Les contrôleurs industriels font l’objet de changements de paramètres, de modifications, d’améliorations en permanence. Ils subissent les évolutions technologiques aussi bien matérielles que logicielles (librairies, système d’exploitation, loi de commande...). Malgré ces contraintes, ces contrôleurs doivent obligatoirement assurer toutes les fonctionnalités recouvrant le séquentiel, les protections, l’interface homme machine et la stabilité du système à contrôler. Ces fonctionnalités doivent être couvertes pour une large gamme d’applications. Chaque modification (matérielle ou logicielle) quoique mineure est risquée. Le debogage, l’analyse et la programmation sur site sont énormément coûteux surtout pour des sites de type offshore ou marine. Les conditions de travail sont difficiles et les tests sont réduits au strict minimum. Cette thèse propose deux niveaux de validation en plateforme d’expérimentation : un niveau de validation algorithmique que l’on appelle Validation par Interface Logicielle (VIL) traitée au chapitre 2 ; un niveau de validation physique que l’on appelle Validation par Interface Matérielle (VIM) traitée au chapitre 3. La VIL valide uniquement l’aspect algorithme, la loi de commande et la conformité des références au niveau calcul sans prendre en compte les signaux de commande physiques et les signaux de retour gérés par l’Unité de Gestion des Entrées/Sorties (UGES). Un exemple de validation d’un contrôleur industriel d’un ensemble convertisseur trois niveaux et machine asynchrone est traité dans le deuxième chapitre avec une modélisation particulièrement adaptée à la VIL. Le dernier chapitre traite la VIM sur différentes bases matérielles (Field Programmable Gate Array (FPGA), processeurs). Cette validation prend en compte l’aspect algorithme et les signaux de commande physique ainsi que les signaux de retour. On y présente plusieurs approches de modélisation, choisies selon la base matérielle d’implémentation du simulateur temps réel. Ces travaux ont contribué aujourd’hui à au processus de validation des contrôleurs dédiés aux applications Oil and Gaz et Marine de General Electric - Power Conversion © (GE-PC) / Industrial controllers are always subjected to parameters change, modifications and permanent improvements. They have to follow off-the-shelf technologies as well as hardware than software (libraries, operating system, control regulations ...). Apart from these primary necessities, additional aspects concerning the system operation that includes sequential, protections, human machine interface and system stability have to be implemented and interfaced correctly. In addition, these functions should be generically structured to be used in common for wide range of applications. All modifications (hardware or software) even slight ones are risky. In the absence of a prior validation system, these modifications are potentially a source of system instability or damage. On-site debugging and modification are not only extremely expensive but can be highly risky, cumulate expenditure and reduce productivity. This concerns all major industrial applications, Oil & Gas installations and Marine applications. Working conditions are difficult and the amount of tests that can be done is strictly limited to the mandatory ones. This thesis proposes two levels of industrial controller validation which can be done in experimental test platform : an algorithm validation level called Software In the Loop (SIL) treated in the second chapter ; a physical hardware validation called Hardware In the Loop (HIL) treated in the third chapter. The SIL validates only the control algorithm, the control law and the computed references without taking into account neither the actual physical commands nor the physical input feedbacks managed by the Input/Output boards. SIL validation of the system where industrial asynchronous motor is fed and regulated by a three level Variable Speed Drive with a three level voltage source converter is treated in the second chapter with a particular modeling approach adapted to such validation. The last chapter presents the HIL validation with various hardware implementations (Field Programmable Gate Array (FPGA), processors). Such validation checks both the control algorithm and the actual physical Input/Output signals generated by the dedicated boards. Each time, the modeling approach is chosen according to the hardware implementation. Currently this work has contributed to the system validation used by General Electric - Power Conversion © (GE-PC) as part of their validation phase that is mandatory for Oil & Gas projects and Marine applications

La variation de vitesse des machines électriques est une application très porteuse de l’électronique de puissance. La solution de conversion la plus répandue consiste à connecter en cascade deux convertisseurs statiques et d’effectuer une double conversion (AC/DC/AC). Une autre solution, faiblement répandue dans l’industrie, effectue une conversion directe AC/AC. Ce mémoire effectue une synthèse sur les solutions de conversion directe ainsi que sur les stratégies de modulation des convertisseurs matriciels et matriciels « double étage » dans le but de piloter des machines électriques triphasées à partir d’un réseau alternatif triphasé. Cette synthèse a permis de développer une modulation scalaire généralisée, associée à un modulateur par porteuse, équivalente à la modulation vectorielle et applicable aux différents convertisseurs matriciels. Les modulations, à nombre de commutation réduit par période de découpage, ont été approfondies. Cette généralisation a permis de mettre en évidence une solution réduisant les pertes et améliorant le comportement électromagnétique du dispositif comparativement aux modulations traditionnellement utilisées. La présentation des contraintes réelles (commande rapprochée des interrupteurs, Les protections ainsi que le filtrage) est abordée et a été utilisée pour développer une maquette laboratoire. Les stratégies de modulation ont été implantées expérimentalement et valident l’étude théorique. Enfin, un fonctionnement direct à la fréquence réseau, sans modulation donc à faibles pertes, est proposé. Un fonctionnement particulier est introduit, permettant d’effectuer le transitoire du mode modulé classique au fonctionnement direct non modulé / In the power electronics field, the adjustable speed drives is a growing application for electric motors control. The most common conversion solution is to connect in series two static converters and perform a double conversion (AC/DC/AC). Another solution, hardly proposed by industry, uses a direct AC/AC conversion. This thesis aims to make a direct conversion solutions and matrix converters and ‘‘two stage’’ matrix converters modulation strategies synthesis for the purpose to control three-phase electric motor with a three phase input network. This synthesis has developed a generalized scalar modulation, combined with a carrier wave modulator, equivalent to the space vector modulation and applied to matrix converters and the ‘‘two stage’’ matrix converters. Some attention has been done to reduced the switching number during the modulation period. The generalization allows to propose a modified modulation which reduces the losses and improves the electromagnetic performance compared to the traditional modulations used for these kind of converters. The practical constraint (switches control, protection system and filtering) are discussed and has been used to develop a laboratory prototype. The modulations strategies have been implemented experimentally and validate the theoretical study. Finally, a direct function mode with an equal frequency between the input and output network is proposed, without modulation and therefore low losses. In the last part, a particular operation mode is then introduced, permitting the transient operation between the modulated conventional mode to the direct mode without modulation

Ce travail de thèse s’inscrit dans la démarche engagée depuis quelques années et concernant l’intégration monolithique en électronique de puissance avec pour objectif de faire émerger une nouvelle structure de bras d’onduleur plus compacte, plus fiable et plus performante. En s'appuyant sur des technologies à base de transistors « complémentaires » sur substrat N et P, la nouvelle structure étudiée présente de nombreux avantages vis-à-vis de la CEM conduite, de la simplification de commande rapprochée et de la mis en œuvre. Ces aspects sont abordés et validés de manières "théoriques" et expérimentales. Le point pénalisant concernant le rendement de la structure par l’introduction du transistor sur substrat P est également analysé et de nouvelles topologies sont proposées afin d’améliorer cette limitation. Des techniques d’alimentation pour la commande bipolaire offrant un niveau maximal intégration sont ainsi développées. / The work presented in this Phd manuscript was targeted to the monolithic integration of the generic power stage of static converters with the goal of bringing out a new inverter leg structure. It is based on "complementary" transistors, N and P types, and it presents several advantages regarding the conducted EMC reduction, the simplification of the gate driver and its implementation. These aspects are studied and validated thanks to experimental results. The drawback concerning the lack of performance due to the introduction of the P type transistor is also analyzed. Several evolutions are proposed to improve the structure’s efficiency while maintaining the obtained advantages at their highest levels. Finally, bipolar gate driver supply techniques, offering high integration levels, are also developed.

L’électricité prend une place de plus en plus importante dans les systèmes énergétiques embarqués. L’électricité est une forme d’énergie très malléable, facile à transporter et réglable ou transformable avec un très faible taux de pertes. L’énergie électrique, associée à des convertisseurs statiques, est plus facile à maîtriser que, par exemple, l’énergie hydraulique et/ou pneumatique, permettant un réglage plus fin et une réduction des coûts de maintenance. L’évolution de la puissance dans les modèles avioniques est marquante. Avec le nombre croissant de charges électroniques, un avion plus électrique avec un réseau à courant alternatif inclurait un grand nombre de redresseurs AC/DC qui devront respecter les normes de qualité secteur. Une solution pour la réduction de la masse serait de préférer un réseau HVDC (High Voltage DC Bus). Sur les futurs modèles avioniques plus électriques, les concepteurs envisageront des conversions HVDC/DC à partir de l’unité appelée BBCU (Buck Boost Converter Unit). Dans ce cas d’étude, un réseau de distribution en tension continue (±270Vdc) est connecté à un réseau de sécurité basse tension (28Vdc) avec un échange bidirectionnel de puissance pouvant atteindre 10kW. Le convertisseur statique assurant cette liaison représente de nouveaux défis pour l’électronique de puissance en termes de fiabilité, sûreté, détection de panne, rendement et réduction de masse et de coût. Le dimensionnement du convertisseur doit prendre en compte une conception optimale, en aéronautique ce critère est la masse. Dans le processus de dimensionnement et d’optimisation du convertisseur, il est donc impératif de prendre en compte trois facteurs principaux : 1) l’évolution des topologies de conversion, 2) l’évolution des composants actifs et passifs et 3) l’intégration de puissance. La réunion de ces trois facteurs permettra ainsi la miniaturisation des convertisseurs statiques. Dans un premier temps, nous préciserons la démarche adoptée pour le dimensionnement d’un convertisseur en prenant en compte : les topologies actives, les filtres différentiels et le système de refroidissement. Les différents éléments qui composent le convertisseur sont décrits dans un langage informatique orienté objet. Des facteurs de performances seront également introduits afin de faciliter le choix des semi-conducteurs, des condensateurs et du dissipateur pour un convertisseur statique. Dans un deuxième temps, nous présenterons le fonctionnement d’une topologie multicellulaire DC/DC, isolée pour l’application proposée. Nous présenterons les avantages du couplage de différentes phases de ce convertisseur. Nous introduirons les différentes associations des cellules et leurs avantages, possibles grâce à l’isolement, comme la mise en série et en parallèle. Puisque la caractérisation des pertes des semi-conducteurs est essentielle pour le dimensionnement du convertisseur statique, nous proposerons deux approches : un modèle de simulation relativement simple et paramétré à l’aide de seules notices constructeurs ; et une méthode de mesure des pertes dans les semi-conducteurs qui est à la fois précise et compatible avec les composants les plus rapides. En ce qui concerne les composants magnétiques, une surface de réponse des matériaux ferrites sera présentée. Nous allons décrire, par le biais analytique et de simulation, des modèles pour la détermination du champ magnétique à l’intérieur du noyau et des ondulations de courant engendrés. Finalement, en profitant des modèles et des résultats obtenus dans les sections précédentes, nous montrerons le dimensionnement et la réalisation de chaque partie du convertisseur BBCU 100kHz / 10kW. Une perspective d’un design idéal est également présentée. / The electricity is taking a more important place in the embedded systems. The electricity is a very moldable form of energy, easy to transport and adjustable or transformed with a very low losses. The electrical energy, associated with power converters, is easier to control than hydraulic and/or pneumatic energies for example, allowing a finer regulation and a cost cutting of maintenance. The installed power in the avionic models is growing fast. With the increasing number of electronic loads, a more electrical aircraft with an AC network would include a large number of rectifiers AC/DC which will have to respect the quality standards. A solution for the reduction of the mass would be to prefer a HVDC network (High Voltage DC BUS). On the future more electrical aircrafts, the designers will be facing a HVDC/DC power conversion. This is the role of the unit called BBCU (Buck Boost Converter Unit). In our case of study, a distribution network in DC voltage (± 270Vdc) is connected to a security low-voltage network (28Vdc) which includes a bidirectional power exchanges achieving 10kW. The power converter for this connection gives new challenges for the power electronics in terms of reliability, safety, failure detection, efficiency and reduction of mass and cost. The design of the power converter needs to take into account for an optimal design. It is thus imperative to take into account three main factors: 1) the evolution of the power topologies 2) the evolution of the active and passive devices and 3) the power integration. The meeting of these three factors will allow the miniaturization of the power converters. At first, the adopted approach for designing power converters, taking into account the power topology, the differential filters and the cooling system are presented. The various elements which compose the power converter are described in an Object-Oriented Programming. The performance factors will be introduced to facilitate the choice of semiconductors, capacitors and heat-sinks. Secondly, the operation phases of a multicellular isolated DC/DC topology for the proposed application are presented. A discussion of the advantages of the magnetic coupling is also introduced. Thanks to the isolation, different associations of switching cells, series or/and parallel connection, are possible. Knowing the losses of power semiconductors is an essential step to design a power converter, thus two approaches are proposed: 1) a simulation model using a relatively simple model with the datasheets information; and 2) a losses measurement method which is precise and compatible with the fastest devices. As regards the magnetic components, a response surface of ferrite materials will be presented. Some models for the determination of the magnetic field inside the core and the current ripple are also described. Finally, by taking advantage of models and results obtained in the previous sections, the design and the realization of each party of the BBCU power converter 100kHz / 10kW is showed. A perspective of an ideal design is also presented.