Une chaîne de conversion photovoltaïque signifie aujourd'hui un générateur photovoltaïque (GPV) connecté à une charge par l'intermédiaire d'un convertisseur. Selon l'application visée, l'énergie photovoltaïque est soit utilisée telle quelle par la charge, soit stockée ou bien injectée directement au réseau électrique. L'optimisation de la production de cette énergie reste encore du domaine de la recherche et beaucoup d'innovations sont encore nécessaires pour en faire une énergie fiable. De nos jours, les axes de recherche pour augmenter la production de cette énergie sont principalement focalisés sur l'extraction de la puissance maximale, mais très peu de solutions sont proposées pour améliorer l'efficacité énergétique de la chaîne de conversion dans son ensemble. Cette thèse est focalisée sur l'optimisation des performances des étages d'adaptation. Ainsi, des améliorations sont proposées sur les différentes parties constituant la chaîne de conversion. Le haut degré d'intégration et la flexibilité apportés par le domaine digital nous ont poussés vers la numérisation de commandes MPPT élaborées sur le principe de commande extrémale. L'amélioration de l'étage de conversion est illustrée au travers de deux structures, inspirées de méthodes couramment utilisées dans les applications de fortes puissances comme la mise en parallèle de convertisseurs DC-DC fonctionnant en mode interleaving. De nouvelles propriétés, intrinsèques à des structures semigiratrices de puissance, renforcent l'étude. Une nouvelle architecture basée sur la discrétisation de chaque générateur photovoltaïque est ainsi proposée comme pouvant être le meilleur compromis en termes de transfert d'énergie solaire.

Dans le contexte de la prédétermination des pertes ,par commutation et des perforrnanc CEM (Comptabilité ElectroMagnétique) des convertisseurs statiques d'Electronique de Puissance lors de la phase de conception technologique, cette thèse est consacrée à l'élaboration d'un modèle précis de la cellule de commutation MOSFET-Diode pin. Dans ce~e étude trois aspects ayant d'importantes influences sur les formes d'ondes temporelles des commutations aussi biencle la partie puissance que celle de cornritande sont traitées: 1 i) Les interconnexions et des éléments parasites li~es à rimplantation géométrique et au choix de la technologie de réalisation des convertisseurs statiques ii) La dynamique des charges dans la base large des composants bipolaires semiconducteurs (ici la diode pin) qui est de nature distribuée Hi) Les capacités non-linéaires parasites de MOSFET et en particulier la capacité d'entrée et Miller intervenant lors de commutation Le modèle de cellule de commutation est validé en comparant les simulations effectuées avec les mesures sur le prototype réalisé à cette fin. Il a été montré que le domaine de validité du modèle est beaucoup plus large par rapport aux modèles existants:. le modèle est relativement robuste devant les changements des conditions de circuit environnant des composants semiconducteurs et les variations du point de fonctionnement. Des applications réelles présentées au dernier chapitre ont pour but de montrer d'une part l'importance de l'environnement parasite des semiconducteurs dans la modélisation, fme des convertisseurs statiques et d'autre part la possibilité de rendre compatible le modèle aux cas plus complexes (plusieurs interrupteurs en parallèle).

L'objectif de ces travaux de thèse est de réaliser une démarche d'optimisation des convertisseurs statiques la plus gênérale possible en s'appuyant sur des modèles analytiques et un environnement d'optimisation adéquat. Pour ce faire, nous avons choisi une structure flyback en absorption sinusoïdale comme un support significatif d'étude car elle regroupe la plupart des aspects qui intéressent le concepteur des convertisseurs statiques actuels (volume, pertes, compatibilité électromagnétique CEM, thermique ...). Ce processus d'optimisation réclame la mise en point de modèles capables de réaliser le compromis indispensable précision-rapidité de calcul. Ainsi, des modèles analytiques et des outils dédiés à I'optimisation ont été développés et intégrés dans une démarche d'optimisation sous contraintes. Les résultats de I'optimisation ont montré que I'optimum de la fonction objectif dépend à la fois des paramètres du convertisseur et des contraintes imposées. Les résultats de mesure viennent valider cette procédure d'optimisation.

Les éléments constituant la chaîne de traction sont le plus souvent dissociés et indépendants entre eux (pack de batteries, convertisseur de traction et moteur). L'utilisation des convertisseurs en cascade en tant que convertisseurs de traction a été le coeur de ces travaux de thèse. Les performances énergétiques des convertisseurs en cascade et de l'onduleur de tension classique ont été comparées sur un cycle de conduite normalisé pour différentes configurations sur les convertisseurs de puissance (niveaux de tension mis en jeu dans la chaîne de traction, variation du nombre d'onduleurs connectés en série pour les convertisseurs en cascade et variation du nombre de semi-conducteurs en parallèle pour réaliser la fonction des interrupteurs de puissance dans les convertisseurs). D'autres convertisseurs d'électronique de puissance sont nécessaires pour le bon fonctionnement d'un véhicule électrique. L'un de ces convertisseurs est le chargeur de batteries qui puise l'énergie du réseau électrique pour venir recharger les batteries du véhicule. Un autre est le système de monitoring des batteries qui permet d'assurer un équilibrage et un état de charge uniforme entre les différentes cellules qui composent le pack de batteries du véhicule. Dans une optique de mutualisation de fonction du convertisseur de puissance, les convertisseurs en cascade ont été étudiés pour assurer les fonctions de charge et d'équilibrage lorsque la traction du véhicule n'est pas utilisée.

L’objectif de cette étude est d’améliorer les performances des transformateurs piézoélectriques en terme de courant de sortie et de puissance pour des applications d’alimentation DC/DC, grâce à la gestion de l’échauffement. Le courant de sortie des transformateurs piézoélectriques, et donc la puissance transmise, sont directement liés à la vitesse de vibration qui pour des valeurs élevées engendre des pertes et une forte élévation de température. Cette élévation excessive de la température a comme conséquence le changement des caractéristiques du transformateur et plus particulièrement la diminution du facteur de qualité Q. Ainsi cela entraine une limite structurelle de la puissance transmise du transformateur. Une solution pour augmenter le courant de sortie est l’utilisation d’un redresseur doubleur de courant, qui grâce à 2 inductances permet, à courant de charge donné, de diminuer la vitesse de vibration du transformateur, mais ne permet pas de régler le problème d’échauffement du transformateur. Dans cette thèse nous proposons des moyens d’évacuation de la chaleur ainsi que le choix de l’environnement dans lequel le transformateur devra fonctionner. L’influence de différents systèmes de refroidissement d’un convertisseur DC/DC à base transformateur piézoélectrique est étudiée. L’étude thermique du transformateur piézoélectrique multicouche polarisé en épaisseur et ayant des électrodes circulaires met en évidence un comportement non linéaire. Une plaque vibrante piézoélectrique est d’abord envisagée pour créer un flux d’air qui augmente l’évacuation de chaleur par convection, puis un module de refroidissement utilisant l’effet thermoélectrique. Les mesures montrent que la première solution est plus avantageuse car elle améliore sensiblement les performances du transformateur pour un coût énergétique très faible. Une étude thermique par éléments finis complète cette étude, montrant que l’approche par schéma électrique est pertinente. La puissance que peut délivrer le transformateur sur une charge optimale est encore augmentée. Enfin, ce travail montre qu’en combinant les dispositifs de refroidissement tout en respectant la condition de température inférieure à 55°C, le rendement du convertisseur reste raisonnable (70%) et la puissance disponible peut doubler dans le meilleur des cas. / The objective of this study was to increase the output current and power in a piezoelectric transformer (PT) based DC/DC converter by adding a cooling system. It is known that the output current of PT is limited by temperature build-up because of losses especially when driving at high vibration velocity. Excessive temperature rise will decrease the quality factor Q of piezoelectric component during the operational process. Simultaneously the vibration energy cannot be increased even if under higher excitation voltage. Although connecting different inductive circuits at the PT secondary terminal can increase the output current, the root cause of temperature build-up problem is not solved.This dissertation presents the heat transfer technology to deal with the temperature build-up problem. With the heat transfer technology, the threshold vibration velocity of PT can be increased and thus the output current and output power (almost three times).Furthermore, a comparison between heat transfer technology and current-doubler rectifier applied to the piezoelectric transformer based DC/DC converter was also studied. The advantages and disadvantages of the proposed technique were investigated. A theoretical-phenomenological model was developed to explain the relationship between the losses and the temperature rise. It will be shown that the vibration velocity as well as the heat generation increases the losses. In our design, the maximum output current capacity can increase 100% when the operating condition of PT temperature is kept below 55°C. The study comprises of a theoretical part and experimental proof-of-concept demonstration of the proposed design method.

Les commutations au sein des convertisseurs statiques, base même du transfert d'énergie sont à l'origine des perturbations électromagnétiques. En effet des fronts raides engendrent des signaux en mode commun qui excitent les câblages, les structures métalliques ou encore les composants passifs. Ces éléments, de par leurs dimensions importantes jouent alors le rôle d'antennes émettrices rayonnant l'énergie perturbatrice dans l'environnement immédiat du produit et susceptible de produire des dysfonctionnements au sein d'autres équipements. L'objet de cette travail de thèse est de quantifier et de modéliser les différentes sources d'énergie en fonction de leur intensité vis-à-vis d'une gamme de fréquences donnée dans un premier temps, puis dans un second temps de montrer que des actions astucieuses et peu onéreuses notamment sur les câblages ou les routage astucieux peuvent permettre de diminuer grandement les perturbations engendrées par l'écoulement des courants de mode commun en mode conduit mais surtout en mode rayonné. L'impact des blindages est aussi étudié en tout dernier ressort quand l'effort de réduction à la base n'est pas suffisant compte tenu des contraintes technologiques.

Avec l'apparition des systèmes PV en toiture et des véhicules électriques, le nouveau contexte énergétique au sein du bâtiment pose, sous un nouvel angle, la question de la distribution en courant continu au sein des bâtiments. Mais comment évaluer objectivement l'intérêt d'un réseau DC ? Dans un contexte où l'énergie et les impacts environnementaux prennent chaque jour plus d'importance, la quantification des performances d'un tel système selon sa seule phase d'usage ne répond pas complètement à la question son impact global. C'est pourquoi nous proposons d'aborder la question via l'éco-dimensionnement des composants constituant ce système. Pour simplifier un problème fondamentalement complexe (multi-critères), nous avons choisi d'effectuer ces dimensionnements sur la base de la minimisation de leur consommation d'énergie primaire sur l'ensemble de leur cycle de vie (pertes + énergie grise = Gross Energy Requirement GER). L'un des objectifs étant d'apporter à la fois une méthodologie mais aussi les premiers éléments qui permettront de déterminer un optimum du niveau de tension d'une distribution en courant continu dans les bâtiments.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne le prototypage virtuel 3D des composants électromagnétiques d’électronique de puissance, par la technique des éléments finis. La démarche correspond à la volonté de disposer d’outils de simulation multiphysiques 3D toujours plusperformants, notamment dans le contexte de l’intégration en électronique de puissance. Il s’agit de mettre au point des méthodes et desprocédures adaptées à la caractérisation d’inductances, de transformateurs ou de coupleurs multiphasés haute fréquence, dans unenvironnement de conversion statique, avec des formes d’onde de tension et de courant non sinusoïdales. Cela nécessite de connaître le comportement harmonique des composants électromagnétiques sur une large gamme de fréquence, et de tenir compte des spécificités de réalisation comme l’utilisation de bobinages en technologie feuillard ou planar et de noyaux magnétiques en matériaux ferrite. Dans le premier chapitre de ce mémoire, une analyse des limitations actuelles des modèles analytiques et numériques des composants magnétiques HF en électronique de puissance est faite afin de définir les besoins les plus importants qui seront par la suite abordés. Dans cette optique, le choix de la plateforme ouverte de simulation multiphysique en 3D, par éléments finis, COMSOL Multiphysics, a été fait. En effet, l’objectif ici n’est pas de développer un nouveau code de calcul mais de mettre au point un outil de simulation adapté aux problématiques rencontrées en électronique de puissance. Le deuxième chapitre aborde le point très important de la détermination des pertes cuivre HF en tenant compte des effets fréquentiels tels que les effets de peau et de proximité. La problématique des bobinages feuillards ou planars est résolue par l’utilisation d’éléments coques spécifiques. Le troisième chapitre traite de la détermination despertes fer, à haut niveau d’excitation et pour des formes d’onde de champ non sinusoïdales. Sur la base d’abaques de densités de pertesfournies par les constructeurs de matériaux, deux méthodes de calcul sont proposées, l’une en cours de traitement et l’autre en posttraitement. La prise en compte de la non-linéarité est analysée ainsi que la problématique de l’existence localisée de champs tournants. Le quatrième chapitre aborde l’extraction virtuelle des paramètres électriques des composants électromagnétiques multiphasés et la définition de matrices d’impédances (inductances et résistances propres et mutuelles), en fonction de la fréquence. A l’exception des pertes fer non prise en compte ici, cette formalisation permet de traduire finement le comportement harmonique large bande des composants multiphasés. Finalement, le cinquième chapitre propose trois exemples d’utilisation de ce nouvel outil. Le premier exemple aborde ledimensionnement optimal et la caractérisation virtuelle d’un coupleur triphasé de forte puissance. Le deuxième exemple montre l’intérêt dela modélisation harmonique sous la forme de matrices impédances pour simuler le comportement d’un coupleur hexaphasé in-situ dans unconvertisseur de puissance. Enfin le troisième exemple montre la possibilité de lancer des campagnes d’études paramétriques automatisées pour étudier l’évolution d’un ou plusieurs paramètres dimensionnant afin de calculer des tables de réponses d’aide au dimensionnement. / The work presented in this thesis deals with the 3D virtual prototyping of electromagnetic components used in power electronics thanks to the finite element method. The approachfollows the desire to have an always more and more powerfull 3D multiphysics simulation tools, especially in the context of power electronics integration. It consists indeveloping adapted methods and procedures to characterize inductors, transformers or multiphase highfrequency InterCell Transformers (ICT), in a static conversion environment, in which voltage and current waveforms are non-sinusoidal. This requires the knowledge of the harmonic behavior of electromagnetic components over a wide frequencyrange, and to take into account the realization specificities such as the use of foil or planar windings technology and the use of ferrite magnetic cores. In the first chapter of this thesis, an analysis of today's analytical and numerical models limitations of HF power electronics magnetic components is made in order to identify the most important needs that will be addressed later. In this context, the choice of the open platform for multiphysics simulation in 3D finite element, COMSOL Multiphysics, has been done. Indeed, the aim here is not to develop a new calculation code but to offer an appropriate simulation tool to face the problems encountered in power electronics. The second chapter broaches the very important issue of determining the HF copper losses by taking into account frequency phenonema such as skin and proximity effects. The problem of foils planar windings is resolved by the use of specific shell elements. The third chapter concerns the determination of iron losses under high level supply and non-sinusoidal waveforms. Based on losses densities charts provided by the materials manufacturers, we propose two calculation methods: one in ongoing-processing and another in post-processing. The consideration of the nonlinearity is analyzed and the problem of the existence of localized rotating fields. The fourth chapter discusses the virtual extraction of the electrical parameters of multiphase electromagnetic components and the definition of frequency depedant impedance matrices (self and mutual inductances and resistances). Except for iron losses that are not taken int account here, this formalization can fine translate the broadband harmonic behavior of multiphase components. Finally, the fifth chapter presents three examples of practical application of this new tool. The first example discusses the optimal design and virtual characterization of a high power three-phased ICT. The second example shows the interest of modeling harmonic impedances in the form of matrices to simulate the behavior of a six-phased ICT in situ in a power converter. Finally, the third example shows the ability to run automated parametric study campaigns to study the evolution ofone or more sizing parameters to calculate response tables to help the designing.

Dans nos travaux, nous nous intéressons à la commande des convertisseurs statiques à grand nombre d'interrupteurs. Le développement des topologies multi-niveaux multi-bras a ouvert l'accès aux domaines de la forte puissance et de la haute qualité harmonique. Outre cette montée en puissance, la commande spéciale de ces dispositifs permet de conférer au convertisseur des fonctionnalités avancées de plus en plus nécessaires, comme la possibilité de filtrage actif des harmoniques, la tolérance aux pannes, la gestion du réactif, les liaisons HVDC, etc. Toutefois, un plus grand nombre d'interrupteurs au sein d'une même structure de conversion se traduit par une forte croissance du nombre de variables de commande, des degrés de liberté et par une explosion combinatoire du nombre de configurations possibles. La synthèse de lois de commande suivant les approches traditionnellement conçues pour les topologies classiques, comme les méthodes de modulation vectorielle fondées sur la représentation géométrique du convertisseur, en devient rapidement fastidieuse pour les nouvelles topologies plus complexes. De plus, les interrupteurs présents en surnombre apportent des redondances fortes qui ne sont pas nécessairement exploitées, ou du moins arbitrairement. Nous proposons une nouvelle approche de commande qui se veut moins dépendante du nombre d'interrupteurs, et qui s'affranchit des limitations induites par les méthodes de modulation géométrique. Notre approche consiste dans un premier temps à formuler de manière algébrique des problèmes de commande qui sont généralement sous-déterminés, témoignant de la présence de redondances ou degrés de liberté, et contraints, car tenant compte des limitations propres aux rapports cycliques. De manière intéressante, ces problèmes offrent une similarité avec les problèmes dits d'allocation de commande rencontrés en aéronautique, en marine ou en robotique. Dans un second temps, dans le but de fournir à chaque période de découpage une solution de commande unique et optimisée, nous concevons de nouvelles méthodes d'allocation pour les convertisseurs statiques fondées sur l'optimisation numérique en ligne à partir de techniques d'optimisation linéaire. En conséquence, les rapports cycliques sont automatiquement optimisés pour satisfaire aux références de tension tout en respectant les saturations et en exploitant les redondances disponibles selon l'état actuel du convertisseur. Nous mettons en lumière les propriétés naturellement offertes par nos méthodes. Notamment, toutes nos solutions de modulation étendent de manière maximale la zone de linéarité du convertisseur. Nous proposons des méthodes d'allocation pour la commande en tension ou en courant de topologies variées : l'onduleur quatre bras deux niveaux, l'onduleur multicellulaire à condensateurs flottants, l'onduleur modulaire multi-niveaux. Concernant les convertisseurs multicellulaires, nos méthodes d'allocation utilisent automatiquement les degrés de liberté disponible pour fournir un équilibrage actif très rapide des tensions de condensateurs flottants. Aussi, grâce à la formulation algébrique des contraintes de commande, nos algorithmes peuvent prendre en compte un défaut sur un interrupteur pour conférer au convertisseur une propriété de tolérance aux fautes du point de vue de la commande. / In our works, we are interested in control of high-switch-count power converters. The development of multileg, multilevel converters has opened the access to high power and high harmonic quality. The special control of these devices brings to the converter advanced abilities that are more and more requested nowadays, like active harmonic filtering, fault tolerance, active and reactive power transfer, High Voltage Direct Current (HVDC) links, etc. However, a higher number of switches in a conversion structure leads to a higher number of control variables, as well as more redundancies and a combinatorial explosion of the number of possible configurations. The development of control laws resulting from approaches traditionally designed for classical topologies, as for space vector modulation methods, becomes harder for new, much complex topologies. Moreover, the too many available switches bring strong control redundancies that are not necessarily exploited, at least arbitrarily. We propose a new control approach that is expected to be less dependent on the number of switches, and that does not suffer from limitations proper to geometrical modulation methods. Firstly, our approach consists in the algebraic formulation of control problems that are generally under-determined, highlighting the presence of redundancies and degrees of freedom, and constrained, because control limitations are taken into account. Interestingly, a connection can be highlighted to the so-called control allocation problem in flight control, robotics, or marine applications. Secondly, in order to compute a unique and optimized control solution at each switching period, we develop new control allocation methods for power converters based on on-line numerical optimization using linear programming techniques. Consequently, duty cycles are automatically optimized to satisfy voltage references while respecting saturations and exploiting available redundancies depending on the state of the converter. We highlight the properties naturally offered by our methods. In particular, all modulation solutions yield a maximized extension of the linearity range of the converter. We propose control allocation methods for the voltage or current control of many topologies: the four-leg two-level inverter, the multicellular flying capacitor inverter, the modular multilevel inverter.

Avec l’apparition des systèmes PV en toiture et des véhicules électriques, le nouveau contexte énergétique au sein du bâtiment pose, sous un nouvel angle, la question de la distribution en courant continu au sein des bâtiments. Mais comment évaluer objectivement l’intérêt d’un réseau DC ? Dans un contexte où l’énergie et les impacts environnementaux prennent chaque jour plus d’importance, la quantification des performances d’un tel système selon sa seule phase d’usage ne répond pas complètement à la question son impact global. C’est pourquoi nous proposons d’aborder la question via l’éco-dimensionnement des composants constituant ce système. Pour simplifier un problème fondamentalement complexe (multi-critères), nous avons choisi d’effectuer ces dimensionnements sur la base de la minimisation de leur consommation d’énergie primaire sur l’ensemble de leur cycle de vie (pertes + énergie grise = Gross Energy Requirement GER). L’un des objectifs étant d’apporter à la fois une méthodologie mais aussi les premiers éléments qui permettront de déterminer un optimum du niveau de tension d’une distribution en courant continu dans les bâtiments. / Since the development of roof PV systems and electric vehicles, the use of DC distribution for building has to be explored. However, an objective criterion has to be used to evaluate the interest of such distribution. While energy consumption and environmental impact criteria gain in importance, the performance quantification of such system over the use phase is not sufficient to illustrate its whole impact. That’s why we propose to tackle this evaluation through the eco-sizing of distribution component. In order to simplify this complex problem, based on a multi-criterion approach, we propose to size the components based on the minimization of their primary energy consumption over their entire life cycle. The resulting Gross Energy Requirement GER includes the embodied energy and the losses during the use phase. The objectives are to propose a methodology to determine the optimal voltage level for the building DC distribution, and also to illustrate the proposed approach from case studies. This methodology is applied on wiring and DC/DC converters.