Dans l’industrie aéronautique, tant au niveau des constructeurs que des équipementiers, les actionneurs électriques sont de plus en plus utilisés. De ce fait, l’apparition de convertisseurs de puissance à découpage basés sur les nouveaux composants à grand gap en carbure de silicium (MOSFET, JFET état on ou off) engendre de plus en plus des perturbations électriques conduites (BF et HF) et rayonnées (HF) au sein des systèmes, ils sont de plus sources de pertes. L’objectif de cette thèse est donc de mettre en place une approche de modélisation des différents éléments d’un convertisseur DC-DC qui puisse servir à mettre en œuvre un processus d’optimisation afin que soit pris en compte dès la phase de conception les contraintes liées à la CEM et à la thermique. Dans un premier temps, une étude de la physique des semi-conducteurs et en particulier celle du carbure de silicium (SiC) a été réalisée afin de développer une approche de modélisation des MOSFET et diode de puissance SiC adaptée à ces composants. Les modèles ainsi développés sont des modèles fins qui prennent en compte les effets liés à la thermique. Ces modèles ont donc dans un premier temps servi à la réalisation de simulations afin d’évaluer tant sur le plan thermique qu’électromagnétique, la validité de l’approche de modélisation. Par la suite afin de prendre en compte les contraintes CEM et thermique dès la phase de conception, une approche de dimensionnement par optimisation a été mise en œuvre. A cause de sa rapidité d’exécution, le choix a été porté sur un algorithme d’optimisation déterministe. Ce choix a donc imposé le développement préalable de modèles de dimensionnent et d’optimisation analytiques. L’ensemble de ces modèles a été utilisé dans l’environnement logiciel d’optimisation CADES et des résultats concernant les masses optimales de convertisseur pour différentes fréquences de commutation ont été obtenus. L’analyse des résultats d’optimisation a permis dans la dernière partie de se rendre compte que si l’évolution de la masse du dissipateur en fonction de la fréquence de commutation est semblable à ce que l’on peut prédire (l’augmentation de la fréquence de commutation entraîne l’augmentation des pertes et donc l’augmentation de la masse du dissipateur), celle des passifs et du filtre CEM ne peut être facilement anticipée. Il existe une compétition entre la masse du filtre et celle des passifs, car en effet une fréquence de commutation élevée suppose en première approximation des éléments passifs de lissage moins importants, mais des problèmes CEM beaucoup plus importants. Pour compléter les études menées l’approche préalablement mise en œuvre pour des composants SiC a été transposée à des composants silicium pour des besoins de comparaison. / In the aeronautics industry, both manufacturers and OEMs, electric actuators are increasingly used. As a result, the appearance of switching power converters based on new large-gap silicon carbide components (MOSFET, JFET state on or off) increasingly generates electrical (LF and HF) and radiated perturbations (HF) within the systems, they are also sources of losses.The objective of this thesis is therefore to set up a modeling approach for the various elements of a DC-DC converter that can be used to implement an optimization process so that the design phase is taken into account constraints related to EMC and thermal.First, a study of the physics of semiconductors and in particular that of silicon carbide (SiC) was carried out in order to develop a modeling approach of the MOSFET and SiC power diode adapted to these components. The models thus developed are fine models that take into account the effects related to thermal. These models were therefore used initially to perform simulations in order to evaluate both thermally and electromagnetically the validity of the modeling approach.Subsequently, in order to take into account the EMC and thermal constraints from the design phase, an optimization dimensioning approach was implemented. Because of their speed of execution, the choice was made on a deterministic optimization algorithm. This choice therefore imposed the prior development of models of analytical dimensioning and optimization. All of these models have been used in the CADES optimization software environment and results regarding optimal converter masses for different switching frequencies have been obtained.Analysis of the optimization results in the last part of the study revealed that if the evolution of the dissipator mass as a function of the switching frequency is similar to what can be predicted the switching frequency causes the losses to increase and therefore the dissipator mass increases), that of the passive and the EMC filter can not be easily anticipated. There is a competition between the mass of the filter and that of the passive, since a high switching frequency presupposes, as a first approximation, the passive elements of lesser smoothing, but EMC problems are much greater.To complete the studies carried out, the previously implemented approach for SiC components has been transposed to silicon components for comparison purposes.

L'amélioration de la compacité et du rendement des convertisseurs à découpage est une problématique centrale en électronique de puissance; elle l'est encore plus à bord des satellites où chaque gramme et chaque watt comptent. Chacun des nombreux émetteurs et récepteurs radiofréquence qui équipent les satellites de télécommunication a besoin d'être alimenté par diverses tensions, converties de façon isolée à partir du bus principal de distribution de puissance. En raison des lourdes contraintes thermiques, de fiabilité et de résistance aux radiations qui pèsent sur les composants électroniques dans les applications spatiales, les degrés de liberté pour améliorer les alimentations sont restreints, en tout cas avec les technologies actuelles de semiconducteurs qualifiés (couteuses et très en retrait des performances de l'état de l'art). La commercialisation assez récente de transistors de puissance en nitrure de gallium (GaN) à canal normalement bloqué, présentant des caractéristiques électriques supérieures à celles des meilleurs MOSFET de puissance en silicium, est prometteuse sur ce point. En effet leur robustesse intrinsèque aux radiations semble permettre leur emploi dans des convertisseurs spatiaux. Le but de ce travail est l'évaluation des apports possibles de cette technologie dans la réalisation d'alimentations DC/DC isolées pour des équipements typiques des charges utiles des satellites de télécommunication. Le fonctionnement à des fréquences de découpage plus élevées avec ces composants plus performants doit, au premier abord, réduire l'encombrement des convertisseurs à rendement égal (voire meilleur) tout en continuant à respecter le cahier des charges spécifique à chaque application. La pertinence de cette hypothèse et l'architecture de mise en œuvre la plus adéquate ont été explorées pour l'alimentation faible puissance d'un récepteur RF, avec réalisation et comparaison de plusieurs maquettes de démonstration. Afin d'aborder des convertisseurs de plus fortes puissances, une étude théorique et expérimentale des pertes par commutation dans les jambes de pont de transistors GaN a été menée. Un programme de calcul de performances a été développé en Python et mis en œuvre pour identifier l'optimum global du dimensionnement d'un convertisseur Dual Active Bridge destiné à l'alimentation d'un amplificateur RF de puissance (250 W DC). Une maquette prototype a été réalisée et a démontré l'intérêt de la topologie et des composants GaN dans cette application, tout en mettant en évidence la prédominance des pertes haute fréquence des composants magnétiques parmi les pertes totales du convertisseur. Ce dernier point s'avère finalement être la principale limitation de l'approche, précieuse pour l'ingénierie, de dimensionnement optimal par le calcul : les modèles actuellement existants d'estimation des pertes dans les éléments magnétiques se révèlent insatisfaisants pour prédire les performances de ce type de convertisseur. / Improving the compactness and efficiency of switching converters is a central issue in power electronics; even more so in satellites where every gram and every watt counts. Each of the many radio-frequency emitters and receivers onboard telecommunications satellites need to be powered by various voltages, converted in an isolated way from the main power distribution bus. Due to the strong thermal, reliability and radiation hardness constraints applying to electronic components in space applications, available degrees of freedom for improvement of power supplies are limited - at least with current qualified semiconductor technologies (which are both expensive and far behind state-of-the-art performance). The recent commercialization of gallium nitride (GaN) normally-off power transistors, having superior electrical characteristics compared to the best silicon power MOSFET, is promising on that regard. Indeed, their intrinsic radiation hardness seems to allow their use in space-grade converters. The aim of this work is the evaluation of how this technology can help improve the design of isolated DC/DC power supplies for typical hardware units of telecommunications satellite payloads. Operation at higher switching frequencies with these better performing components should, in principle, reduce converters' footprint while keeping the same (or better) efficiency level and still obeying each application's specific requirements. The accuracy of this hypothesis as well as the most adequate implementation architecture have been explored for the low power supply of a RF receiver, including realization and comparison of several demonstration boards. In order to approach higher power converters, a theoretical and experiment study of switching losses in GaN transistor bridge legs has been performed. A performance computation software has been developed in Python and used to identify the global optimum of the design of a Dual Active Bridge converter for a power RF amplifier (250 W DC). A prototype board has been built and demonstrated the interest of both the topology and GaN devices in this application, while clearly showing that high-frequency losses in magnetic components dominate total converter loss. This last issue happens to be the main limitation of the approach - precious to the engineer - of optimum design by computation: currently existing models for power loss estimation in magnetic elements are not satisfactory to predict performances of this type of converter.

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Electrofishing, which is widely used for fish collection, is a procedure that is often followed by handling and air exposure before the fish are released. Although the consequences of electrofishing are not fully known, some studies suggest that physical damage such as skeletal injury and mortality can result. Physiological disturbances resulting from stimulation of the stress axis and impaired ventilation have also been reported following electroshock. In the present study, rainbow trout treated with pulsed DC electroshock, in fact, showed no evidence of direct mortality, and skeletal damage was only induced under the most severe conditions. Physiological disturbances in the absence of physical damage consisted of a lactacidosis and stimulation of the stress response. The lactacidosis was likely induced by tetany during immobilization and impaired ventilation during immobilization and early recovery. These disturbances, which persisted for at least 4h, were greater than those reported following DC electrofishing. They were, in fact, similar in magnitude and duration to 2-3 min bout of exhaustive exercise. Swim performance following pulsed DC electroshock was also impaired for at least 1 h. If fish were air exposed immediately following pulsed DC electroshock the stress response and lactacidosis tended to be more severe and swim performance was further impaired. / Thesis / Master of Science (MSc)

Concerns of the impact of greenhouse gasses (GHG) are leading heavy industry users to explore energy reduction strategies such as the conservation of electricity use in ventilated machines by the use of variable-cooling systems. For these strategies to be implemented, a thermal model of the system is required. This study focuses on the thermal modelling of through-ventilated, industrial, electric machines that employ a variable-cooling strategy, using only on-line data collected during regular machine operation. Two empirical thermal models were developed: a first-order model, and a second-order model which was extended from the first-order based on its performance. By means of an energy-balance, the first-order model was able to define an estimation of the motor temperature based on only a single variable, and thus was able to be fit directly to complete process-cycle data to determine the parameter. Over the 18 process-cycle samples, this parameter was found to vary by as much as $\pm$10\%, therefore, when a generalized model was proposed using the median value of the parameter, the maximum error seen over the process cycles was 9.0 $^{\circ}C$, with a maximum average error over a process-cycle of 4.2 $^{\circ}C$. An effort was made to determine the effects of reduced cooling on the model by performing reduced-cooling experiments during machine cool-downs, however the thermal-time constant, which directly relates the heat-transfer rate to the system capacitance, was found to vary by as much as 47\%, suggesting that the system's capacitance was changing, and that the first-order model was not accurate enough to distil these effects. A key obervation of the performance of the first-order model was that in heating it would under-predict the machine temperature, and in cooling would over-predict, suggesting that an additional heat-transfer path existed to the cooling air through some additional thermal capacitance. In an effort to include higher-order effects so that reduced-cooling effects could be established, a second-order model was developed by adding an additional lumped-node to the system, introducing the supposed additional conduction/capacitive path, where the heat-generating node was considered analogous to the motor's armature, and the additional node was considered as a thermal-sink. This model was then numerically fit to the cool-down data for both maximum and reduced flow-rate cases in order to identify the system's main heat transfer parameters, however, once again, a large variance in the parameters was found. Through model simulation, this was determined to be the result of the system not starting at a steady-state temperature distribution, which resulted in the parameter estimation under-predicting the true values. As such, the upper-limits of the parameter spreads were used to identify the model. Assuming the system's heat generation was due to Joule-losses only, the second-order model was found to perform marginally better than the first-order model, with a maximum error of 8.6 $^{\circ}C$, and a maximum average error of 3.3 $^{\circ}C$ over the process-cycles. Though the second-order model typically performed better than the first-order model in cooling, it was found that the model would vary between over-predicting and under-predicting the machine temperature, indicating that additional and higher-order core losses may play a role in the heating of the machine. Although the first-order model was found to be slightly less-accurate than that of the second-order, the first-order model has a much simpler and far less intrusive identification scheme than that of the second-order model with a relatively low loss in accuracy. As a result, it would be possible to to use the first-order model for on-line temperature monitoring of the machine by performing tests during operation where the cooling rate is reduced to identify the change in the model parameter. However a sufficient factor of safety ($\approx$10 $^{\circ}C$) would be required to account for the under-estimation that occurs in heating. For the second-order model to be implemented, more controlled testing is required in order to properly discern the effects of reduced cooling from the effects of the initial temperature distribution. Additionally, the inclusion of core-losses in the machine heat generation term should be investigated to improve model performance. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Homelessness in DC has been on the rise for a while but now it is getting to the point where it is becoming a major issue. The Mayor has proposed a plan to end homelessness with seven shelters, one in each ward of DC. The shelter this thesis is proposing would be a combination of a typical homeless center with the added benefits of an overall rehabilitation center. These features combined will provide a place where the homes can transition from their current state to a state where they can then support themselves and their families. / Master of Architecture

Cette thèse traite de la commande hiérarchique de réseaux à courant continu multi-terminaux à haute tension (MT-HVDC) intégrant des sources d'énergie renouvelables à grande échelle. Le schéma de contrôle proposé est composé de quatre ‘couches’ : le contrôle local où se trouvent les convertisseurs de puissance, avec une échelle de temps de l’ordre de la milliseconde ; le contrôle primaire qui est décentralisé et appliqué à plusieurs terminaux avec une échelle du temps de l’ordre de la seconde ; un niveau de commande où la communication est prise en compte et où l’approche de Modèle du Commande Prédictive (MPC) assure la planification de la tension et de la puissance à leur état d'équilibre, pour l'ensemble du système; enfin, le contrôleur de niveau supérieur, qui est principalement basé sur les techniques d'optimisation, où les aspects économiques sont pris en compte (il s’agit du réglage dit tertiaire).Au niveau des convertisseurs, un accent particulier est mis sur les convertisseurs bidirectionnels DC/DC. Dans cette thèse, trois topologies différentes sont étudiées en profondeur: deux phases Dual Active Bridge (DAB), trois phases DAB, et l’utilisation de la technologie Modular Multilevel converter (MMC) comme convertisseur DC/DC. Pour chaque topologie, une commande non-linéaire spécifique est discutée. D’autre part une nouvelle fonction pour le convertisseur DC/DC est étudiée. Il s’agit de son utilisation comme disjoncteur à courant continu (DC-CB). En ce qui concerne le contrôle primaire, qui permet de maintenir le niveau de tension continue dans le réseau, nous avons étudié trois philosophies de contrôle: celle de maître/esclave, celui du contrôle « voltage margin control » et celle de la commande du statisme (droop control). Enfin, nous avons choisi d'utiliser le droop control, entre autres, parce que la communication entre les nœuds n’est pas nécessaire. Concernant la commande secondaire, son principal objectif est de planifier le transfert de puissance entre les nœuds du réseau, qui fournissent la tension et la puissance de référence aux contrôleurs locaux et primaires, même lorsque des perturbations apparaissent. Dans cette partie, nous avons proposé une nouvelle approche pour résoudre les problèmes de flux de puissance (équations non-linéaires) basée sur le théorème du point fixe de l’application contractive. Ceci permet d'utiliser plus d'un slack bus, contrairement à l’approche classique basée sur la méthode de Newton-Raphson. Par ailleurs, le réglage secondaire joue un rôle très important dans les applications pratiques, en particulier lorsque les sources d'énergie renouvelables (variables dans le temps). Dans de tels cas, il est intéressant de considérer des dispositifs de stockage afin d'améliorer la stabilité de tout le système. Il est également possible d'envisager différents types de prévisions (météo, charge, ..) basées sur la gestion des réserves de stockage. Toutes ces caractéristiques ont suggéré l'utilisation d'une approche MPC. Dans ce contexte, plusieurs critères d'optimisation ont été considérés, en particulier la minimisation des pertes de transmission ou des congestions dans le réseau.La tâche principale de réglage tertiaire est de d'atteindre l'optimisation économique de l'ensemble du réseau. Dans cette thèse, nous avons pu maximiser le profit économique du système en agissant sur le marché réel, et en optimisant l'utilisation des périphériques de stockage. Dans le but de mettre en œuvre la philosophie de contrôle hiérarchique présentée dans cette thèse, nous avons construit un banc d'essai expérimental. Cette plate-forme dispose de quatre terminaux reliés entre eux par l'intermédiaire d'un réseau à courant continu, et connectés au réseau principal de courant alternatif. Ce réseau DC peut fonctionner à un maximum de 400 V, et avec une courant maximal de 15 A. / This thesis focuses on the hierarchical control for a multi-terminal high voltage direct current (MT-HVDC) grid suitable for the integration of large scale renewable energy sources. The proposed control scheme is composed of 4 layers, from the low local control at the power converters in the time scale of units of ms; through distributed droop control (primary control) applied in several terminals in the scale of unit of seconds; and then to communication based Model Predictive Control (MPC) that assures the load flow and the steady state voltage/power plan for the whole system, manage large scale storage and include weather forecast (secondary control); finally reaching the higher level controller that is mostly based on optimization techniques, where economic aspects are considered in the same time as longer timespan weather forecast (tertiary control).Concerning the converters' level, special emphasis is placed on DC/DC bidirectional converters. In this thesis, three different topologies are studied in depth: two phases dual active bridge (DAB), the three phases DAB, and the use of the Modular Multilevel Converter (MMC) technology as DC/DC converter. For each topology a specific non-linear control is presented and discussed. In addition, the DC/DC converter can provide other important services as its use as a direct current circuit breaker (DC-CB). Several operation strategies are studied for these topologies used as DC-CB.With respect to primary control, which is the responsible to maintain the DC voltage control of the grid, we have studied several control philosophies: master/slave, voltage margin control and droop control. Finally we have chosen to use droop control, among other reasons, because the communication between nodes is not required. Relative to the secondary control, its main goal is to schedule power transfer between the network nodes providing voltage and power references to local and primary controllers, providing steady state response to disturbances and managing power reserves. In this part we have proposed a new approach to solve the power flow problem (non-linear equations) based on the contraction mapping theorem, which gives the possibility to use more than one bus for the power balance (slack bus) instead of the classic approach based on the Newton-Raphson method. Secondary control plays a very important role in practical applications, in particular when including time varying power sources, as renewable ones. In such cases, it is interesting to consider storage devices in order to improve the stability and the efficiency of the whole system. Due to the sample time of secondary control is on the order of minutes, it is also possible to consider different kinds of forecast (weather, load,..) and to achieve additional control objectives, based on managing storage reserves. All these characteristics encourage the use of a model predictive control (MPC) approach to design this task. In this context, several possibilities of optimization objective were considered, like to minimize transmission losses or to avoid power network congestions.The main task of tertiary control is to manage the load flow of the whole HVDC grid in order to achieve economical optimization. This control level provides power references to the secondary controller. In this thesis we were able to maximize the economic profit of the system by acting on the spot market, and by optimizing the use of storage devices. In this level it is again used the MPC approach.With the aim of implementing the hierarchical control philosophy explained in this thesis, we have built an experimental test bench. This platform has 4 terminals interconnected via a DC grid, and connected to the main AC grid through VSC power converters. This DC grid can work at a maximum of 400 V, and with a maximum allowed current of 15 A.

L’utilisation des plusieurs sources d’énergies de caractéristiques différentes, à bord du véhicule électrique VE) nécessite l’adoption de convertisseurs statiques. Ces derniers peuvent avoir la fonction de conditionneur ’énergie des différentes sources et/ou commander les machines électriques du véhicule.Généralement les VE disposent d’un bus continu « de quelques centaines de volts » dont la stabilité est assurée par un groupe de convertisseurs élévateurs de tension (du fait que les sources ont généralement un niveau de tension faible ; quelques dizaines de volts). Lors des démarrages/arrêts très fréquents du VE en mode urbain, les sources pourraient alimenter directement le moteur de traction sans avoir recours aux convertisseurs élévateurs de tension. Afin d’exploiter cette fonctionnalité, nous proposons d’explorer une deuxième architecture de convertisseur basée sur l’adoption d’un niveau de tension variable du bus continu. Dans cette approche, la tension minimale de ce dernier est fixée en fonction des niveaux de tensions disponibles du côté des sources et de la vitesse requise (niveau des f.é.m du moteur de traction). Ainsi, le rapport variable d’élévation de la tension est minimal à faible vitesse du véhicule en mode urbain et il est maximal à grande vitesse, en modes route et autoroute. Ceci apportera une amélioration du rendement énergétique de l’ensemble sources-moteurs notamment en mode urbain. Par ailleurs, l’utilisation grand public de ces véhicules exige des contraintes maximales de disponibilité (continuité de service) des fonctions principales notamment l’alimentation embarquée. A travers le travail de cette thèse nous proposons une nouvelle topologie du convertisseur de puissance entre les sources (une Pile à combustibles associée à un pack de super-condensateurs) et les charges (moteur de traction et réseau de bord alimentant les auxiliaires du véhicule). Ce convertisseur adopte une tension variable du bus continu et une redondance de l’alimentation du moteur de traction. Après la présentation du convertisseur proposé et son positionnement par rapport à la littérature, une analyse du fonctionnement et la modélisation de sa partie DC-DC est détaillée notamment à travers des résultats de simulation de ses différents modes. A ce titre un programme de simulation fine (à l’échelle des impulsions de commande) du système entier a été développé. Dans un deuxième temps, la commande automatique et rapprochée des interrupteurs de puissance a été développée en se basant respectivement sur la méthode de contrôle par petits signaux et la commande hystérésis de courant, triangulaire-rapport cyclique et triangulaire-sinus. Les résultats de simulation des fonctionnalités principales attendues mettent en évidence la faisabilité de l’architecture du convertisseur de puissance proposée. Enfin, une maquette expérimentale à échelle réduite a été développée dans le but de valider l’étude théorique. Les premiers tests expérimentaux de la partie DC-DC du convertisseur donnent des résultats satisfaisant et valident ainsi le processus de conception. Le travail futur sera la réalisation d’une maquette à échelle 1 dans laquelle la conception du refroidisseur sera intégrée en amont de la réalisation du plan de masse dudit convertisseur. Nous pensons que cela permettra une meilleure optimisation de l’espace à bord du véhicule et améliorera le rendement énergétique de la chaine de traction. / The use of many energy sources of different kind in a electrical vehicle (EV) needs the adoption of static converters. These can have the function of either conditioning energy or driving the electrical machines of the vehicle. EV’s generally have a DC bus of some hundred volts, whose stability is ensured by a set of boost converters, since the voltage level of the several sources is as low as about some tens of volts. During frequent start/stop phases of EV’s in urban mode, energy sources can feed the motors directly without using the converters. On the basis of this consideration this thesis proposes a novel converter topology adopting a variable DC voltage level. In this approach the lowest level of the DC bus is determined as a function of the voltages available from the sources and of the required speed (back fem of the traction motor). In this way the variable step-up voltage ratio is minimal at low speeds of the EV in urban mode and maximal at higher speeds in motorway modes. This would result in an energy efficiency improvement of the sources-motors system, especially in urban mode. On the other hand the use of this EV demands some constraints as for the service continuity of the main functions of the EV, particularly the energy supply.This thesis proposes a novel power converter topology between the sources (a Fuel Cell System associated with a pack of Super-capacitors) and the loads ( traction motor and auxiliary supply system). This converter adopts a variable DC bus voltage and a redundant supply of the traction motor. After presenting the proposed converter in the framework of the state of the art, the analysis and modelling of its DC/DC part is presented, especially with simulation results of the different modes of operation. With this regard a complete simulation program has been developed down to the scale of switching pulses. Afterwards the control of the power devices has been developed by using the small signal control and the hysteresis control, triangular duty cycle and triangular sine. The simulation results of the main modes show the feasibility of the proposed power converter architecture. Finally an experimental rig has been set up, at reduced scale, for assessing the theoretical analysis. The experimental results of the DC/DC part yield satisfactory results thus proving the effectiveness of the design. Future work will focus on setting up e real scale converter, where the cooling system design will be added before realizing the mass board of the converter. This should lead up to the optimization of the volume occupied in the EV and to the improvement of the energy efficiency of the traction chain.

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Digital Switched mode power supplies are nowadays popular enough to be the obvious choice in many applications. Among all set-up and control techniques, the current mode DC-DC converter is often considered when performance and stability are of interest. This has also motivated all the “on chip” and ASIC implementations seen on the market, where current mode control technique is used. However, the development of FPGAs has created an important alternative to ASICs and DSPs. The flexibility and integration possibility is two important advantages among others. In this thesis report, an FPGA-based current mode buck/boost DC-DC converter is built in a stepwise manner, starting from the mathematical model. The goal is a simulation model which creates a basis for discussion about the advantages and disadvantages of current mode DC-DC converters, implemented in FPGAs.