Les convertisseurs électriques sont présents dans tous les équipements électroniques. Les besoins en alimentations stabilisées des appareils et la variabilité des sources d'énergie imposent l'omniprésence des convertisseurs. Dans un environnement embarqué, la conversion, majoritairement DC/DC, subit de multiples contraintes environnementales dues au milieu dans lequel elle évolue, que ce soit dans un aéronef ou un véhicule terrestre. Les équipements ferroviaires doivent ainsi subir des contraintes vibratoires et volumiques fortes imposant à la fois l'absence de pièces mobiles telles que des ventilateurs, ainsi qu'un volume minimal afin de ne pas empiéter sur l'espace utile des cabines de trains.Une contrainte plus spécifique à l'environnement ferroviaire est la très large plage de tension d'alimentation devant être supportée par le convertisseur. Cette plage de tension, s'étendant de 12 V à 154 V, due à la multiplicité des standards électriques de par le monde représente le principal défi à la conception de convertisseurs DC/DC compacts.Dans ce mémoire, les topologies de convertisseurs existantes sont dans un premier temps analysées en fonction des contraintes du cahier des charges. Les deux structures les plus pertinentes sont ensuite étudiées plus profondément, par des simulations comportementales et des modélisations de pertes, afin de confirmer leur pertinence et d'étudier leurs carences.Dans les deux derniers chapitres de ce mémoire, les stratégies de dimensionnement propres à notre application sont décrites. Finalement, les technique de contrôle élaborées spécifiquement pour notre application sont décrites puis testées sur les prototypes des convertisseurs. Les mesures réalisées sur les prototypes ont permis de confirmer l'apport des techniques de contrôle et de dimensionnement décrites précédemment, améliorant significativement les performances des convertisseurs ainsi que l'encombrement de leurs éléments passifs / Electric converters can be found on almost every electronic device. The need for a stabilized power supply and the variability of the power sources make the power converters unavoidable. In embedded applications, the power conversion, mostly DC/DC conversion, must sustain various constraints due to their environment, airborne or in ground vehicles. Devices for railway applications endure severe constraint on their volume and immunity to vibration. Thus, they have to be built without any mobile part including fans, and to be as small as possible to minimize their impact on the payload capacity of the trains.The most specific constraint in railway application is the wide input voltage range sustained by the power converter. This voltage range, from 12 V to 154 V, is due to the large amount of electric standards worldwide. This characteristic is the main challenge for the design of compact DC/DC converters.In this thesis, in a first time the current converters topologies are analysed under the scope of our specifications. Then, the two most relevant structures are more deeply studied. Behavioural simulations and loss models are described, leading to the confirmation of their relevancy and the study of their lacks.In the last two chapters of this thesis, the sizing strategies used to fit our specifications are described. Then, the control techniques elaborated to meet the specificities of our application are described then tested on prototypes. The measurements made on the prototypes have confirmed the gain due to these control techniques and the sizing strategies previously described. These improvements have led to significant improvements in the performance of the converters and in the volume reduction of their passive elements

Les recherches actives sur les matériaux photovoltaïques et sur les systèmes de gestion de cette énergie sont à la base de ces progrès constants. Le LAAS travaille depuis plusieurs années dans cette optique d'amélioration et d'optimisation de l'énergie électrique produite par les systèmes solaires photovoltaïques. L'insertion d'un étage d'adaptation entre un générateur photovoltaïque (PV) et une charge optimise le transfert d'énergie. Ainsi, cet étage, commandé par une MPPT (Maximum Power Point Tracking), permet de rechercher en permanence le point maximum de puissance délivré par le module PV. Afin d'accroître encore les performances énergétiques des systèmes solaires, cette thèse s'est délibérément orientée vers une architecture fortement distribuée. Cette approche, consistant à répartir la gestion du générateur PV, permet de se rapprocher au plus près de la production photovoltaïque et ainsi en optimiser la puissance électrique globalement produite. Pour cela, nous avons développé des prototypes de micro-convertisseurs dédiés aux applications faibles puissances photovoltaïques. Les mesures journalières effectuées nous ont permis d'étudier avec précision l'intérêt de l'architecture distribuée et d'obtenir des résultats de validation montrant les perspectives à venir. Plusieurs solutions d'architectures se dégagent avec différents bilans des gains énergétiques qu'elles apportent.

Ce sujet s'inscrit dans la continuité des travaux commencés au sein du L2ES dans le cadre du programme ECCE en partenariat avec CREEBEL qui assure le nancement. La plateforme ECCE est un véhicule hybride électrique série à 4 roues indépendantes d'une puissance nominale en propulsion de 120kW électrique. La source d'énergie principale est constituée de deux moteurs diesels entraînant deux alternateurs. L'énergie électrique produite alimente les 4 moteurs électriques de traction et le reste est stocké dans le pack des batteries. Cette thèse développe les stratégies de couplage énergétique entre ce pack des batteries et les supercondensateurs an d'assurer au véhicule une dynamique de fourniture et du stockage de l'énergie électrique. Une étude bibliographique a permis de passer en revue le bilan technologique et les applications potentielles des supercondensateurs, puis d'élaborer le modèle simplié des supercondensateurs qui traduit dèlement le comportement des cellules durant les phases de charge et de décharge. Diérentes topologies des convertisseurs DC/DC avec des stratégies originales de gestion d'énergie électrique embarquée sont traitées. Les topologies proposées sont basées sur les convertisseurs Buck-Boost et les convertisseurs DC/AC-AC/DC à étage intermédiaire haute fréquence. Pour une raison de coût, les maquettes expérimentales des topologies ont été réalisées à l'échelle réduite ( 1/10 ). Les résultats expérimentaux obtenus ont permis de comparer les performances des topologies pour deux types de commande. La stratégie de gestion d'énergie à base des correcteurs polynomiaux (RST) est comparée à celle utilisant des correcteurs PI classiques. Ces études comparatives ont permis de choisir la meilleure topologie destinée au couplage des supercondensateurs sur le bus continu du banc ECCE.

La pile à combustible (PAC) est une technologie maintenant maîtrisée qui permet de convertir efficacement le combustible hydrogène en énergie électrique et thermique avec un faible impact environnemental. L'extension de son utilisation dépend fortement de la qualité de l'interface électronique de puissance qui a pour l'objet d'adapter la pile à la charge. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de Doctorat s'intéresse à la conception d'une interface électronique de puissance pour la pile à combustible pour les trois domaines d'applications : télécommunication, transport et stationnaire. <br />Dans cette objective, l'approche modulaire, qui se base sur l'étude des convertisseurs unitaires et leurs modes de connexion, a été proposée afin de s'adapter à la modularité des stacks de PAC. Des modèles de pertes et de dimensionnement des composants passifs et semi conducteurs ont été construits. La technique de l'entrelacement est introduite afin de résoudre le problème de fort courant et permet d'optimiser le dimensionnement des inductances. Une nouvelle structure nommée double BOOST dual entrelacé (Interleaved Double Dual BOOST – IDD BOOST) a été proposée afin de résoudre les difficultés d'un convertisseur modulaire présentant une tension de sortie élevée et un rapport de tension important. Les stratégies de contrôle – commande multi sources ont été étudié en adaptant aux topologies de l'interface de puissance. Deux prototypes ont été réalisés afin de valider les résultats de prédiction de pertes ainsi que le contrôle commande multi sources.

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

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

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 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. / Current trends towards miniaturization of electronic circuits had led to the advent of System onChip containing different types of circuits indented to perform different functions. These sub-systemsrequire different supply voltages that are delivered from the SoC supply voltage using several DC/DCconverters. Currently, most of the electronic circuits of portable applications use conventional SMPS(switch mode power supply) DC/DC converters containing an inductor element to stock temporally theelectrical energy.In this case the converter is outside the chip since the integration of the inductor is very difficultand that resistive losses increase when the coil diameter decreases. The alternative to use switchedcapacitor converters, which can be easily integrated on silicon, presents some limitations because ofthe dependence of the required number of capacitors on the conversion ratio, and because ofswitching losses due to the charge and the discharge of the capacitors inducing a decrease of theconversion efficiency. For that reason, it is interesting to develop a new alternative that allows thefabrication of a compact and efficient DC/DC converter in order to get a completely integrated system.This thesis focuses on a novel solution based on electrostatic MEMS in order to make anintegrated DC/DC converter with high efficiency. A mechanically variable capacitor is used instead ofthe inductor element to store the transient electrical energy. The variable capacitor is fabricated byMEMS micromachining process techniques compatible with CMOS process integration.In this work, we explain the principle and the operation of a step down and a step-up converterusing our novel approach through an energetic analysis, we design a MEMS device optimized withrespect to the voltage conversion application, and we present our converter control method using azero voltage switching technique. An efficiency of almost 88% was obtained by simulation of a 10V-20V converter, when the power management circuitry was considered with discrete elements; thisefficiency is promising and could be improved when the whole system will be integrated on silicon.:

Les convertisseurs de puissance en DC/DC sont largement utilisés pour les applications domestiques et industrielles pour des puissances de quelques Watts à quelques MégaWatts. Généralement, pour chaque application un convertisseur adapté est conçu afin de répondre au cahier des charges. A chaque nouvelle application correspond donc un nouveau convertisseur, ce qui conduit à concevoir systématiquement de nouvelles structures de conversion et qui s'avère coûteux en temps et en argent. Eventuellement, cela peut conduire à des développements technologiques spécifiques qui, eux aussi ont des conséquences sur le coût de développement des solutions d'électronique de puissance.Afin de contourner ces difficultés, mes travaux de thèse portent sur la démarche Réseaux de Micro Convertisseurs (RµC) qui propose une nouvelle approche permettant de répondre de manière totalement flexible à n’importe quel cahier des charges. Cette approche vise à créer un composant unique, appelé cellule élémentaire (CE), permettant de répondre à tout type de cahiers des charges par la mise en série et/ou en parallèle de plusieurs de ces cellules élémentaires. Elle permet ainsi de régler les calibres en tension et/ou en courant du convertisseur à réaliser. Mes travaux de thèse se divisent en deux grandes parties. La première partie consiste en la conception et l’intégration de la cellule élémentaire utilisée dans le RµC. La deuxième, aborde les stratégies de configuration utilisées dans les RµC ainsi que les modes d’association des cellules élémentaires pouvant répondre à n’importe quel cahier des charges. / DC/DC power converters are widely used for domestic and industrial applications with powers from a few watts to several MegaWatts. Generally, for each application, an appropriate converter is designed to meet the specifications. So, with a new application corresponds a new converter leading to systematic review and re-design of a new structure of conversion which is costly in time and money. Eventually, it can lead to specific technological developments which also have an impact on the cost of developing solutions for power electronics. To circumvent these difficulties, my thesis focuses on the process of Micro Converters Networks (MiCoNet) which proposes a new approach to respond fully flexibely to any specifications. The aim of this approach is to create a unit component, called elementary cell, able to respond to any kind of specifications by connecting in series and/or parallel several of these elementary cells. It permits to adjust the voltage and/or current of the converter to achieve. Therefore, my thesis is divided into two main parts. The first part consists in the design and the integration of the elementary cell used in the MiCoNet. The second discusses the configuration strategies used in the MiCoNet and association modes of elementary cells which can respond to any specification.

Le projet de cette thèse est de réaliser un convertisseur DC/DC isolé à haute fréquence de découpage basé sur la mise en œuvre de composants en GaN. Le but est d'augmenter très fortement les densité de puissance commutées par rapport aux solutions actuelles. Cette thèse mets en oeuvre les composants GaN afin de déterminer les meilleurs conditions de fonctionnement possible. Une fois les points critiques mis en avant, on étudie les structures de circuit de commande adapté pour les HEMT GaN d'EPC et un circuit intégré pour la commande est étudié et mis en oeuvre. Le layout global de la carte a un rôle important en termes d'intégration et d'optimisation CEM, il est donc discuté et des règles de routage sont proposées. Enfin, on étudie plusieurs structures de puissance et on les met en oeuvre pour vérifier le bon fonctionnement et le respect du cahier des charges. / This study consist in the development of a high frequency insulated DC/DC converter based on GaN power devices. The goal is to increase significantly the power density in comparison with actual converter solutions. This thesis evaluate the GaN components performances to determine the best working conditions. Once the critical points highlighted, gate circuit topologies suitable for EPC GaN HEMT are studied and an integrated IC is designed and implemented. The overall layout of the card has an important role in terms of integration and EMC optimization, so it is discussed and routing rules are proposed. Finally, we study several power structures and implement them to verify proper operation and their compliance with specifications.