Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre de l’électrification des sous-systèmes embarqués notamment pour des véhicules électriques/hybrides. Dans ce domaine, un des objectifs permanents est la réduction des coûts et des délais lors de la conception de chaînes d’actionnement mécatroniques. Pour y parvenir, il est nécessaire de doter le concepteur de méthodologies et d’outils adaptés lui permettant de fiabiliser sa démarche de conception et de lever le maximum de risques avant de réaliser les premiers prototypes. Ces systèmes mécatroniques embarqués mobilisent des briques technologiques essentielles dont fait partie le convertisseur d’électronique de puissance. Les performances de ce système reposent sur la capacité des méthodologies de conception à considérer les contraintes pluridisciplinaires liées à son environnement, l’adéquation des technologies, des topologies et des lois de commandes. Ces travaux de thèse montrent comment nous pouvons répondre à ces exigences et besoins à travers le développement d’une méthodologie de conception multi-physique et multi-niveau de convertisseurs multicellulaires (entrelacés) prédisposés par essence à une reconfiguration aisée. Cette méthodologie, basée sur une optimisation sous contraintes multi-physiques, permet des choix systématiques d’architecture optimale et des technologies de composants à partir d’une base de données constructeurs. Elle intègre l’aspect fiabilité dans la conception dès la phase de pré-dimensionnement au même niveau que les autres contraintes (électriques, rendement, thermiques, encombrement, compatibilité électromagnétique). Afin de bien profiter des avantages de ce type de convertisseurs entrelacés, cette intégration de la fiabilité dans la conception «fiabilisation par conception» est parachevée par l’élaboration d’une architecture de commande tolérante aux défauts «fiabilisation par la commande» permettant, une fois le convertisseur conçu, d’augmenter sa disponibilité par reconfiguration matérielle ou logicielle (loi de commande). / This PhD thesis work is in the context of electric/hybrid vehicle embedded subsystems electrification. In mechatronic design field, the permanent objectives are costs and delays reducing. To achieve this, there is need of design methodologies and appropriate tools to perform a reliable design approach and leave maximum of risks before making the first prototypes. Embedded mechatronic systems mobilize technological brick keys which include the power electronic converter. Their performances are based on the capacity of the design methodologies to consider the environment multi-disciplinary constraints, the adequacy of the technologies, topologies and control laws. This thesis work shows how we can meet these requirements and needs through the development of multi-physics and multi-level design methodology for multi-level converters (interleaved) predisposed to an easy reconfiguration. This methodology, based on optimization under multi-physics constraints allows systematic choice of optimal architecture and component technologies from manufacturer database. It integrates the reliability aspect in the design since the pre-sizing process in the same level as the other constraints (electric, efficiency, thermal, volume, electromagnetic compatibility). In order take advantages of such interleaved converters, the integration of reliability in the design "reliability by design" is completed by the development of fault tolerant control architecture "reliability by control" which increase the availability by reconfiguring hardware or software (control law) of the designed converter.

Les convertisseurs multicellulaires parallèles permettent de traiter des puissances importantes et de profiter d'une certaine standardisation des équipements. Ces dernières années, ces structures ont connu un regain d'intérêt lié notamment à la possibilité de couplage magnétique des inductances. Ce couplage aboutit à un composant magnétique aux propriétés très différentes appelé Transformateur Inter-Cellules (ICT) ; il ne modifie pas le courant de sortie, par contre il réduit l'ondulation de courant dans les bobines et l'ondulation de flux dans certaines parties du noyau. On peut montrer que ce couplage entraîne une réduction des pertes Joules dans les conducteurs et des pertes magnétiques dans le noyau. La réduction de l'ondulation de courant diminue également le courant efficace dans les semiconducteurs ce qui réduit les pertes par conduction, et la différence entre le courant à l'amorçage et au blocage des interrupteurs, ce qui permet la diminution des pertes dans les semiconducteurs lorsque les pertes au blocage sont supérieures aux pertes à l'amorçage. Le dimensionnement d'un ICT n'est pas fondamentalement différent de celui fait pour d'autres composants magnétiques en ce sens qu'il est basé sur le respect de certaines valeurs limites (induction, température) ce qui suppose une évaluation des différentes pertes et l'élaboration d'un modèle thermique. Par contre, la manière d'évaluer ces différentes grandeurs est tout à fait spécifique et n'a que quelques points communs avec les méthodes de calcul des inductances et des transformateurs Dans ce travail de thèse, on montre comment dimensionner ces ICTs en considérant plusieurs topologies et méthodes différentes, correspondant à différents niveaux de sophistication et de complexité. L'explication de ce dimensionnement est divisée en quatre parties : Pertes Cuivre, Pertes Fer, Densité de Flux de Saturation et Aspects Thermiques. L'évaluation des pertes cuivre liées aux composantes alternatives des ICTs constituent un point particulièrement délicat dans la mesure où elles résultent de la combinaison de deux facteurs eux-mêmes difficiles à évaluer ; l'inductance de fuite qui détermine l'amplitude des courants alternatifs mais dépend des flux principalement non canalisés et circulant dans l'air (volume d'étude important, effets 3D...), et la résistance équivalente des bobinages qui en haute fréquence est sujette à des phénomènes complexes comme les effets de peau et de proximité. En se basant sur l'utilisation d'un logiciel simple mais néanmoins robuste et fiable pour calculer précisément les résistances en haute fréquence et les inductances de fuite des ICTs, plusieurs astuces permettant de réduire les pertes cuivre non seulement des ICTs mais aussi des transformateurs et des inductances sont suggérées. Des tableaux simples sont développés pour aider le concepteur de transformateurs à identifier la meilleur configuration de conducteurs dans une fenêtre de bobinage en prenant en compte la forme d'onde du courant, le nombre de tours des enroulements, la fréquence des courants et les paramètres géométriques. Des formules analytiques et des outils de calcul adéquats ont ensuite été utilisés pour développer des routines d'optimisation ayant pour but la réduction de la masse, du volume, des pertes ou du coût des ICTs. Des interpolations multidimensionnelles des valeurs présimulées des résistances et inductances de fuite en haute fréquence sont utilisées afin de réduire le temps d'exécution de la routine d'optimisation. Plusieurs dimensionnements des ICTs ont été comparées vis-à-vis des matériaux du noyau et des conducteurs, du nombre de cellules de commutation et de la fréquence de découpage. Des comparaisons avec des selfs ont également été faites afin de montrer les avantages de ces ICTs. Des aspects de la commande des convertisseurs multi-niveaux triphasés ont également été étudiés vis-à- vis du flux circulant dans les ICTs. Des homopolaires, spécifiques pour chaque stratégie MLI et chaque topologie convertisseur/charge, sont créées afin de minimiser le flux dans les ICTs et par conséquent de réduire davantage la masse et la taille de ces composants. Des comparaisons entre différentes méthodes de MLI sont effectuées et vérifiées expérimentalement.

L'objectif de cette thèse est l'étude et la réalisation d'une nouvelle application des convertisseurs multicellulaires parallèles. Le but est de concevoir un système pouvant injecter des forts courants transitoires (milliers d'Ampères) dans l'âme conductrice de câbles haute tension à courant continu afin de mesurer la répartition des charges électriques dans l'isolant par la méthode de l'onde thermique. La structure proposée est basée sur la mise en parallèle de modules de convertisseurs DC/DC à phases couplées utilisant des transformateurs intercellules (ICT). La solution proposée permet de concevoir un dispositif à faible encombrement (portabilité). Une approche de dimensionnement des ICT cycliques basée sur la détermination d'un modèle analytique généralisé permettant de quantifier le flux et la densité de flux à travers le circuit magnétique, est présentée. Une méthode d'optimisation consistant en une permutation des ordres de commande des phases est utilisée pour réduire l'encombrement du coupleur magnétique. Un prototype de convertisseur multicellulaire utilisant un ICT cyclique planar de puissance a été réalisé. Il s'agit d'un module 12 phases, fonctionnant comme une source de courant régulé de 1200 A (grâce à une boucle de régulation de courant), et dont la puissance est de 30 KW. Des résultats expérimentaux validant la possibilité d'utiliser la solution proposée pour la caractérisation diélectrique des câbles haute tension à courant continu sont présentés dans le mémoire. / The purpose of this study is the design of a new application for parallel multi-cell converters. The aim is to setup a portable system that can inject a high current (several Amps current) within 2 s in the conducting core of a HVDC cable, and determinate the distribution of electrical space charge through the insulation using the Thermal Step Method (TSM). The proposed structure will be constituted of paralleled coupled multiphase buck converters using InterCell Transformers (ICT). A dimensioning theoretical approach of planar intercell transformer based on the magnetic core saturation condition is presented. The proposed method is based on calculating a generalized expression on the magnetic flux density matrix for any number of cells. Permutation method is used in order to reduce the magnetic core volume. Its principle is to reduce the flux concentration in the magnetic core by modifying the phase-shift of two successive cells.Finally, the experimental prototype (12-cells 30 kW power converter) using cyclic planar ICT is designed and tested. The converter is used to generate regulated current pulses of 1200 Amps (its operating mode is similar to a current source). Experimental results (thermal step current measurements) are includes in order to confirm the ability of using the proposed solution for power cable dielectric characterization.

Les convertisseurs multicellulaires parallèles permettent de traiter des puissances importantes et de profiter d'une certaine standardisation des équipements. Ces dernières années, ces structures ont connu un regain d'intérêt lié notamment à la possibilité de couplage magnétique des inductances. Ce couplage aboutit à un composant magnétique aux propriétés très différentes appelé Transformateur Inter-Cellules (ICT) ; il ne modifie pas le courant de sortie, par contre il réduit l'ondulation de courant dans les bobines et l'ondulation de flux dans certaines parties du noyau. On peut montrer que ce couplage entraîne une réduction des pertes Joules dans les conducteurs et des pertes magnétiques dans le noyau. La réduction de l'ondulation de courant diminue également le courant efficace dans les semiconducteurs ce qui réduit les pertes par conduction, et la différence entre le courant à l'amorçage et au blocage des interrupteurs, ce qui permet la diminution des pertes dans les semiconducteurs lorsque les pertes au blocage sont supérieures aux pertes à l'amorçage. Le dimensionnement d'un ICT n'est pas fondamentalement différent de celui fait pour d'autres composants magnétiques en ce sens qu'il est basé sur le respect de certaines valeurs limites (induction, température) ce qui suppose une évaluation des différentes pertes et l'élaboration d'un modèle thermique. Par contre, la manière d'évaluer ces différentes grandeurs est tout à fait spécifique et n'a que quelques points communs avec les méthodes de calcul des inductances et des transformateurs Dans ce travail de thèse, on montre comment dimensionner ces ICTs en considérant plusieurs topologies et méthodes différentes, correspondant à différents niveaux de sophistication et de complexité. L'explication de ce dimensionnement est divisée en quatre parties : Pertes Cuivre, Pertes Fer, Densité de Flux de Saturation et Aspects Thermiques. L'évaluation des pertes cuivre liées aux composantes alternatives des ICTs constituent un point particulièrement délicat dans la mesure où elles résultent de la combinaison de deux facteurs eux-mêmes difficiles à évaluer ; l'inductance de fuite qui détermine l'amplitude des courants alternatifs mais dépend des flux principalement non canalisés et circulant dans l'air (volume d'étude important, effets 3D…), et la résistance équivalente des bobinages qui en haute fréquence est sujette à des phénomènes complexes comme les effets de peau et de proximité. En se basant sur l'utilisation d'un logiciel simple mais néanmoins robuste et fiable pour calculer précisément les résistances en haute fréquence et les inductances de fuite des ICTs, plusieurs astuces permettant de réduire les pertes cuivre non seulement des ICTs mais aussi des transformateurs et des inductances sont suggérées. Des tableaux simples sont développés pour aider le concepteur de transformateurs à identifier la meilleur configuration de conducteurs dans une fenêtre de bobinage en prenant en compte la forme d'onde du courant, le nombre de tours des enroulements, la fréquence des courants et les paramètres géométriques. Des formules analytiques et des outils de calcul adéquats ont ensuite été utilisés pour développer des routines d'optimisation ayant pour but la réduction de la masse, du volume, des pertes ou du coût des ICTs. Des interpolations multidimensionnelles des valeurs présimulées des résistances et inductances de fuite en haute fréquence sont utilisées afin de réduire le temps d'exécution de la routine d'optimisation. Plusieurs dimensionnements des ICTs ont été comparées vis-à-vis des matériaux du noyau et des conducteurs, du nombre de cellules de commutation et de la fréquence de découpage. Des comparaisons avec des selfs ont également été faites afin de montrer les avantages de ces ICTs. Des aspects de la commande des convertisseurs multi-niveaux triphasés ont également été étudiés vis-à- is du flux circulant dans les ICTs. Des homopolaires, spécifiques pour chaque stratégie MLI et chaque topologie convertisseur/charge, sont créées afin de minimiser le flux dans les ICTs et par conséquent de réduire davantage la masse et la taille de ces composants. Des comparaisons entre différentes méthodes de MLI sont effectuées et vérifiées expérimentalement. / In recent years, the interest for parallel multicell converters has grown, which is partially due to the possibility of coupling the inductors used to connect the different commutation cells together. Coupling the inductors to form an InterCell Transformer (ICT) does not usually modify the output current, but it reduces the current ripple in the windings and the flux swing in some regions of the core. It can be shown that this brings a reduction of copper and core losses in the magnetic component. The reduction of the phase current ripple also reduces the difference between turn on and turn off current in the switches, which brings a reduction of switching losses for devices generating more losses at turn off than at turn on. The design of an ICT is not that different from any other magnetic component but it is very specific and inherent features must be taken into account. Taking full benefit of the potential advantages of ICTs requires the development of special tools and methods which are the focus of the study. We show how to design ICTs considering several topologies and different methods, from the most precise and time-consuming to the less accurate but more quickly calculated. The explanation of the ICT design is divided in four main parts: Copper Losses, Core Losses, Flux Density Saturation and Thermal Aspects. Further attention is given to high frequency copper losses since complex phenomena such as skin and proximity effects highly influence the ICT design. Based on Finite Element Method simulations, smart practices are suggested to reduce high and low frequency copper losses, not only in ICTs but also in inductors and transformers. Simple tables are developed to help transformer designers to identify the best configuration of conductors inside a given core window, depending on the current waveform and frequency, number of turns and geometrical parameters. Optimization routines to reduce the ICT total mass, volume, losses or cost are developed and multidimensional interpolation of pre-simulated values of AC resistance and leakage inductance is used to speed up the optimization routine. Comparison of ICT designs with regard to core and conductor material, number of cells and switching frequency is performed. Comparison with regular inductors is also made in order to verify the benefits of this kind of magnetic component. Multilevel converter control aspects applied to three- hase systems is also investigated in terms of the ICT flux. Zero sequence signals, specific for a PWM strategy and converter/load topology, are created in order to minimize the flux in ICTs and consequently reduce even further the mass and size of these components. Comparison between several PWM methods are performed and experimentally verified.

L'évolution de l'électronique de puissance depuis ces dernières années est le résultat des enjeux énergétiques actuels qui exigent, entre autres, des architectures de conversion d'énergie capables de traiter des puissances de plus en plus importantes. Parmi les éléments les plus caractéristiques de cette évolution, l'avancement technologique des composants semi-conducteurs (nouveaux composants SiC ou GaN) ainsi que la conception de nouvelles architectures de convertisseurs statiques jouent un rôle important. Parmi ces architectures, différentes associations basées sur la connexion en série et en parallèle de cellules de commutation classiques ont été proposées. Ces associations permettent d'augmenter la puissance traitée par les convertisseurs sans accroitre les contraintes au niveau des interrupteurs. Elles permettent également l'obtention de signaux de sortie d'une meilleure qualité avec des fréquences apparentes de découpage plus importantes. Ces architectures utilisent des éléments de stockage d'énergie qui diminuent les contraintes au niveau des interrupteurs mais qui exigent, en revanche, une régulation précise des grandeurs de tension ou de courant propres à ces éléments. Pour l'association en série, les tensions des condensateurs doivent rester autour d'une fraction de la tension du bus d'entrée. Pour l'association en parallèle, le courant de sortie doit être réparti équitablement entre les différents bras afin d'éviter les phénomènes non linéaires propres aux éléments magnétiques utilisés dans les inductances (séparées ou magnétiquement couplées). Dans la première partie de cette thèse, nous présentons les généralités de l'association en série et parallèle des cellules de commutation. La modélisation des éléments magnétiques utilisés pour la mise en parallèle est également détaillée dans le but d'identifier de possibles sources de déséquilibre sur la répartition du courant de sortie. Une modélisation matricielle est appliquée pour simplifier la relation entre les variables propres à chaque association et les ordres de commande de toutes les cellules. Cette modélisation matricielle sera la base des stratégies de commande que nous avons développées dans la suite de nos travaux. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous présentons les différentes stratégies de commande pouvant être appliquées sur ces convertisseurs. Les premières stratégies sont basées sur une approche classique utilisant un modulateur, un générateur d'ordres de commande et des régulateurs de type linéaire pour la régulation des variables internes et externes de chaque association. En termes de modulateurs, nous présentons principalement un modulateur de type PS (Phase Shifted), tandis que quelques applications et résultats sont présentés pour un modulateur de type PD (Phase Disposition). D'autres stratégies basées sur la commande prédictive sont également présentées. La première est la stratégie MPC qui utilise une fonction de coût pour choisir l'état optimal du convertisseur pour chaque période d'échantillonnage. Cette stratégie a été introduite récemment dans le domaine des convertisseurs statiques et présente des avantages liées à la facilité de sa mise en place ainsi qu'aux réponses du système lors des régimes transitoires. La deuxième stratégie, basée sur la commande prédictive, utilise des instants de commutation variables, une fonction de coût simplifiée et une machine d'état. Cette dernière permet de gérer les ordres de commande de toutes les cellules de commutation en fonction des variables à réguler. En plus des avantages liés à la stratégie MPC, sa mise en place est bien plus simple car elle fonctionne à une fréquence de découpage fixe et s'adapte facilement à différents points de fonctionnement. Dans la dernière partie de cette thèse, nous présentons l'implantation expérimentale de ces stratégies afin de valider leur performance sur les convertisseurs multicellulaires. / In the last years, the development in the power electronics field is the result of the current energy challenges. These challenges require power converters able to work with increasingly important powers. Among the most characteristic elements of this development, we can find the technological advancements of the semiconductor devices (based principally in SiC and GaN) and the conception of new power converters topologies. These new power converter topologies are principally based on the serial and parallel association of classical commutation cells. With these associations, the energy treated by the converter can be increased using the current semiconductor technology. The quality of the output signals can also be improved with higher apparent switching frequencies. These associations use elements for storing energy, such as inductors or capacitors. They equally allow the reduction of the constraints on the switches given the higher voltages and currents. However, the use of these elements requires a good control of the capacitors' voltage for the serial connection and a good distribution of the output current among the different phases for the parallel connection. In the parallel connection, when we use Inter Cells Transformers (ICT) instead of classical inductors, all the phase currents reduce their ripples while their frequency is reduced. Nevertheless, some differences between all the phases' currents can entail non-linear phenomena, producing perturbations and instabilities in the system. In the serial connection, the capacitor voltages must stay around a fraction of the input voltage in order to get an optimal multilevel output voltage. In the first part of this thesis, we present the generalities of the serial and parallel association of classical commutation cells. Different models of magnetic elements are used for getting a better representation of an ICT; these models are used for finding possible sources of currents imbalances. A matrix model is used to simplify the relationship between the control variables with the control of each commutation cell. In the second part of this thesis, some control strategies that can be applied with these converters are presented. The first strategy is based on a conventional approach that uses a modulator, a state machine for generating the commands of each cell and linear regulators for controlling the internal and external variables (output voltage and currents, capacitors in the serial association and the distribution of the current for the parallel connection). In terms of modulators, we present primarily a PS (Phase Shifted) modulator while some applications and results are presented for a PD (Phase Disposition) modulator. Other strategies based on predictive control are also presented. The first of these strategies is the classical MPC (model predictive control) strategy that uses a cost function to select the optimal state of the converter for each sampling period. This strategy has recently been introduced in the field of static converters and it has several advantages related to the facility of its implementation and the optimal transient responses. The second strategy uses variable switching instants, a simplified cost function and a state machine. The state machine is used to manage the capacitors' voltages and the differential currents (differences between the phase currents) while the cost function is used for controlling the output voltage and current. This strategy is simpler to be implemented, presents fast transient responses and works with a fixed switching frequency in different operating points. In the last part of this thesis, we present the experimental implementation of these strategies in order to validate their performance in the power converters based in the serial and parallel association of classical commutation cells.