Les travaux de cette thèse portent sur l’analyse de stabilité et la synthèse de commandes robustes pour les systèmes affines à commutation en temps continu en présence d’incertitudes paramétriques constantes. On propose deux méthodes de commande permettant de garantir la stabilité asymptotique globale des systèmes affines à commutation avec paramètres inconnus. La première approche est basée sur l’estimation des paramètres inconnus et la reconstruction de l’état d’équilibre associée pour permettre d’appliquer une commande robuste adaptative. La seconde méthode est basée sur une augmentation d’état par l’ajout d’une action intégrale dans la boucle de commande qui garantit une erreur statique nulle. Pour chaque approche, deux lois de commande sont proposées. Une méthode du type « min switching » qui sélectionne la commutation la plus apte à stabiliser le système et une méthode de type « Embedded » permettant de générer une commande polytopique des différents modes possibles. Les résultats sont appliqués aux convertisseurs de puissance de topologie Flyback avec preuve de stabilité dans les deux modes de conduction (continue et discontinue) / This PhD thesis is focused on stability analysis and robust control synthesis for continuous time switching affine systems in presence of constant parametric uncertainties. Two control methods are proposed to guarantee global asymptotic stability of switching affine systems with unknown parameters. The first approach is based on the estimation of the unknown parameters and the reconstruction of the related equilibrium state to allow the application of a robust adaptive control. The second method is based on a state augmentation by adding an integral action in the control loop that guarantees a null steady state error. For each approach, two control laws are proposed. A "min switching" method that selects the most suitable mode to stabilize the system and an "Embedded" method that generates a polytopic control of the different possible modes. The results are applied to Flyback topology power converters with proof of stability in both conduction modes (continuous and discontinuous)

Ce mémoire présente le travail de thèse réalisé auprès des laboratoires LAPLACE et SATIE ainsi que les services EDYNE3 et EDYYLIC d'AIRBUS OPERATIONS. Le sujet porte sur les problèmes CEM apparaissant dans les convertisseurs de puissance embarqués à bord des futurs avions plus électriques. Le manuscrit est composé de cinq parties. La première partie, d'introduction, traite de la problématique CEM avion, la deuxième de la modélisation des éléments de la chaine de conversion DC/AC étudiée. Le troisième est composé d'une étude comparative par simulation des différentes solutions. La quatrième partie traite de la réalisation de la solution choisie et enfin le cinquième et dernier chapitre de l'étude expérimentale de celle-ci.

Le travail de recherche concrétisé par ce mémoire de thèse se trouve à l'intersection de deux domaines importants, la commande robuste des systèmes linéaires (LTI, LPV, en commutation) à temps discret affectés par des perturbations permanentes bornées et des contraintes et les ensembles invariants ellipsoïdaux maximal ou minimal. La première partie de ce mémoire se focalise sur l'analyse de la stabilité entrée-état (en anglais ISS) du système par rapport à une perturbation bornée et le calcul des ensembles invariants ellipsoïdaux minimal ou maximal (ou sous forme d'ellipsoïdes tronqués) satisfaisant les contraintes. La deuxième partie envisage la synthèse d'une commande par retour d'état ISS stable et robuste vis-à-vis de perturbations bornées, garantissant l'ellipsoïde invariant maximal satisfaisant les contraintes ; puis la synthèse d'une loi decommande par retour d'état et observateur ISS stable vis-à-vis de perturbations bornées, garantissant une certaine performance ; enfin la synthèse d'un paramètre de Youla afin de garantir la projection maximale sur le sous-espace de l'état initial. La projection obtenue possède alors un volume plus grand que celui obtenu sans le paramètre de Youla d'où une amélioration en termes de robustesse. Une dernière étape vise à obtenirun compromis entre la robustesse et la performance en utilisant des critères basés sur le placement de pôles ou sur la vitesse de décroissance de la fonction de Lyapunov. Tous les résultats théoriques obtenus sont exprimés sous forme d'inégalités matricielles et sont validés en simulation et de façon expérimentale dans le cadre de la commande d'un convertisseur de puissance.

La compatibilité électromagnétique (CEM) est l'une des contraintes majeures de la conception des structures de l'électronique de puissance. Pour le cas des convertisseurs statiques, la commutation des semi-conducteurs et leurs interactions avec les éléments parasites liés à l'environnement sont la source principale des perturbations conduites. Cette interaction ne cesse d'augmenter notamment avec l'industrialisation des nouvelles générations de semi-conducteurs à grand gap qui deviennent de plus en plus impressionnantes grâces à leurs faibles pertes en commutation et à leur rapidité croissante. Malheureusement, l'étude de ces perturbations est souvent considérée comme le dernier obstacle à la commercialisation et elle n'est pas prise comme contrainte de conception. L'estimation a priori de ces perturbations par la simulation peut permettre un gain considérable tant sur le plan économique que sur le temps de traitement. Dans ce mémoire, nous mettons l'accent sur les modèles de composants semi-conducteurs et leurs effets sur les perturbations conduites dans les convertisseurs statiques. Cette étude mettra aussi en évidence les problèmes liés aux simulations temporelles ou fréquentielles et l'utilité de chacune. Ensuite, nous proposons des modèles pour le MOSFET et pour la diode Shottky en technologie carbure de silicium et nous analysons l'influence de leurs paramètres sur les perturbations conduites dans un circuit de hacheur. Nous exposons aussi une approche permettant d'obtenir des temps de simulation plus raisonnables en introduisant le principe de contrôle des signaux parasites et des cycles de fonctionnement. Finalement, nous introduisons une nouvelle méthode de description des commutations par des sources équivalentes. Nous montrons qu'il est possible à partir de l'étude de la loi de commande de proposer une méthode de synthèse d'une cellule de commutation permettant de reconstruire ses grandeurs électriques de sortie.

Ce mémoire présente mon activité de recherche depuis mon intégration au sein du Laboratoire de Micro-électronique de Puissance (L.M.P). Mon activité de recherche est centrée sur la thématique " la compatibilité électromagnétique des convertisseurs de puissance ". L'apport de l'électronique de puissance dans ce domaine a permis de réduire la taille des alimentations, d'améliorer les rendements, de rendre plus fiable les systèmes. Le principe d'interrupteur commandé en tout ou rien présente l'avantage de réduire les pertes par conduction contrairement à l'utilisation de transistor bipolaire en fonctionnement en mode " ballast ". Le fait de fonctionner par impulsion de courant et de tension permet d'améliorer le rendement. Cependant, ces commutations apportent la présence d'harmoniques liée à la fréquence de commutation des interrupteurs. Ces commutations peuvent alors poser des problèmes de compatibilité électromagnétique. Ces problèmes peuvent s'avérer gênant pour le fonctionnement même du système qui les génère, comme pour les appareils alentours. Dans ce dernier cas, des normes sont à respecter en émission et en immunité selon le domaine d'application. Pour remédier à ces problèmes, des filtres et des blindages sont souvent ajoutés en fin de conception, qui ont tendance à augmenter le volume du convertisseur et parfois à diminuer les performances visées. Un compromis est souvent nécessaire entre performance et pertes. Le fait de veiller tout au long de la conception aux conséquences des choix technologiques sur la C.E.M. permet d'orienter pas à pas le développement du convertisseur. Cela permet également de réduire, voire de supprimer les éléments de filtrage. Dans tous les cas, les problèmes de compatibilités électromagnétiques (C.E.M.) sont à prendre en compte dès la conception. Mes travaux de recherche décrits dans ce mémoire, s'inscrivent dans ce contexte. Des outils de simulation CEM et un travail d'analyse sont présentés à travers un travail de conception des composants de type " relais " à faibles énergies de commande, réalisés à partir de TRIAC ou de Thyristors, lors des travaux de thèse de Ghafour BENABDELAZIZ en collaboration avec STMicroelectronics. En effet, ces composants contrôlés présentent à chaque alternance une discontinuité du courant, la source de perturbation correspondante est de même type que celle du variateur de lumière. L'étude a permis de développer différentes solutions. Dans chaque cas, pour le fonctionnement le plus défavorable, nous avons cherché à minimiser cette discontinuité de courant ainsi que les pertes, en fonction des paramètres électriques. Il s'agit là encore de trouver un compromis entre CEM et pertes. Un paramètre, à ne pas négliger lors de l'utilisation de composant de type TRIAC ou Thyristor, est que ces composants sont sensibles aux variations de tension. Cette problématique nous a conduit à une étude qualitative sur le choix du composant respectant les contraintes d'immunité. Différents paramètres importants dans les problèmes de CEM sont abordés dans ce mémoire. Le premier paramètre présenté est la commutation. L'analyse des commutations des courants de puissance est faite dans le cas d'un variateur de lumière. Ce type de convertisseur est bien connu pour parasiter entre autre les grandes ondes radio. L'étude de cette application présente la particularité de ne générer majoritairement que des perturbations électromagnétiques conduites de mode différentiel. Cela nous a conduit à étudier les paramètres sur différents interrupteurs qui peuvent modifier la forme de la commutation du courant. Nous avons cherché à optimiser la commutation par différentes méthodes et à vérifier si elle reste optimale lorsque les paramètres électriques des interrupteurs varient légèrement. La prise en compte de cette contrainte est primordiale pour éviter d'obtenir des performances électromagnétiques différentes pour deux convertisseurs identiques mais monter avec des interrupteurs de lots de fabrication différents. Nous retrouverons cette problématique dans les travaux présentés ici. Une partie de ces travaux a été abordé dans le cadre du DEA de Nicolas NOIROT en collaboration avec le laboratoire du L.A.A.S. (Laboratoire d'Architecture et d'Analyse des Systèmes) et une autre partie a fait l'objet de travaux de thèse Romain FERRAGUT. Ces études se sont appuyées sur des outils de simulation développés par le laboratoire. Un second paramètre important dans la CEM présenté dans ce manuscrit est les chemins de propagations des perturbations électromagnétiques. L'étude des chemins de propagations a été faite sur un convertisseur industriel. Ces travaux ont conduit au développement d'un modèle fréquentiel du convertisseur industriel, lors de la thèse de Stéphane BREHAUT et du DEA de Moustapha OULD EL BECHIR, en collaboration avec SAFT POWER SYSTEMS. Cela nous a permis d'identifier les chemins de propagation ainsi que les composants favorisant cette propagation pour un tel système. Nous avons cherché à modifier les chemins de propagation en agissant sur le comportement fréquentiel de ces composants, en modifiant le tracé électrique et en symétrisant la structure. Ces travaux ont permis d'optimiser le filtrage en amont et en aval du convertisseur, une partie de ces travaux sera présentée dans ce manuscrit. Pour finir, nous sommes intéressés plus particulièrement aux moyens de réduire les niveaux de perturbation par étalement spectral. Cette répartition de l'énergie électromagnétique sur les différentes bandes fréquentielles doit être contrôlée et être contenu dans la bande fréquentielle d'émission conduite. Cette problématique a fait l'objet de travaux d'étude en collaboration avec l'équipe EMCIS (EMC in Industrial Systems) de l'Université de Catalogne. Ce mémoire essaie de montrer à travers différents exemples que la prise en compte des contraintes électromagnétiques en parallèle de la mise en œuvre d'un convertisseur, permet de diminuer les volumineux filtres ajoutés généralement en fin de conception, en les positionnant plus judicieusement. Selon la complexité du système étudié et des topologies utilisées, les techniques d'investigations différentes sont présentées.

La compatibilité électromagnétique (CEM) est l’une des contraintes majeures de la conception des structures de l’électronique de puissance. Pour le cas des convertisseurs statiques, la commutation des semi-conducteurs et leurs interactions avec les éléments parasites liés à l’environnement sont la source principale des perturbations conduites. Cette interaction ne cesse d’augmenter notamment avec l’industrialisation des nouvelles générations de semi-conducteurs à grand gap qui deviennent de plus en plus impressionnantes grâces à leurs faibles pertes en commutation et à leur rapidité croissante. Malheureusement, l’étude de ces perturbations est souvent considérée comme le dernier obstacle à la commercialisation et elle n’est pas prise comme contrainte de conception. L’estimation a priori de ces perturbations par la simulation peut permettre un gain considérable tant sur le plan économique que sur le temps de traitement. Dans ce mémoire, nous mettons l’accent sur les modèles de composants semi-conducteurs et leurs effets sur les perturbations conduites dans les convertisseurs statiques. Cette étude mettra aussi en évidence les problèmes liés aux simulations temporelles ou fréquentielles et l’utilité de chacune. Ensuite, nous proposons des modèles pour le MOSFET et pour la diode Shottky en technologie carbure de silicium et nous analysons l’influence de leurs paramètres sur les perturbations conduites dans un circuit de hacheur. Nous exposons aussi une approche permettant d’obtenir des temps de simulation plus raisonnables en introduisant le principe de contrôle des signaux parasites et des cycles de fonctionnement. Finalement, nous introduisons une nouvelle méthode de description des commutations par des sources équivalentes. Nous montrons qu’il est possible à partir de l’étude de la loi de commande de proposer une méthode de synthèse d’une cellule de commutation permettant de reconstruire ses grandeurs électriques de sortie. / Electromagnetic compatibility (EMC) is one of the major constraints involved in the design of power electronics structures. In the case of static power converters, the switching of semiconductors and their interactions with the parasitic elements related to the environment are the main source of conducted disturbances. This interaction is increasing especially with the industrialization of new generations of wide band gap semiconductors that become increasingly impressive thanks to their low switching losses and their rapidity. Unfortunately, the study of the disturbances is often considered as the last obstacle to the marketing and it is not taken as a design constraint. An early estimation of these disturbances by simulation can provide a reduction in processing time and a considerable economic gain. In this manuscript, we focus on semiconductors models and their effects on conducted interference in static converters. This study will also reveal problems related to time or frequency simulations and usefulness of each one. Then, we propose models for silicon-carbide MOSFET and Schottky diode and we analyze the influence of their parameters on the conducted disturbances in a chopper circuit. We also expose an approach to obtain more reasonable simulation time by controlling parasitic signals and operating cycles. Finally, we introduce a new method to describe switching’s by using equivalent sources. We show that by studying the command law, it is possible to propose a synthesizing method of a switching cell able to rebuild its electrical outputs.

L’introduction des systèmes électriques notamment des dispositifs d’électronique de puissance « embarqués » dans le domaine de transport aérien, requiert une forte compacité et une forte intégration des systèmes de conversions électriques ainsi des fonctionnalités électroniques a des hautes t ambiantes dépassant les 200°C.Mais pour répondre à ces besoins, le silicium a atteint ses limites d'où le recours à des nouveaux matériaux semi-conducteurs comme ceux à grand gap.Dans le cadre de ses recherches, Thales, en collaboration avec le laboratoire SATIE , mènent des investigations sur les performances des semi-conducteurs en technologie sic pour développer des convertisseurs aéronautiques de nouvelle génération.Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre d'une étude des potentialités des premiers composants SiC disponibles sur le marché. Cette étude permet de comparer les principales performances de ces dispositifs ainsi que les contraintes spécifiques induites lors de leur intégration dans les convertisseurs aéronautiques. / The potential of wide band gap transistors based on silicon carbide are remarkable and open new prospects for improvement (high efficiency, high breakdown voltage, high switching frequency and high operating temperature ...). This leads to volume and weight reduction for future converters. In order to improve new generation of power converters for future needs, Thales, in cooperation with SATIE and LTN IFSTTAR laboratories, performs investigations on the performances, advantages and disadvantages of SiC technology semiconductors. This comparative study will assess the strengths and weaknesses as well as the stresses induced during integration into aircraft converters of commercially available devices.

Ces travaux de thèse portent sur l'intégration hétérogène des fonctions de commande pour des transistors de puissance verticaux à grille isolée. Ce travail a consisté en la conception des fonctions de commande pour un transistor de type MOSFET en technologie CMOS planar, puis en la conception du composant de puissance lui-même, incluant des fonctions spécifiques pour l'auto-alimentation de sa commande. Le deuxième aspect de ce travail est l'étude et la réalisation technologique de métallisations épaisses en surface de puces silicium pour l'hybridation en chip on chip de la partie commande et de la partie puissance. Ce mémoire de thèse comporte trois chapitres équivalents : études théoriques et présentation des concepts, conception et validation expérimentale de la partie commande puis conception de la partie puissance et développements technologiques. Les champs d'application de ces travaux sont variés car ils couvrent un large domaine de l'électronique de puissance (convertisseurs hybrides).

Les convertisseurs de puissance sont largement utilisés de nos jours dans des applications qui demandent une grande autonomie énergétique, comme par exemple ceux qui sont alimentés par des batteries. En particulier, les amplificateurs de type Class-D sont fréquemment utilisés dans les applications audio. Ces amplificateurs commutés ont une architecture ressemblante à celle d'un convertisseur DC-DC, ce qui les permet d'avoir une efficacité énergétique élevée. Cependant, leur inconvénient majeur est la forte émission en perturbations électromagnétiques (EM). Cela peut causer des problèmes de conformité avec les normes de compatibilité électromagnétique (CEM), ou bien perturbé le bon fonctionnement des applications électroniques qui l'entour. Pour cela, ils existent de nombreuses études qui permettent de réduire les émissions d'un amplificateur de Class D. Cependant, cela n'est pas suffisant pour retirer le filtre de CEM. Il est donc nécessaire d'optimiser ces filtres et de faciliter leurs conceptions. Ceci est le but de la présente thèse et il est divisé en quatre grandes parties. La première partie commence par développer une technique de modélisation dans le domaine fréquentiel. Cette technique qui est basée sur la détermination et la manipulation des matrices d'impédances a comme but de simuler et prédire les perturbations EM générées par un amplificateur de Class D. Tous les aspects théoriques de la méthode ont été développés. Ensuite, une application pratique sur un système de Class D dédié à la téléphonie mobile nous a permis de valider la méthode jusqu'à une fréquence de 100 MHz. Un amplificateur de Class D est une source de perturbation aussi bien sur les rails d'alimentation que sur les rails de sortie. Pour cela, le filtre de CEM est nécessaire sur les rails de l'alimentation comme il y est en sortie. Néanmoins, un filtre correctement construit doit être conçu en prenant en compte l'impédance de la charge qui est la batterie dans ce cas. Pour cela, la deuxième partie a pour objectif la mesure de l'impédance de la batterie sur la gamme de fréquence considérée. Ainsi, une technique de mesure d'impédance de batterie en utilisant un impédance mètre est développée. Ensuite, une application expérimentale sur un convertisseur DC-DC et une batterie nous a permis de valider la procédure de mesure. La troisième partie s'est focalisée sur l'optimisation du filtre de CEM. Le modèle fréquentiel développé dans la première partie est intégré dans une boucle d'optimisation basée sur un algorithme génétique. L'optimisation inclus plusieurs critères dans sa fonction objective qui sont l'augmentation de la capacité du filtre à réduire les émissions EM, la diminution des pertes supplémentaires due à l'utilisation du filtre et finalement le gain du filtre dans la bande de fréquence du signal audio. Cette étude est poursuivie par une validation expérimentale. La quatrième et la dernière partie étudie et quantifie les impacts du filtre de CEM sur la qualité audio de l'amplificateur. En effet, le filtre de CEM est l'un des chemins propagation du signal audio. Par suite, tout comportement non linéaire du filtre conduit à la distorsion du signal audio. Pour cela, cette partie est dédiée à la modélisation et la simulation des composants passifs contenant un matériau magnétique. En particulier, l'étude s'est focalisée sur la modélisation des perles de ferrite en utilisant le modèle de matériaux magnétiques Jiles-Aterthon. Les résultats de simulations sont comparés avec la mesure dans le domaine temporel et fréquentiel. En plus, le calcul du taux de distorsion harmonique nous a permis de valider le modèle sur une large plage d'amplitude. / Switching power management circuits are widely used in battery powered embedded applications in order to increase their autonomy. In particular, for audio applications, Class-D amplifiers are a widespread industrial solution. These, have a similar architecture of a buck converter but having the audio signal as reference. The switching nature of these devices allows us to increase significantly the power efficiency compared to linear audio amplifiers without reducing the audio quality. However, because of the switching behavior, Class-D amplifiers have high levels of electromagnetic (EM) emissions which can disturb the surrounding electronics or might not comply with electromagnetic compatibility (EMC) standards. To overcome this problem much architecture appeared in the state of the art that reduces the emissions, however, this has never been enough to remove electromagnetic interference (EMI) filters. It is then useful to optimize these filters, thus, it has been set as the goal of this PhD thesis. The latter has been divided to four main axes which can be resumed by the following. First, this work started by developing a frequency domain modeling method in order to simulate and predict the EMI of Class-D amplifiers in the final application. The method is based on system to block decomposition and impedance matrix modeling and manipulation. After providing all the theoretical background, the method has been validated on integrated differential Class-D amplifier. The experimental measurements have permitted to validate the method only up to 100MHz. However, this is sufficient to cover the conducted EMC frequency band. Second, the EMI at the supply rails of Class-D amplifiers has been treated. As the battery is often the same power supply for all applications in an embedded system, an EMI filter or a decoupling capacitor is needed to prevent the noise coupling by common impedance. Designing this filter needs the knowledge of the battery impedance at the desired frequencies. Therefore the present work dealt also with measuring the high frequency impedance of a battery. Afterwards, an experimental validation has been carried on with a DC-DC converter and a Class-D amplifier. The developed model allows a virtual test of the switching device in the final application. However, it is more useful if the model is able to help the system integrator in designing filters. Thus, third, the model has been implemented in an optimization loop based on a genetic algorithm in order to optimize the filter response, and also, reduce the additional power losses introduced by an EMI filter. The optimization search space has been limited to the components available on the market and the optimization result is given as component references of the optimal filter referring to the optimal solution found. This procedure has been validated experimentally. Finally, EMI filters often are constituted by magnetic components such as ferrite beads or inductors with magnetic cores. Thus, introducing the EMI filter in the audio path, adds a nonlinear behavior in the audio frequency band. Designing a high quality EMI filter require taking into account this phenomenon and studying its impact of the original amplifier audio performance. Therefore, the Jiles-Atherton model for magnetic materials has been used for ferrite bead modeling. Hereafter, the impact on the time and frequency domain signals has been simulated and compared to measurements. Finally, the total harmonic distortion (THD) has been computed for different signal amplitudes and compared to the THD measured using an audio analyzer. Accurate results have been obtained on a wide range of signal amplitudes. As a conclusion, this work aimed to design optimal EMI filters for Class-D amplifiers. Thus, we dealt with improving their EMI response, reducing their additional power losses and evaluating their impact on the audio quality.

Ces travaux de thèse portent sur l'intégration hétérogène des fonctions de commande pour des transistors de puissance verticaux à grille isolée. Ce travail a consisté en la conception des fonctions de commande pour un transistor de type MOSFET en technologie CMOS planar, puis en la conception du composant de puissance lui-même, incluant des fonctions spécifiques pour l'auto-alimentation de sa commande. Le deuxième aspect de ce travail est l'étude et la réalisation technologique de métallisations épaisses en surface de puces silicium pour l'hybridation en chip on chip de la partie commande et de la partie puissance. Ce mémoire de thèse comporte trois chapitres équivalents : études théoriques et présentation des concepts, conception et validation expérimentale de la partie commande puis conception de la partie puissance et développements technologiques. Les champs d'application de ces travaux sont variés car ils couvrent un large domaine de l'électronique de puissance (convertisseurs hybrides). / The work presented in this PhD manuscript deals with heterogeneous integration of the control functions for driving a vertical power MOSFET. This work consisted in the design of the driving functions for a vertical power MOSFET in a planar CMOS technology, then in the design of the power transistor itself, including specific functions for the self powering of its driving circuitry. The second aspect of this work was the technological study and realization of thick metallization at the surface of silicon dies for the chip on chip assembly of the control and the power parts. This manuscript is composed of three equal chapters: the theoretical study and concepts presentation, the design and experimental validation of the driver part, and the design of the power part and the technological realizations. The field of application of this work covers a large spectrum as it concerns every hybrid converter