Vu l’importance que revêt la sûreté de fonctionnement des convertisseurs statiques dans plusieurs domaines (traction électrique, génération de l’énergie électrique à partir de l’énergie éolienne, etc,... ), il est nécessaire d'examiner la continuité de service de ces systèmes même dans le cas d’un dysfonctionnement d’un des modules IGBT, d’un bras de l’onduleur ou d'une phase de machine. Ainsi, il est indispensable de concevoir de nouvelles architectures matérielles et commandes logicielles capables de fonctionner à puissance significative même en présence de défaillance touchant le système et plus particulièrement les modules IGBT de l’onduleur. Le sujet proposé s’intéresse à une nouvelle structure hybride multiniveaux tolérante aux défauts. Elle consiste à ajouter à un convertisseur triphasé 3-niveaux type NPC (Neutral Point Clamped), un quatrième bras 3-niveaux types FC (Flying Cap). Des nouvelles techniques des différentes parties de la tolérance des pannes, à savoir la détection, l’isolation, la reconfiguration matérielle et la commande en mode dégradé, sont proposées, analysées et validées sur un prototype expérimental de 15kW de puissance. / Given the importance of power converter safety operation in several fields (electric traction, renewable energy, etc ..), it is necessary to examine availability of these systems in the case of malfunction of an IGBT module, a converter leg or a phase machine. Thus, it is essential to develop new hardware architectures and software controls capable of operating at significant power after fault occurence. This thesis deals with a new multilevel fault tolerant hybrid topology. It consists on adding to a 3-phase 3-level NPC (Neutral Point Clamped) inverter, a fourth 3-level FC (Flying Cap) leg. New techniques of fault tolerance parts, namely detection, isolation, reconfiguration and system control during post fault mode, are proposed, analyzed and validated with a 15kW experimental converter prototype.

Les principaux critères de comparaison des convertisseurs sont le rendement, la masse, le volume, le coût et la fiabilité. Le contexte environnemental et économique et le développement des applications nomades ouvrent à l’électronique de puissance un domaine d’application de plus en plus vaste. Mais pour imposer cette technologie, il faut sans cesse améliorer ces performances et les compromis entre celles qui sont antagonistes (augmentation du rendement et diminution de la masse par exemple…) ce qui amène naturellement à la problématique de conception et d’optimisation. Le cas spécifique de l’aéronautique n’échappe pas à la règle et les contraintes y semblent encore plus fortes. La réduction de la masse, du volume et l’augmentation du rendement et de la fiabilité sont parmi les défis principaux actuels, et la transition de systèmes hydrauliques ou pneumatique vers des systèmes électriques laisse espérer à une amélioration des performances globales de l’avion. Les architectures des convertisseurs sont un moyen efficace d’améliorer les convertisseurs parce qu’ils permettent de réduire les contraintes au sein des convertisseurs tout en améliorant les formes d’onde en entrée et/ou en sortie. Parallèlement, les composants classiques en silicium ont bénéficié de larges avancés au cours de ces dernières décennies et approchent de leurs limites théoriques. Pour espérer une amélioration, des technologies en rupture sont désormais nécessaires. Au cours de ces dernières années, les technologies de semi-conducteurs dit « à grand gap », essentiellement à base de Nitrure de Gallium ou de Carbure de Silicium (resp. GaN et SiC) se sont considérablement amélioré et sont d’ores et déjà plus performant que les composants Si dans de nombreux cas. Les semi-conducteurs étant généralement plus performants lorsqu’ils ont une tenue en tension plus faible, on envisage ici de cumuler plusieurs avantages en envisageant la mise en série de composants GaN basse-tension pour améliorer l’intégration des convertisseurs de puissance. Dans un premier temps, un convertisseur multi-niveaux élémentaire de type Flying Capacitor (FlyCap) est mis en oeuvre. Des condensateurs de puissance intégrés sont utilisés, ce qui pourrait permettre de réduire l’empreinte de ces composants et de proposer une dissipation thermique commune par le dessus des composants. L’utilisation de composant au temps de commutation réduit est critique pour la fiabilité des convertisseurs. Une étude de l’influence des paramètres physique du circuit électrique sur les inductances parasites de la maille de puissance et de commande est menée permettant de mettre en évidence des règles de conception dans le but d’améliorer la fiabilité des convertisseurs. Dans un second temps, l’équilibrage dynamique de la topologie FlyCap qui est critique pour les formes d’onde et la sureté de fonctionnement est étudié. La prise en compte des pertes dans les semi-conducteurs permet d’améliorer l’estimation de la dynamique d’équilibrage. Une base de réflexion sur le dimensionnement d’un équilibreur passif est également proposée pour optimiser sa dynamique et les pertes associées. Un prototype expérimental à 5 cellules de commutation est présenté permettant d’atteindre une tension d’entrée de 270 V avec des composants 100V.

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.

Les conditionneurs alternatifs – continu à absorption sinusoïdale (PFC) pour les applications critiques se distinguent par un haut niveau de performances tel que les THD réduits, un haut rendement et une bonne fiabilité. Leur importance est d’autant plus nécessaire qu’une continuité de service des alimentations est requise même en présence d’une défaillance interne de composant. Deux types de structures associées à leur commande sont réalisés à cet effet, les structures à redondance parallèle et les structure à redondance en série. Elles consistent respectivement en l’ajout d’un bras d’interrupteur dans le cas de la redondance parallèle, qui est une option plus compliquée et en une suppression d’une cellule de commutation dans le deuxième cas. L’étude présentée ici, consiste en premier lieu en une exploration et une évaluation de nouvelles familles de topologies multi-niveaux, caractérisée par un partitionnement cellulaire en série. Ces nouvelles topologies, ainsi que leurs variantes, comportent au moins une redondance structurelle avec des cellules mono-transistor à défaut de commande non critique et symétriques à point-milieu. Elles sont donc génériques pour la mise en parallèle et l’extension en triphasé. Cependant, elles sont pour la plupart peu compétitives à cause des composants qui sont souvent surdimensionnés et donc plus onéreuses, en comparaison avec la structure PFC Double-Boost 5 Niveaux à composants standards 600 V (brevetée par l’INPT – LAPLACE –CNRS en 2008) que nous étudions. Cette dernière constitue le meilleur compromis entre un bon rendement et une maîtrise des contraintes en mode dégradé. Sur le plan théorique nous montrons que le seul calcul de fiabilité basé uniquement sur un critère de 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 globale 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 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 de PFC double-boost 5 niveaux à commande entièrement numérique et à MLI optimisée reconfigurable en temps réelle a été réalisé afin de valider l’étude. Il permet une adaptation automatique de la topologie de 5 à 4 puis 3 niveaux par exemple. Ce prototype a également servi de test d'endurance aux transistors CoolMos et diodes SiC volontairement détruits dans des conditions d'énergie maîtrisée et reproductibles. D’autres campagnes d'endurance en modes dégradés ont été réalisées en laboratoire sur plusieurs centaines d’heures en utilisant ce même prototype. Nous nous sommes axés sur la détection de défauts internes et le diagnostic (localisation) rapide, d'une part par la surveillance directe et le seuillage des tensions internes (tensions flottantes) et d'autre part, par la détection d’harmoniques (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. Enfin, nous proposons une nouvelle variante PFC 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 favorable que la structure brevetée. / This work is an exploration and an evaluation of new variants of multi-level AC/DC topologies (PFC) considering their global reliability and availability: electrical safety with an internal failure and post-failure operation. They are based on a non-differential AC and centre tap connection that led to symmetrical arrangement cells in series. These topologies permit an intrinsic active redundancy between cells in a same group and a segregation capability between the two symmetrical groups of cells. More again, they are modular and they can be paralleled and derived to any number of levels. Only single low-voltage (600V) transistor pear cell is used avoiding the short-circuit risk due to an unwanted control signal. Comparisons, taking into account losses, distribution losses, rating and stresses (overvoltage and over-temperature) during the post-operation are presented. Results highlight the proposed 5-level Double-Boost Flying Capacitor topology. This one was patented at the beginning of thesis, as a solution with the best compromise. On the theoretical side, we show that the reliability calculation based only on a "first fault occurrence" criterion is inadequate to really describe this type of topology. The inclusion of fault tolerance capability is needed to evaluate the overall reliability law (i.e. including a second failure). The adaptation of theoretical models with constant failure rate including overvoltage and over-temperature dependencies exhibit an increasing of the reliability over a short time. This property is an advantage for embedded systems with monitoring condition. Local detection and rapid diagnosis of an internal failure were also examined in this work. Two methods are proposed firstly, by a direct flying caps monitoring and secondly, by a realtime and digital synchronous demodulation of the input sampled voltage at the switching frequency (magnitude and phase). Both techniques have been integrated on FPGA and DSP frame and evaluated on a AC230V-7kW DC800V – 31kHz lab. set-up. We put forward the interest of the second method which only uses one input voltage sensor. Finally, we propose in this dissertation a new generic X-level PFC Vienna using, in 5-level version, half transistors and drivers for identical input frequency and levels. At the cost of a slight increase of losses and density losses, this topology appears very attractive for the future. A preliminary lab. set-up and test were also realized and presented at the end of the thesis.

La première thématique développée dans ce mémoire vise à développer de nouveaux algorithmes pour la commande des éoliennes reposant sur une machine asynchrone à double alimentation et des convertisseurs multi niveaux. Deux stratégies de contrôle direct du courant, basées sur l'Hystérésis à Zones Carrées et l'Hystérésis à Zones Circulaires (HZCi) ont été proposées. Celles-ci consistent à appliquer des vecteurs de tension appropriés pour contrôler les puissances actives et réactive générées et permettent également d'équilibrer les tensions du bus continu interne des convertisseurs. Des résultats de simulation et d'expérimentation montrent que la stratégie basée sur l'HZCi est meilleure en termes de forme d'onde et de contenu harmonique des tensions de sortie.La seconde concerne la supervision et la gestion des puissances active et réactive dans une ferme éolienne au vu de son intégration dans un réseau électrique. Cette supervision centralisée est assurée par un algorithme qui distribue les consignes de puissance aux éoliennes de la ferme de manière proportionnelle. Ces références sont fonction de la capacité maximale de production de l'éolienne. Pour cela, une analyse des transits de puissance dans le système éolien à base de la machine asynchrone à double alimentation a été effectuée. Elle a permis de déterminer la caractéristique (P, Q) du générateur et de calculer ses limites de compensation en termes de puissance réactive. Une gestion locale des puissances de chaque éolienne a été développée permettant ainsi une répartition des puissances entre le stator de la machine et le convertisseur coté réseau en considérant plusieurs modes de fonctionnement du système éolien.

Les principaux critères de comparaison des convertisseurs sont le rendement, la masse, le volume, le coût et la fiabilité. Le contexte environnemental et économique et le développement des applications nomades ouvrent à l’électronique de puissance un domaine d’application de plus en plus vaste. Mais pour imposer cette technologie, il faut sans cesse améliorer ces performances et les compromis entre celles qui sont antagonistes (augmentation du rendement et diminution de la masse par exemple…) ce qui amène naturellement à la problématique de conception et d’optimisation. Le cas spécifique de l’aéronautique n’échappe pas à la règle et les contraintes y semblent encore plus fortes. La réduction de la masse, du volume et l’augmentation du rendement et de la fiabilité sont parmi les défis principaux actuels, et la transition de systèmes hydrauliques ou pneumatique vers des systèmes électriques laisse espérer à une amélioration des performances globales de l’avion. Les architectures des convertisseurs sont un moyen efficace d’améliorer les convertisseurs parce qu’ils permettent de réduire les contraintes au sein des convertisseurs tout en améliorant les formes d’onde en entrée et/ou en sortie. Parallèlement, les composants classiques en silicium ont bénéficié de larges avancés au cours de ces dernières décennies et approchent de leurs limites théoriques. Pour espérer une amélioration, des technologies en rupture sont désormais nécessaires. Au cours de ces dernières années, les technologies de semi-conducteurs dit « à grand gap », essentiellement à base de Nitrure de Gallium ou de Carbure de Silicium (resp. GaN et SiC) se sont considérablement amélioré et sont d’ores et déjà plus performant que les composants Si dans de nombreux cas. Les semi-conducteurs étant généralement plus performants lorsqu’ils ont une tenue en tension plus faible, on envisage ici de cumuler plusieurs avantages en envisageant la mise en série de composants GaN basse-tension pour améliorer l’intégration des convertisseurs de puissance. Dans un premier temps, un convertisseur multi-niveaux élémentaire de type Flying Capacitor (FlyCap) est mis en oeuvre. Des condensateurs de puissance intégrés sont utilisés, ce qui pourrait permettre de réduire l’empreinte de ces composants et de proposer une dissipation thermique commune par le dessus des composants. L’utilisation de composant au temps de commutation réduit est critique pour la fiabilité des convertisseurs. Une étude de l’influence des paramètres physique du circuit électrique sur les inductances parasites de la maille de puissance et de commande est menée permettant de mettre en évidence des règles de conception dans le but d’améliorer la fiabilité des convertisseurs. Dans un second temps, l’équilibrage dynamique de la topologie FlyCap qui est critique pour les formes d’onde et la sureté de fonctionnement est étudié. La prise en compte des pertes dans les semi-conducteurs permet d’améliorer l’estimation de la dynamique d’équilibrage. Une base de réflexion sur le dimensionnement d’un équilibreur passif est également proposée pour optimiser sa dynamique et les pertes associées. Un prototype expérimental à 5 cellules de commutation est présenté permettant d’atteindre une tension d’entrée de 270 V avec des composants 100V. / Performance, weight, volume, cost and reliability are key criteria to compare converters. Environment and economical context and the development of mobile applications lead electronics to have a wider field of application. Improving performances and tradeoff between conflicting characteristics (high efficiency and reduced weight for example) is thus constantly needed to impose this technology, which calls for design and optimization methods and tools. The specific case of aeronautics is no exception and there is in this field a high demand. Mass and volume reduction, efficiency and reliability improvement is one of the most important challenges, and the change from hydraulic and pneumatic systems to electric systems is expected to allow a global improvement of aircraft performances. Converter’s topology is a good candidate to improve and reduce the size of converters because it can reduce stress while improving the input and/or output waveforms. Meanwhile, conventional silicon components have taken advantage of wide advances in recent decades and are now close to their theoretical limits. To hope for a significant improvement, breaking technologies are now needed. In recent years, GaN and SiC Wide Band Gap semiconductors have seen significant development and are already often better than Si power devices. Lowvoltage semiconductors are generally better than higher voltage ones. Thus, we consider here cumulating advantages with a serial arrangement of low voltage GaN semi-conductors to improve power converter’s integration. First, a basic multilevel Flying Capacitor GaN-based converter is implemented. The integration of power capacitors is proposed to evaluate this technology, which could reduce the footprint of these components and could allow a common heatsink dissipation through the top of the components. Very fast turn-on and turn-off of GaN devices is critical for safe operation due to parasitic inductances. A study of physical parameters of the electrical circuit on parasitic inductances of power and control loop is conducted to lay down design rules in order to improve the reliability of converters. Secondly, dynamic balancing of Flying Capacitor which is critical for the waveforms and reliability is studied. Semi-conductor’s losses are considered to improve the estimation of dynamic balancing. A method for the design of a passive balancer is also proposed to optimize the balancing and associated losses. An experimental prototype with 5 switching cells is presented to achieve an input voltage of 270 V with 100 V rated voltage devices.

La première thématique développée dans ce mémoire vise à développer de nouveaux algorithmes pour la commande des éoliennes reposant sur une machine asynchrone à double alimentation et des convertisseurs multi niveaux. Deux stratégies de contrôle direct du courant, basées sur l’Hystérésis à Zones Carrées et l’Hystérésis à Zones Circulaires (HZCi) ont été proposées. Celles-ci consistent à appliquer des vecteurs de tension appropriés pour contrôler les puissances actives et réactive générées et permettent également d’équilibrer les tensions du bus continu interne des convertisseurs. Des résultats de simulation et d’expérimentation montrent que la stratégie basée sur l’HZCi est meilleure en termes de forme d’onde et de contenu harmonique des tensions de sortie.La seconde concerne la supervision et la gestion des puissances active et réactive dans une ferme éolienne au vu de son intégration dans un réseau électrique. Cette supervision centralisée est assurée par un algorithme qui distribue les consignes de puissance aux éoliennes de la ferme de manière proportionnelle. Ces références sont fonction de la capacité maximale de production de l’éolienne. Pour cela, une analyse des transits de puissance dans le système éolien à base de la machine asynchrone à double alimentation a été effectuée. Elle a permis de déterminer la caractéristique (P, Q) du générateur et de calculer ses limites de compensation en termes de puissance réactive. Une gestion locale des puissances de chaque éolienne a été développée permettant ainsi une répartition des puissances entre le stator de la machine et le convertisseur coté réseau en considérant plusieurs modes de fonctionnement du système éolien / This research work deals with two topics conditioning the large scale development of wind turbines into electrical grids. The first is devoted to the development of new algorithms for the control of Doubly Fed Induction Machine (DFIM) based wind energy conversion systems. Two direct current control strategies have been proposed and are based on the hysteresis square areas (HZCA) and hysteresis circular areas (HZCI). Both strategies apply an appropriate voltage vector to control the active and reactive powers delivered to the grid, and also, to balance the voltages of the inner DC bus converter. Simulation and experimental results show that the HZCI strategy is better than HZCA in terms of output voltage waveforms and harmonic contain.The second topic is dedicated to the active and reactive powers supervision in a wind farm in order to supply prescribed power references from the grid operator. This supervision is ensured by a centralized algorithm that distributes power references between wind turbines in a proportional way. These references are calculated according to the maximum production capacity of wind turbines. An analysis of the power flow in the DFIM based wind energy system has been made to identify the (P, Q) characteristic and to calculate limits in terms of reactive power compensation. The local power management of each wind system has been developed allowing the powers distribution between the stator of the DFIM and the grid side converter by considering several operating modes of the wind generator