La demande pour des appareils portables multifonctionnels encourage les manufacturiers à intégrer des microsystèmes électromécaniques (MEMS) ou optoélectromécaniques (MOEMS) à leurs produits pour réaliser de nouvelles fonctions ; les pico projecteurs constituent un excellent exemple. Or, dans le but d'utiliser ce type de composants, des tensions de polarisation variant entre 100 V et 300 V sont parfois nécessaires. La génération de ces tensions à partir de la pile de l'appareil exige des convertisseurs continu-continu (DC-DC) miniatures procurant un gain de tension de l'ordre de 100. C'est dans ce contexte général que ce projet réalisé pour Teledyne DALSA, un manufacturier de MEMS et concepteur de circuits intégrés haut voltage, a été réalisé. En intégrant ce circuit à ses circuits de contrôle de MEMS, Teledyne DALSA sera ainsi en mesure de proposer des systèmes plus complets à ses clients. Ce mémoire présente la conception d'un convertisseur DC-DC dans la technologie CO8G CMOS/DMOS haut voltage de Teledyne DALSA. Pour que la solution développée soit assez flexible, le circuit permet un ajustement de la tension de sortie entre 100 V et 300 V pour une puissance de sortie inférieure ou égale à 210 mW à partir d'une tension de batterie entre 2,7 V et 5,5 V. Afin de permettre une longue autonomie des appareils portables, ce projet vise une efficacité de transfert d'énergie de 70 % à la puissance de sortie typique de 75 mW à 220 V. De plus, la solution développée doit être la plus petite possible. À partir de l'état de l'art des circuits de gestion de l'alimentation, ce mémoire présente une conception haut niveau du circuit basée sur des raisonnements et calculs mathématiques simples. Bâtissant sur ces concepts, ce travail détaille la conception des composants de puissance, du circuit de puissance et du contrôleur nécessaire à la réalisation de ce projet. Bien que certaines difficultés, notamment le niveau moyen de l'oscillation de la tension de sortie de 1,6 V, ne permettent pas d'utiliser dès maintenant le circuit développé dans une application commerciale, la solution proposée démontre une amélioration entre 15 % et 43 % de l'efficacité de conversion par rapport au circuit flyback actuel de Teledyne DALSA. De plus, la solution proposée intègre un transistor de puissance 78 % plus petit que les transistors standards disponibles dans la technologie CO8G. Étant donnée l'innovation du circuit présenté au niveau des composants de puissance, du circuit de puissance et du contrôleur, ces résultats de l'implémentation initiale laissent envisager un bon potentiel pour cette architecture après une révision.

L'avion plus électrique est un concept qui a le vent en poupe chez les principaux constructeurs du domaine de l'aéronautique. Dans ce domaine, comme dans d'autres, les besoins en énergie électrique sont croissants et nécessitent de mettre en place des systèmes de conversion d'énergie fiables, performants et modulaires. Ces systèmes de conversion sont souvent couplés avec des systèmes de stockage d'énergie (type batterie) permettant dans certaines situations de rendre l'avion énergétiquement autonome grâce à une source de puissance indépendante des principaux organes de production d'énergie. Cette interconnexion batterie - réseau de bord présente un rapport de tension élevé ce qui, ajouté aux fortes valeurs de courant de la basse tension, en fait un objet particulièrement complexe à réaliser.L'objectif de cette thèse est de concevoir de manière optimale un convertisseur de puissance isolé permettant l'interconnexion d'un bus basse tension 28 V (typiquement des batteries) à un bus haute tension 540 V (réseau de bord de l'avion) avec une puissance échangeable d'environ 12 kW. Elle se déroule dans le cadre d'un projet ANR (quatre partenaires universitaires, associés à l'entreprise AIRBUS) dont l'une des tâches est le développement d'outils de conception pour l'électronique de puissance. Le travail correspondant comprend une contribution à cette tâche sous forme de la construction de modèles des principaux composants intervenant dans un convertisseur, modèles destinés à être intégrés dans les routines d'optimisation. Pour cette raison, ils seront analytiques (physique, empiriques, mélange des deux).Ces modèles seront ensuite insérés dans un outil global développé dans une autre thèse du projet, à l'aide duquel différentes architectures de convertisseurs seront comparées afin d'en déduire la meilleure solution pour le cahier des charges énoncé précédemment. Un prototype du convertisseur retenu sera finalement réalisé en utilisant des technologies avancées, pour conduire une validation expérimentale. / The electric aircraft tends to become widespread at all the main manufacturers of the domain of the aeronautics. Needs do not stop growing and require setting up reliable, efficiency and modular systems of conversion of energy. These systems of conversion are often coupled with systems of storage of energy (battery) allowing in certain situations to make the punctually autonomous aircraft energetically thanks to a source of power independent from main organs of power production. This interconnection battery - network of edge presents a very high report of rise of tension what, added to the high current value of the battery bus, in fact a particularly complex object to be realized.The objective of this thesis is to design in an optimal way a converter of power isolated allowing the interconnection of a low-voltage bus 28V (typically batteries) in a high-voltage bus 540V (network of edge of the aircraft) with an exchangeable power about 12 kW. It takes place within the framework of an ANR project (four university partners + AIRBUS) the development of tools of conception of which one of the tasks is for the ENP. The corresponding work includes a contribution to this task in the form of the construction of models of the main components occurring in a converter, model intended to be integrated into the routines of optimization. For that reason, they will be analytical (physical, empirical or mix both).These models will then be inserted into a global tool developed in another thesis of the project, by means of which various architectures of converters will be compared to deduct the best solution from it for the previous specifications. A prototype of the reserved converter will be finally realized by using advanced technologies, to lead an experimental validation.

A la recherche de la modularité et de la généricité, notre approche consiste à partir de l'idée qu'une cellule élémentaire peut être conçue, intégrée et réalisée en grand nombre. Ensuite elle va être associée en grand nombre pour pouvoir, au final, couvrir n'importe quelle application de conversion DC-DC en électronique de puissance. Ce travail de thèse a pour but tout d'abord d'introduire notre approche de manière consistante. Ensuite, un bilan de l'état de l'art autour de la même direction et aussi la présentation détaillée de notre approche sont abordés. Le coeur de la thèse se concentre sur l'étude du couplage magnétique entre les cellules élémentaires via la mise en parallèle des enroulements entre les transformateurs de puissance. Ce couplage avec notre commande aléatoire sert à la fois la réduction du filtrage et la possibilité de l'intégration des composants passifs. Enfin, le travail est bouclé par la validation expérimentale d'un réseau de 12 convertisseurs de 10W faisant une conversion DC-DC de 120W.

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre de l'utilisation de matériaux piézoélectriques pour la réalisation de composants passifs dans des applications de conversion d'énergie électrique. Le travail débute avec l'étude et le dimensionnement de deux convertisseurs d 'une puissance de 10 watt intégrant un transformateur piézoélectrique, l'un pour des applications d'alimentation stabilisée de 15 V (convertisseur DC/DC) et l'autre servant a l'alimentation de lampes fluorescentes a cathode froide utilisées pour le retro-éclairage d'écrans TFT de 32 pouces. L'idée étant que le transformateur piézoélectrique présente, dans ces applications, un certain nombre d'avantages compare au transformateur électromagnétique, comme une plus grande compacité et une meilleure compatibilité électromagnétique. L'originalité du travail repose sur la méthode de dimensionnement du transformateur qui n'est plus base sur Le principe de charge optimale mais qui introduit la notion de courant mécanique ou de vitesse maximale de vibration. Cette technique permet également de prédire l'élévation de température ainsi que les pertes du transformateur. On s'intéresse ensuite a l'optimisation et a la gestion de l'énergie au sein du transformateur piézoélectrique. La commutation introduisant des non-linéarités dans son fonctionnement, Le concept de cycle de travail a été introduit permettant une étude et des comparaisons des différentes architectures de conversion. Cela a permis la mise au point d'un nouveau redresseur contr6le par la vitesse de vibration. Ce redresseur actif a été transpose avec succès dans des applications d'amortissement de structure ou encore de récupération d'énergie de vibration.

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.

Les objectifs concernant la part des énergies renouvelables dans la production d'électricité sont de 20 % en 2020 en UE. L'éolien offshore principalement ainsi que les ressources hydroliennes et les panneaux photovoltaïques, vont contribuer à cet objectif. Les améliorations récentes dans le domaine de l'électronique de puissance amènent à repenser les architectures électrotechniques des fermes éoliennes de plus en plus éloignées du continent et présentant des puissances de plus en plus importantes. Plusieurs topologies électrotechniques de fermes éoliennes offshore sont comparées afin de définir la plus intéressante d'un point de vue faisabilité, efficacité et fiabilité. La solution de connexion retenue est entièrement en DC car elle présente des pertes diminuées et des convertisseurs DC-DC avec transformateurs haute-fréquence apportant un gain d'encombrement comparé à une topologie classique en AC. La topologie DC est alors modélisée avec une attention particulière portée aux convertisseurs DC-DC Full-Bridge, cœur technologique de la ferme. Un contrôle du convertisseur par entrelacement des commandes du convertisseur est explicité afin de réduire la taille du filtre en sortie. Deux expérimentations à échelle réelle (2 MW) et réduite (4 kW) permettent de valider le modèle, les pertes et les contrôles implantés sur le convertisseur. Les protections qui peuvent être mises en place pour un réseau de distribution DC sont aussi étudiées avec une proposition de disjoncteur statique DC. Une connexion entre un simulateur temps réel et le banc d'essai 4 kW est réalisée afin de comparer le comportement des convertisseurs de la ferme sur des échelles de temps importantes. Différents contrôles sont testés, et plus particulièrement ceux permettant de valider la capacité de la ferme à rester connectée au réseau pendant les défauts AC. L'ensemble des théories développées sur le cas d'étude éolien offshore sont étendues à des fermes solaires de fortes puissances afin de mettre en évidence les analogies entre ces deux énergies renouvelables.

L'amélioration de la compacité et du rendement des convertisseurs à découpage est une problématique centrale en électronique de puissance; elle l'est encore plus à bord des satellites où chaque gramme et chaque watt comptent. Chacun des nombreux émetteurs et récepteurs radiofréquence qui équipent les satellites de télécommunication a besoin d'être alimenté par diverses tensions, converties de façon isolée à partir du bus principal de distribution de puissance. En raison des lourdes contraintes thermiques, de fiabilité et de résistance aux radiations qui pèsent sur les composants électroniques dans les applications spatiales, les degrés de liberté pour améliorer les alimentations sont restreints, en tout cas avec les technologies actuelles de semiconducteurs qualifiés (couteuses et très en retrait des performances de l'état de l'art). La commercialisation assez récente de transistors de puissance en nitrure de gallium (GaN) à canal normalement bloqué, présentant des caractéristiques électriques supérieures à celles des meilleurs MOSFET de puissance en silicium, est prometteuse sur ce point. En effet leur robustesse intrinsèque aux radiations semble permettre leur emploi dans des convertisseurs spatiaux. Le but de ce travail est l'évaluation des apports possibles de cette technologie dans la réalisation d'alimentations DC/DC isolées pour des équipements typiques des charges utiles des satellites de télécommunication. Le fonctionnement à des fréquences de découpage plus élevées avec ces composants plus performants doit, au premier abord, réduire l'encombrement des convertisseurs à rendement égal (voire meilleur) tout en continuant à respecter le cahier des charges spécifique à chaque application. La pertinence de cette hypothèse et l'architecture de mise en œuvre la plus adéquate ont été explorées pour l'alimentation faible puissance d'un récepteur RF, avec réalisation et comparaison de plusieurs maquettes de démonstration. Afin d'aborder des convertisseurs de plus fortes puissances, une étude théorique et expérimentale des pertes par commutation dans les jambes de pont de transistors GaN a été menée. Un programme de calcul de performances a été développé en Python et mis en œuvre pour identifier l'optimum global du dimensionnement d'un convertisseur Dual Active Bridge destiné à l'alimentation d'un amplificateur RF de puissance (250 W DC). Une maquette prototype a été réalisée et a démontré l'intérêt de la topologie et des composants GaN dans cette application, tout en mettant en évidence la prédominance des pertes haute fréquence des composants magnétiques parmi les pertes totales du convertisseur. Ce dernier point s'avère finalement être la principale limitation de l'approche, précieuse pour l'ingénierie, de dimensionnement optimal par le calcul : les modèles actuellement existants d'estimation des pertes dans les éléments magnétiques se révèlent insatisfaisants pour prédire les performances de ce type de convertisseur. / Improving the compactness and efficiency of switching converters is a central issue in power electronics; even more so in satellites where every gram and every watt counts. Each of the many radio-frequency emitters and receivers onboard telecommunications satellites need to be powered by various voltages, converted in an isolated way from the main power distribution bus. Due to the strong thermal, reliability and radiation hardness constraints applying to electronic components in space applications, available degrees of freedom for improvement of power supplies are limited - at least with current qualified semiconductor technologies (which are both expensive and far behind state-of-the-art performance). The recent commercialization of gallium nitride (GaN) normally-off power transistors, having superior electrical characteristics compared to the best silicon power MOSFET, is promising on that regard. Indeed, their intrinsic radiation hardness seems to allow their use in space-grade converters. The aim of this work is the evaluation of how this technology can help improve the design of isolated DC/DC power supplies for typical hardware units of telecommunications satellite payloads. Operation at higher switching frequencies with these better performing components should, in principle, reduce converters' footprint while keeping the same (or better) efficiency level and still obeying each application's specific requirements. The accuracy of this hypothesis as well as the most adequate implementation architecture have been explored for the low power supply of a RF receiver, including realization and comparison of several demonstration boards. In order to approach higher power converters, a theoretical and experiment study of switching losses in GaN transistor bridge legs has been performed. A performance computation software has been developed in Python and used to identify the global optimum of the design of a Dual Active Bridge converter for a power RF amplifier (250 W DC). A prototype board has been built and demonstrated the interest of both the topology and GaN devices in this application, while clearly showing that high-frequency losses in magnetic components dominate total converter loss. This last issue happens to be the main limitation of the approach - precious to the engineer - of optimum design by computation: currently existing models for power loss estimation in magnetic elements are not satisfactory to predict performances of this type of converter.

Le courant d'alimentation d'une carte à puce présente des corrélations significatives avec les données traitées par son microcontrôleur. Les techniques de cryptanalyse dites « par analyse en courant » exploitent ces corrélations pour déterminer les clés secrètes des cryptosystèmes embarqués. Cette étude traite de la conception d'un système d'alimentation sur puce destiné à protéger les microcontrôleurs encartables contre les attaques par analyse en courant. Le nouveau système proposé permet de réguler la tension d'alimentation interne du microcontrôleur à partir de la tension d'alimentation externe fournie par le lecteur, tout en décorrélant le courant d'alimentation externe du courant d'alimentation interne. Sa surface et son rendement respectent les contraintes imposées par le support. De plus, son architecture inclut un nouveau générateur d'horloge aléatoire basé, entre autres, sur un attracteur chaotique de type « double-scroll ». Le système a été simulé avec Eldo et les paramètres MM9 d'un procédé CMOS 0.18 µm standard de la société STMicroelectronics; les résultats des simulations témoignent de son efficacité. Par ailleurs, l'oscillateur chaotique a été fabriqué suivant le procédé CMOS 0.35 µm 2P/4M du fondeur AMS; les mesures expérimentales confirment les résultats théoriques.

Les téléphones et tablettes de dernière génération embarquent une puissance de calcul numérique très importante nécessitant une puissance électrique d’alimentation toute aussi significative. Afin de réduire la consommation énergétique des composants numériques complexes des terminaux mobiles, des techniques de modulation dynamique de la tension d’alimentation et de la fréquence de fonctionnement du cœur de calcul numérique sont utilisées. Le convertisseur DC/DC qui assure l’alimentation du cœur numérique doit donc faire face à de forts transitoires de charge, de tension de référence et de tension de source. Le contrôle en mode glissant d’un convertisseur DC/DC permet un bon compromis entre les performances transitoires du convertisseur, la réalisation via des composants analogiques et la puissance dissipée par le contrôleur. C’est pourquoi ce type de contrôle apparait être adapté au contrôle de convertisseurs DC/DC alimentant des cœurs numériques. Cette thèse a pour objet l’étude des alimentations sur carte électronique où le contrôleur et l’étage de puissance sont intégrés sur puce tandis que les composants de puissance passifs sont montés sur le circuit imprimé. Le contrôle en mode glissant à fréquence de découpage fixe d’un convertisseur DC/DC a été démontré avec des résultats significatifs. Cependant les performances transitoires d’un tel convertisseur sont amoindries en raison des délais introduits par une fréquence de découpage fixe. Une nouvelle structure de régulation de fréquence de découpage d’un convertisseur DC/DC contrôlé en mode glissant est proposée dans cette thèse. Cette structure régule la fréquence de découpage moyenne du convertisseur tout en maintenant la réponse transitoire du convertisseur asynchrone par rapport à l’horloge de référence. Une analyse de stabilité qui prend en compte les spécificités d’un tel système est aussi proposée. Le convertisseur a été conçu sur un procédé CMOS 130nm de STMicroelectronics. La fréquence de découpage est maintenue volontairement faible pour conserver un rendement élevé avec des composants passifs externes. Le prototype présente un rendement supérieur à 80% entre 2.4mW et 960mW de puissance de sortie. / Mobile applications necessitate nowadays huge digital-resources. Power management of a digital System-On-Chip (SOC) is based on dynamic voltage scaling. DC/DC converters used to supply the digital SoCs are facing stringent constraints with respect to load-transients, line-transients and reference tracking. Hysteretic control is known as the most convenient control scheme with a fair trade-off between transient performances, analog implementation and power consumption, particularly for one-phase architecture. The thesis focuses on-board DC/DC with a significant constraint on footprint (i.e. on components count and values). Fixed switching-frequency hysteretic control has been experimented with significant results. Transient performances are reduced due to latency introduced in the switching frequency control. The present study focuses on the improvement of the concept as well as its implementation and the analysis of stability. A new analog implementation of the sliding-mode control is presented with switching-frequency control using a particular analog phase-locked-loop but preserve transient performances. The DC/DC converter is implemented in CMOS 130nm by STMicroelectronics. The switching frequency range has been voluntarily limited and excludes the possible integration of passive components for the sake of silicon access. A hybrid demonstrator is presented with efficiency higher than 80\% between 2.4 mW and 960 mW output power.

Ces dernières années, la fiabilité et la continuité de service des chaînes de traction sont devenus des défis majeurs afin que les véhicules électriques puissent accéder au marché grand public de l’automobile. En effet, la présence de défauts dans les chaînes de traction peut conduire à des dysfonctionnements dans les véhicules et ainsi réduire ses performances par rapport aux véhicules conventionnels. Dans l’hypothèse où des défauts électriques se produisaient, les chaînes de traction des véhicules électriques à pile à combustible devraient inclure des topologies et/ou contrôles tolérants aux défauts pour les différents convertisseurs DC/DC et DC/AC. Dans le cadre de ce travail de recherche, un focus est fait sur le convertisseur DC/DC associé à la pile à combustible de la chaine de traction. Ce dernier doit répondre aux problématiques majeures des applications véhicule électrique à pile à combustible à savoir : faible masse et petit volume, haute efficacité énergétique, réduction de l’ondulation de courant d’entrée et fiabilité. A la base d’une recherche bibliographique poussée sur les structures non-isolées et isolées appropriées pour des applications PàC, une topologie de convertisseur DC/DC entrelacé a été choisie permettant de respecter les contraintes des véhicules électriques à pile à combustible.Ce travail de thèse a ensuite consisté à dimensionner et contrôler la structure de convertisseur DC/DC tolérante aux défauts choisie pour les véhicules à PàC. Des algorithmes de gestion des modes dégradés de ce convertisseur ont été développés et implémentés expérimentalement. A ce titre, l’interaction PàC-convertisseur DC/DC a été étudiée. Une approche théorique, de simulation et expérimentale a été mise en oeuvre pour mener à bien ce travail. / Over the last years, reliability and continuity of service of powertrains have become major challenge so that the fuel cell electric vehicles (CFEV) can access to the mass automotive market. Indeed, the presence of faults in powertrains can lead up to malfunctions in the vehicle and consequently reduce its performances compared with conventional vehicles. In the case of electrical faults, powertrains of FCEV have to include fault tolerant topology and/or control for the different DC/DC and DC/AC converters. Within the framework of this research work, the study is focused on DC/DC converter combined with a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). The DC/DC converter must respond to challenging issues in FCEV applications such as: low weight and small volume, high energy efficiency, fuel cell current ripple reduction and reliability. Basing on a thorough bibliographical study on non-isolated and isolated DC/DC converter topologies, an interleaved DC/DC boost converter has been chosen, meeting the FCEV requirements.The purpose of this thesis has then consisted in sizing and controlling the chosen fault-tolerant DC/DC converter topology for FCEVs. Algorithms for degraded mode management of this converter have been developed and implemented experimentally. As such, the interaction between PEMFC and interleaved DC/DC boost converter has been investigated. A theoretical approach, simulation and experimental results have been carried out to complete this work.