Cette thèse traite la commande et l'optimisation d'une installation photovoltaïquepour un site isolé. Ainsi, nous avons proposé un algorithme par logique flouepermettant la poursuite du point de puissance maximal afin de remédier auxinconvénients des méthodes classiques. Ensuite, nous nous sommes intéressés àl'optimisation de la structure de l'installation. En effet, dans les installationsclassiques, dans le cas de défaillance d'un panneaux, tout le bloc série devientinutilisable, ce qui réduit considérablement les capacités de production del'installation. Pour résoudre ce problème, nous avons proposé un superviseur permettant la reconfiguration automatique de l'installation de telle sorte que seul lepanneaux défaillant est mis hors connexion. Par ailleurs, pour gérer le flux depuissance et pour répondre à la demande de l'utilisateur, nous avons développé un superviseur par logique floue. Ainsi, le surplus de production est stocké systématiquement dans la batterie pour l'utiliser ensuite en cas où la demandedépasse la production. De plus, la structure proposée permet de ne solliciter la batterie en cas de besoin de ce qui permet de prolonger considérablement sa duréede vie. / This thesis addresses the control and optimization of a stand-alone photovoltaicsystem. Thus, we proposed a fuzzy logic algorithm for tracking the maximum powerpoint to overcome the disadvantages of classical methods. Then we focused onoptimizing the structure of the installation. Indeed, in conventional systems, in thecase of failure of a panel, the whole serie block becomes unusable, greatly reducingthe production capacity. To resolve this problem, we proposed a supervisor for theautomatic reconfiguration of the installation so that only the failed panels is takenoffline. Furthermore, to manage the power flow and to meet user demand, wedeveloped a fuzzy supervisor. Thus, the surplus production is systematically storedin the battery for later use in cases where demand exceeds production. In addition,the proposed structure can not draining the battery in case of need thereby greatlyextend its lifetime.

Cette thèse s'intéresse au pilotage des cycles limites pour une classe particulière de systèmes hybrides (SDH) : les systèmes commutés cycliques. La thématique des SDH est née du constat d'insuffisance des modèles dynamiques classiques pour décrire les comportements lorsque des aspects évènementiels interviennent. Une classe particulièrement importante de SDH est formée par celle qui présente un régime permanent cyclique. Ces systèmes ont des points de fonctionnement non auto-maintenables : il n'existe pas de commande qui maintienne le système sur ce point. Le maintien n'est assuré qu'en valeur moyenne, en effectuant un cycle dans un voisinage du point par commutation des sous systèmes. L'établissement d'une loi de commutation pour cette classe de systèmes doit répondre aux objectifs de stabilité et de performance dynamique, mais doit également garantir la satisfaction de critères liés à la forme d'onde. A l'heure actuelle, peu de méthodes de commande prennent en compte le caractère cyclique du système. Les travaux de cette thèse ont pour objectif de développer des méthodes génériques et robustes pour piloter cette classe de systèmes. Les algorithmes proposés doivent également pouvoir être implémenté en temps réels. On modélise le système comme un système non - linéaire affine en la commande dont la loi de commande apparait dans le modèle. Ce type de modélisation permet d'envisager deux types de synthèse : l'une à base de commande prédictive et l'autre à base de commande optimale. Ce travail est validé par une partie applicative sur des manipulations dans le CRAN et dans des laboratoires du réseau d'excellence européenne HYCON dans le cadre duquel s'est déroulé cette étude.

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

Cette thèse s'intéresse au pilotage des cycles limites pour une classe particulière de systèmes hybrides (SDH): les systèmes commutés cycliques. La thématique des SDH est née du constat d'insuffisance des modèles dynamiques classiques pour décrire les comportements lorsque des aspects évènementiels interviennent. Une classe particulièrement importante de SDH est formée par celle qui présente un régime permanent cyclique. Ces systèmes ont des points de fonctionnement non auto-maintenables: il n'existe pas de commande qui maintienne le système sur ce point. Le maintien n'est assuré qu'en valeur moyenne, en effectuant un cycle dans un voisinage du point par commutation des sous systèmes. L'établissement d'une loi de commutation pour cette classe de systèmes doit répondre aux objectifs de stabilité et de performance dynamique, mais doit également garantir la satisfaction de critères liés à la forme d'onde. A l'heure actuelle, peu de méthodes de commande prennent en compte le caractère cyclique du système. Les travaux de cette thèse ont pour objectif de développer des méthodes génériques et robustes pour piloter cette classe de systèmes. Les algorithmes proposés doivent également pouvoir être implémenté en temps réels. On modélise le système comme un système non - linéaire affine en la commande dont la loi de commande apparait dans le modèle. Ce type de modélisation permet d'envisager deux types de synthèse: l'une à base de commande prédictive et l'autre à base de commande optimale. Ce travail est validé par une partie applicative sur des manipulations dans le CRAN et dans des laboratoires du réseau d'excellence européenne HYCON dans le cadre duquel s'est déroulé cette étude / This work deals with limit cycle control for one particular class of hybrid dynamical systems (HDS): The cyclic switched systems. The HDS were born because the traditional dynamical models were not able to describe complex behaviors and most of all, behaviors with discontinuities. From an application point of view, one important class of HDS depicts a cyclic behavior in steady state. The main characteristic of these systems is that the operation point cannot be maintained: It does not exist a control that maintains the system on a desired operation point. However, this point can be obtained in average by turning into its neighborhood. Thus, a cycle is produced by switching among the system modes. A switched control law must satisfy stability and dynamic performance. Moreover, criteria related to the waveform must be verified. Nowadays, few methods take into account the cyclic behavior of the system. In this research, some generic methods are studied. They show good performance for controlling the cyclic switched systems. The proposed algorithms can be implemented in real-time. The approaches are based on an affine non-linear model of the system whose control explicitly appears. Two control methods are considered: i) A predictive control, ii) An optimal control. Since the predictive control is a good choice for tracking, it will be able to maintain the system in a cycle. The optimal control yields solutions that can be applied to the transients. Some experiments with both control methods applied to the power converters are shown. These tests were carried out not only in our laboratory (CRAN), but also in other laboratories as part of the HYCON excellence network

La sophistication grandissante des dispositifs intelligents ultra-portatifs, tels que les smartphones ou les tablettes,crée un besoin d'amélioration des performances des organes de conversion de puissance.La tendance des technologies d'acheminement de puissance évolue progressivement vers une fréquence plus élevée, une meilleure densité d'intégration et une plus grande flexibilité dans les schémas d'asservissement. La modulation dynamique de tension est utilisée dans les circuits intégrés de gestion de puissances(DVS PMICs)des transmetteurs RF alors que la modulation DVFS est utilisée dans les PMICs dédiées au CPUs et GPUs. Des DCDC flexibles et fonctionnant à haute fréquence constituent aujourd'hui la solution principale en conjonction avec des régulateurs à faible marge de tension (LDO).L'évolution vers des solutions à base de HFDCDC de faibles dimensions pose un défi sérieux en matière de 1)stabilité des boucles d'asservissement,2)de complexité des architectures de contrôle imbriquant des machines d'état asynchrones pour gérer une large dynamique de puissance de sortie et 3)de portabilité de la solutions d'une technologie à une autre.Les solutions les plus courantes atteignent aujourd'hui une gamme de 2 à 6 Mhz de fréquence de découpage grâce à l'usage de contrôleurs à hystérésis qui souffrent de la difficulté à contenir la fréquence de découpage lors des variations de la tension ou du courant en charge.Nous avons voulu dans ce travail étendre l'usage des méthodes de conception et de modélisation conventionnelles comme le modèle petit signal moyen, dans une perspective de simplification et de création de modèles paramétriques. L'objectif étant de rendre la technique de compensation flexible et robuste aux variations de procédés de fabrication ou bien aux signaux parasités inhérents à la commutation de puissance.Certes, le modèle moyen petit signal, au demeurant bien traité dans la littérature, réponds amplement à la problématique de compensation des DCDCs notamment quand la stabilité s'appuie sur le zéro naturel à haute fréquence inhérent à la résistance série ESR de la capacité de sortie, mais les HFDCDC actuels utilisent des capacités MLCC ayant une très faible ESR et font appel à des techniques de compensation paramétriques imbriquant le schéma de compensation dans la génération même du rapport cyclique. La littérature existante sur le fonctionnement de la machine d'état, se contente d'une description simpliste de convertisseurs PWM/PFM mais ne donne que très peu d'éléments sur la gestion des opérations synchrones/asynchrones alternant PWM,PFM,écrêtage de courant, démarrage ou détection de défaillance. Dans ce travail, notre études est axée sur les deux aspects suivants:1)La modélisation paramétrique et la compensation de la boucle d'asservissement de HFDCDC et 2)la portabilité de la conception de la machine d'états du contrôleur notamment lorsqu'elle intègre des transitions complexes entre les modes.Dans la première section, nous avons développé un modèle petit signal moyen d'un convertisseur Buck asservi en mode courant-tension et nous l'avons analysé pour faire apparaitre les contributions proportionnelle, intégrale et dérivé dans la boucle. Nous avons démontré la possibilité d'utiliser le retour en courant pour assurer l'amortissement nécessaire et la stabilité de la boucle pour une large dynamique de variations des conditions de charge.Dans la seconde section, nous avons développé une architecture de machine d'états sophistiquée basé sur la méthode d'Huffman avec un effort substantiel d'abstraction que nous a permis de la concevoir en description RTL pour une gestion fiable du fonctionnement asynchrone et temps réel.Notre contribution théorique a fait l'objet d'une réalisation d'un PMIC de test comportant deux convertisseurs Buck cadencés à 12MHz en technologie BiCMOS 0.5um/0.18um. Les performances clefs obtenues sont:une surtension de 50mV pendant 2us suite à l'application d'un échelon de courant de 300mA. / The continuous sophistication of smart handheld devices such as smartphones and tablets creates an incremental need for improving the performances of the power conversion devices. The trend in power delivery migrates progressively to higher frequency, higher density of integration and flexibility of the control scheme. Dynamic Voltage Scaling Power Management ICs (DVS PMIC) are now systematically used for powering RF Transmitters and DVFS PMICS using Voltage and Frequency scaling are used for CPUs and GPUs. Flexible High frequency (HF) DC/DC converters in conjunction with low dropout LDOs constitute the main solution largely employed for such purposes. The migration toward high frequency/small size DCDC solutions creates serious challenges which are: 1) the stability of the feedback loop across a wide range of loading voltage and current conditions 2) The complexity of the control and often-non-synchronous state machine managing ultra large dynamics and bridging low power and high power operating modes, 3) The portability of the proposed solution across technology processes.The main stream solutions have so far reached the range of 2 to 6 MHz operation by employing systematically sliding mode or hysteretic converters that suffer from their variable operating frequency which creates EMI interferences and lead to integration problems relative to on-chip cross-talk between converters.In this work we aim at extend the use of traditional design and modeling techniques of power converters especially the average modeling technique by putting a particular care on the simplification of the theory and adjunction of flexible compensation techniques that don't require external components and that are less sensitive to process spread, or to high frequency substrate and supply noise conditions.The Small Signal Average Models, widely treated in the existing literature, might address most needs for system modeling and external compensation snubber design, especially when aiming on the high frequency natural zero of the output capacitor. However, HFDCDC converters today use small size MLCC capacitors with a very low ESR which require using alternative techniques mixing the compensation scheme with the duty cycle generation itself. The literature often provides a simplistic state machine description such as PWM/PFM operations but doesn't cover combined architectures of synchronous / non synchronous mode operations such as PWM, PFM, Current Limit, Boundary Clamp, Start, Transitional and finally Fault or Protection modes.In our work, we have focused our study on two main axes: 1) The parametric modeling and the loop compensation of HFDCDC and 2) the scalability of the control state machine and mode inter-operation. In the first part, we provided a detailed small signal averaged model of the “voltage and current mode buck converter” and we depicted it to emphasize and optimize the contributions of the Proportional, Integral and Derivative feedback loops. We demonstrated the ability to use the current feedback to damp and stabilize the converter with a wide variety of loading conditions (resistive or capacitive). In the second part, we provided architecture of the mode control state machine with different modes like the PWM, PFM, soft-start, current limit,… .The technique we have used is inspired by Huffman machine with a significant effort to make it abstract and scalable. The state machine is implemented using RTL coding based on a generic and scalable approach.The theoretical effort has been implemented inside a real PMIC test-chip carrying two 12MHz buck converters, each employing a voltage and current mode feedback loop. The chip has been realized in a 0.5um / 0.18um BiCMOS technology and tested through a dedicate Silicon validation platform able to test the analog, digital and power sections. The key performance obtained is a 50mV load transient undershoot / overshoot during 2us following a load step of 300mA (slope 0.3A/ns).

Face aux enjeux énergétiques d’aujourd’hui et de demain, le développement des énergies renouvelables semble inéluctable. Cependant, la production électrique de sources renouvelables prometteuses comme le photovoltaïque ou l’éolien est intermittente et difficilement prévisible du fait de la dépendance de ces sources aux conditions météorologiques. Afin de s’affranchir du caractère discontinu de la production d’électricité et de l’inadéquation de la production avec la consommation, un moyen de stockage de l’énergie électrique est nécessaire. Dans ce contexte, la batterie hydrogène est une des solutions envisagées. Lors de périodes de surproduction d’énergie renouvelable, un électrolyseur produit de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. Lorsque cela est nécessaire, une pile à combustible fournit de l’électricité à partir du gaz stocké. Couplé avec des sources d’énergie renouvelable, la batterie hydrogène produit de l’énergie électrique non carbonée, c’est-à-dire non émettrice de gaz à effet de serre. L’intérêt majeur de cette technologie est le découplage entre l’énergie et la puissance du système. Tant que la pile à combustible est alimentée en gaz, elle fournit de l’électricité, l’énergie dépend des réservoirs de gaz. La puissance, quant à elle, dépend des caractéristiques des composants électrochimiques et du dimensionnement des chaînes de conversions de puissance. Les chaînes de conversion de puissance relient les composants électrochimiques au réseau électrique. Dans le cas de la chaîne de conversion sans transformateur qui est ici envisagée, la présence d’un convertisseur DC-DC à haut rendement à fort ratio de conversion est rendue nécessaire de par la caractéristique basse tension fort courant des composants électrochimiques. Avec pour but principal l’optimisation du rendement, deux axes de recherche sont développés. Le premier axe développe un convertisseur multicellulaire innovant à haut rendement à fort ratio de conversion. Les résultats expérimentaux du convertisseur appelé « miroir » obtenus dans deux expérimentations ont démontré la supériorité de cette topologie en terme d’efficacité énergétique par rapport aux convertisseurs conventionnels. Le deuxième axe porte sur de nouveaux composants de puissance en nitrure de gallium (GaN) annoncés comme une rupture technologique. Un convertisseur buck multi-phases illustre les défis technologiques et scientifiques de cette technologie et montre le fort potentiel de ces composants. / Development of renewable energy seems inevitable to face the energy challenge of today and tomorrow. However, the power generation of promising renewable sources such as solar or wind power is intermittent and unpredictable due to the dependence of the these sources to the weather. In order to overcome the discontinuous nature of the electricity production and the mismatch between production and consumption, electrical energy storage is needed. In this context, hydrogen battery is one of the solutions. During periods of overproduction of renewable energy, an electrolyzer produces hydrogen gas by the electrolysis of water. When necessary, a fuel cell provides electricity from the stored gas. Coupled with renewable energy sources, the hydrogen battery produces carbon-free electricity, i.e. without any greenhouse gas emission. The major advantage of this technology is the decoupling between energy and power system. As long as the fuel cell is supplied with gas, it supplies electricity. Like so, the energy depends on the gas tanks and the system power depends on the characteristics of electrochemical components and the design of the power conversion chain. Power converters connect electrochemical components to the grid. In the case of the transformerless conversion system introduce here, a high efficiency high voltage gain DC-DC converter is required given the high-current low-voltage characteristic of electrochemical components. Since the main goal is to optimize the efficiency, two research approaches are developed. The first develops an innovating multicell converter with high efficiency at high voltage conversion ratio. The experimental results of the “mirror” converter obtained in two experiments have demonstrated the superiority of this topology in terms of energy efficiency compared to conventional converters. The second line of research focuses on new gallium nitride (GaN) transistors heralded as a disruptive technology. A multiphase buck converter illustrates the technological and scientific challenges of this technology and shows the potential of these transistors.