entièrement numérique et à MLI optimisée reconfigurable en temps réel a été réalisé afin de valider l'étude. Il permet une adaptation automatique de la topologie de 5 à 4 puis à 3 niveaux par exemple. Ce prototype a également servi de banc de test d'endurance du mode de défaillance sur claquage - avalanche de transistors CoolMos™ et diodes SiC, volontairement détruits individuellement dans des conditions d'énergie maîtrisée et reproductibles, afin de prouver expérimentalement le maintien du service sur plusieurs centaines d'heures au prix d'un derating de 30% maximum en puissance seulement. La détection et le diagnostic rapide de défauts internes ont également été traités dans ce travail. D'une part, par la surveillance directe et le seuillage des tensions internes (tensions flottantes) et d'autre part, par une détection harmonique de la fréquence de base (amplitude et phase) en temps réel. Ces deux techniques ont été intégrées numériquement et évaluées sur le prototype, en particulier la seconde qui ne requiert qu'un seul capteur. VI Enfin, nous proposons dans ce travail une nouvelle variante PFC Vienna multicellulaire expérimentée en fin de mémoire, utilisant deux fois moins de transistors et de drivers pour les mêmes performances fréquentielles au prix d'un rendement et d'une répartition des pertes légèrement moins favorables que la structure brevetée.

Cette thèse présente un couplage thermodynamique pour une modélisation approfondie du processus de soudure par ultrasons, surtout la soudure des thermoplastiques. Il s'agit de bien connaître le mode de fonctionnement des ensembles acoustiques réalisant la soudure ainsi que le comportement des matériaux à souder. En conséquence, les propriétés de ces matériaux, surtout celles nécessaires pour la modélisation par éléments finis, sont identifiées. Les paramètres mécaniques et thermiques sont mesurés en statique et ils sont comparés avec les résultats calcules par homogénéisation. Certains sont déterminés en dynamique, selon la fréquence et aussi en fonction de la température. Ceci est très utile parce que les matériaux travaillent à haute fréquence ultrasonique et que la température lors de la soudure change fortement. La machine de soudage par ultrasons (l'ensemble acoustique) a déjà été conçue et fabriquée. La modélisation EF en 3D avec Abaqus nous montre bien ses comportements modaux et vibratoires. Ensuite, les matériaux à souder sont introduits en modélisants le contact dynamique entre l'ensemble acoustique et la bande à souder. Ce modèle nous permet de déterminer le temps de contact et la compression dans les matériaux en fonction de la force de maintien. La dissipation d'énergie qui est engendrée par viscosité des matériaux à souder est calculée et introduite dans le modèle couplé thermomécanique. Le transfert de chaleur dans tout l'ensemble lors de la soudure est modélisé et il montre le champ de température, surtout la température à l'interface entre deux couches de matériaux. Cette modélisation est complétée en utilisant la méthode ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) afin de tenir compte du mouvement d'avancement des bandes à souder

En matière d'entraînement électromécanique, les achats industriels s'orientent principalement vers les machines électriques asynchrones. Ces types de machines sont réputés pour leur robustesse et leur entretien quasi nul. Leur simplicité de conception en font des outils performants et économiques. Le problème de bruit de ces machines est loin d'être récent mais les spécifications d'utilisation ont cependant évolué ainsi que les modes d'utilisation. Les contraintes économiques poussent à la réalisation de machines de plus en plus compactes et légères, ce qui ne favorise pas la réduction du bruit. Il est également de plus en plus courant, non pas d'alimenter ces machines directement par un réseau polyphasé mais à l'aide d'une électronique de puissance. Ce type d'alimentation permet un contrôle plus fin de la machine ce qui donne la possibilité de faire varier le couple et la vitesse de rotation. <br /> Cette association machines - convertisseurs statiques de puissance se généralise d'autant plus que l'électronique de puissance progresse rapidement et que ses coûts diminuent. Bien sûr, ces évolutions ne vont pas sans l'apparition de problèmes inédits en ce qui concerne le bruit et les vibrations. <br /> Un isolement -- capitonnage -- de la machine est parfois mis en place pour limiter les nuisances sonores mais il peut conduire à des problèmes d'échauffement ou d'encombrement. Il est beaucoup plus pertinent d'éviter l'émission acoustique en contrôlant à la source le comportement vibro-acoustique de la machine, c'est-à-dire en contrôlant les sources de vibrations d'origine électromagnétique. <br /> Notre travail consistera à développer des outils, à la fois, simples et suffisamment précis, pour coupler la chaîne entière d'émission acoustique. Ce travail doit, non seulement, permettre au concepteur de machine d'introduire dans ces paramètres la notion de bruit, mais également, à l'électronicien de puissance d'adapter sa stratégie de commande et de conversion statique à la machine dans une perspective de réduction du bruit. <br /> Ce travail est également l'occasion pour nous, électrotechniciens, de rencontrer et de travailler avec des spécialistes de vibro-acoustique. Le travail présenté, orienté dans une optique de conception est le résultat d'une première étude menée dans notre laboratoire.

Le capteur de pression étudié résulte de l'assemblage hybride d'une cellule sensible capacitive en technologie Silicium/Pyrex et d'un convertisseur capacité/fréquence basé sur le principe de la charge et de la décharge d'une capacité à courant constant. La modélisation de la réponse de chacune des deux parties permet d'établir la fonction de transfert du capteur. La détermination précise des différents paramètres s'effectue à partir d'une approche mixte fondée sur la simulation numérique et sur la caractérisation expérimentale de la cellule et du circuit. L'étude des comportements d'un montage inverseur et d'une architecture ratiométrique montre la faisabilité d'un capteur dans lequel la nonlinéarité et les dérives thermiques s'autocompensent en grande partie. Dans une plage de fréquence de l'ordre de dix pour-cent de la fréquence à pression nulle, le démonstrateur de capteur présente une nonlinéarité inférieure à 1 % et une dérive thermique par degré Celsius égale à deux cents millièmes. La simulation numérique indique que pour optimiser les performances du capteur ratiométrique, il faut que les deux voies de référence et de mesure soient identiques. Cet optimum peut être quasiment atteint en intégrant sur un substrat commun de silicium les deux convertisseurs. Les essais expérimentaux révèlent également des phénomènes d'interférences entre les oscillateurs véhiculés au travers des capacités de recouvrement des transistors MOS. La minimisation de ce problème peut s'obtenir en ajoutant une capacité de découplage suffisamment grande entre les oscillateurs. L'ensemble de ces résultats obtenus permet de conclure que les principes et les technologies utilisées sont adéquats pour développer une nouvelle famille de capteurs de pression miniatures relativement précis (de l'ordre de 1 % de l'étendue de mesure), peu coûteux et facilement interfaçables avec des réseaux de communication numériques.