Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre de l'utilisation de matériaux piézoélectriques pour la réalisation de composants passifs dans des applications de conversion d'énergie électrique. Le travail débute avec l'étude et le dimensionnement de deux convertisseurs d 'une puissance de 10 watt intégrant un transformateur piézoélectrique, l'un pour des applications d'alimentation stabilisée de 15 V (convertisseur DC/DC) et l'autre servant a l'alimentation de lampes fluorescentes a cathode froide utilisées pour le retro-éclairage d'écrans TFT de 32 pouces. L'idée étant que le transformateur piézoélectrique présente, dans ces applications, un certain nombre d'avantages compare au transformateur électromagnétique, comme une plus grande compacité et une meilleure compatibilité électromagnétique. L'originalité du travail repose sur la méthode de dimensionnement du transformateur qui n'est plus base sur Le principe de charge optimale mais qui introduit la notion de courant mécanique ou de vitesse maximale de vibration. Cette technique permet également de prédire l'élévation de température ainsi que les pertes du transformateur. On s'intéresse ensuite a l'optimisation et a la gestion de l'énergie au sein du transformateur piézoélectrique. La commutation introduisant des non-linéarités dans son fonctionnement, Le concept de cycle de travail a été introduit permettant une étude et des comparaisons des différentes architectures de conversion. Cela a permis la mise au point d'un nouveau redresseur contr6le par la vitesse de vibration. Ce redresseur actif a été transpose avec succès dans des applications d'amortissement de structure ou encore de récupération d'énergie de vibration.

<p>In this thesis a predefined design parameters are used to present theoretical guidelines for design of low voltage, and low power DC-DC converter with high power efficiency and low levels of EMI (Electro-Magnetic Interference). This converter is used to alter the DC voltage supplied by the power source. Several DC-DC converters of different types and topologies are described and analyzed. Switched converter of buck topology is found to satisfy the design criteria most adequately and therefore is chosen as the solution for the task of the thesis. Three control schemes are analysed PWM (Pulse-Width Modulation), PFM (Phase-Frequency Modulation), and Sliding control. PWM is found to be most appropriate for implementation with this type of converter. Further, basic operation of the buck converter which includes two modes of operation CCM (Continuous-Conduction Mode) and DCM (Discontinuous-Conduction Mode) is described. Power losses associated with it are analysed as well. Finally several techniques for power conversion improvement are presented.</p>

<p>A Sliding Mode Control System for a Bidirectional DCDC Converter was designed and a low voltage prototype was constructed. The control system based its decisions solely on the latest available measurements, which improves performance when changing operative quadrant, since no memory needs reinitializing (such as for PI and state prediction methods). A boost control philosophy was presented, based on a current source approximation. The control was found to be stable without steady-state errors when the variance of the input/output dynamics was high.</p><p>The target application for the DCDC Converter is an EV (Electric Vehicle) with a flywheel driveline, which puts additional requirements of the converter. Among these are current and voltage control, bidirectionality, and a broad input voltage range.</p><p>Simulations were performed in Simulink prior to physical implementation, proving functionality of the proposed control system. The physical implementation of the control was done on a digital signal processor with code compiled from C. A median filter was designed to increase measurement efficiency for the current sensors which had shot-like noise distortions.</p>

Digitally controlled switching DC-DC converters have recently emerged as an attractive alternative to conventional switching converters based on analog control techniques. This research focuses on eliminating the issues associated with the state of the art switching converters by proposing three novel control techniques: (1) a digitally controlled Buck-Boost converter uses a fully synthesized constant ON/OFF time-based fractional-N controller to regulate the output over a 3.3V-to-5.5V input voltage range and provides seamless transition from buck to buck-boost modes (2) a hysteretic buck converter that employs a highly digital hybrid voltage/current mode control to regulate output voltage and switching frequency independently (3) a 10MHz continuous time PID controller using time based signal processing which alleviates the speed limitations associated with conventional analog and digital. All the three techniques employ digitally assisted control techniques and require no external compensation thus making the controllers fully integrated and highly cost effective. / Graduation date: 2013 / Access restricted to the OSU Community at author's request from June 25, 2012 - June 25, 2014

In this dissertation, new high frequency link power conversion systems for the fuel cell power conditioning are proposed to improve the performance and optimize the cost, size, and weight of the power conversion systems. The first study proposes a new soft switching technique for the phase-shift controlled bi-directional dc-dc converter. The described dc-dc converter employs a low profile high frequency transformer and two active full-bridge converters for bidirectional power flow capability. The proposed new soft switching technique guarantees soft switching over wide range from no load to full load without any additional circuit components. The load range for proposed soft switching technique is analyzed by mathematical approach with equivalent circuits and verified by experiments. The second study describes a boost converter cascaded high frequency link direct dc-ac converter suitable for fuel cell power sources. A new multi-loop control for a boost converter to reduce the low frequency input current harmonics drawn from the fuel cell is proposed, and a new PWM technique for the cycloconverter at the secondary to reject the low order harmonics in the output voltages is presented. The performance of the proposed scheme is verified by the various simulations and experiments, and their trade-offs are described in detail using mathematical evaluation approach. The third study proposes a current-fed high frequency link direct dc-ac converter suitable for residential fuel cell power systems. The high frequency full-bridge inverter at the primary generates sinusoidally PWM modulated current pulses with zero current switching (ZCS), and the cycloconverter at the secondary which consists of only two bidirectional switches and output filter capacitors produces sinusoidally modulated 60Hz split single phase output voltage waveforms with near zero current switching. The active harmonic filter connected to the input terminal compensates the low order input current harmonics drawn from the fuel cell without long-term energy storage devices such as batteries and super capacitors.

Les convertisseurs de puissance en DC/DC sont largement utilisés pour les applications domestiques et industrielles pour des puissances de quelques Watts à quelques MégaWatts. Généralement, pour chaque application un convertisseur adapté est conçu afin de répondre au cahier des charges. A chaque nouvelle application correspond donc un nouveau convertisseur, ce qui conduit à concevoir systématiquement de nouvelles structures de conversion et qui s'avère coûteux en temps et en argent. Eventuellement, cela peut conduire à des développements technologiques spécifiques qui, eux aussi ont des conséquences sur le coût de développement des solutions d'électronique de puissance. Afin de contourner ces difficultés, mes travaux de thèse portent sur la démarche Réseaux de Micro Convertisseurs (RµC) qui propose une nouvelle approche permettant de répondre de manière totalement flexible à n'importe quel cahier des charges. Cette approche vise à créer un composant unique, appelé cellule élémentaire (CE), permettant de répondre à tout type de cahiers des charges par la mise en série et/ou en parallèle de plusieurs de ces cellules élémentaires. Elle permet ainsi de régler les calibres en tension et/ou en courant du convertisseur à réaliser. Mes travaux de thèse se divisent en deux grandes parties. La première partie consiste en la conception et l'intégration de la cellule élémentaire utilisée dans le RµC. La deuxième, aborde les stratégies de configuration utilisées dans les RµC ainsi que les modes d'association des cellules élémentaires pouvant répondre à n'importe quel cahier des charges.

Dans l'objectif d'une augmentation en puissance des piles à combustible pour satisfaire les besoins énergétiques des applications embarquées, une solution consiste à augmenter la taille des assemblages. Dès lors, des problèmes de disparités fluidique, thermique et électrique peuvent survenir dans le cœur des piles et conduire ainsi à l'apparition de défaut. La pile à combustible, de par sa nature de source électrique basse tension - fort courant, requiert d'être couplée au réseau électrique embarqué par l'intermédiaire d'un convertisseur statique. Ce dernier peut alors être employé pour agir de façon corrective sur la pile et aussi de corriger les défaillances qui en sont liées. Dans cette perspective, le convertisseur doit avoir en permanence un retour sur l'état de santé de la pile. Pour cela, une méthode de détection et d'identification de défaut de type noyage et d'assèchement pour une pile du type PEMFC a été approfondie. Cette méthode simple, économique en capteurs, se base sur la mesure de 3 tensions de cellule judicieusement sélectionnées et localisées sur la pile. Ainsi, l'utilisation de l'information " spatiale ", qui correspond à la position de la mesure de tension dans la pile permet d'identifier les défauts. Le principe de la détection localisée nous amène alors à considérer le concept de pile segmentée qui consiste à séparer électriquement la pile en 3 parties de façon à ce que des convertisseurs associés puissent agir électriquement sur chaque segment. L'action peut être du type tout ou rien, ou contrôlée. Cette dernière offre davantage de degrés de liberté, et est moins contraignante pour la pile d'un point de vue électrique. Pour choisir comment réaliser cette action, une étude comparative de plusieurs topologies de convertisseur est effectuée. Les structures alimentées en courant répondent au mieux aux contraintes électriques d'une PEMFC et sont donc privilégiées, de même que la nécessité d'une isolation galvanique imposée par la segmentation de la pile. Au final, une topologie de BOOST isolé résonant est apparue comme étant la topologie répondant au mieux à l'ensemble des critères (plage de fonctionnement, performances énergétiques, nombre de composants). L'ensemble convertisseur global intègre ainsi trois structures unitaires qui permettent d'offrir une modularité, une action indépendante sur chaque segment et de garantir une disponibilité du système grâce à un fonctionnement dégradé. Pour cela, la stratégie de commande de l'ensemble convertisseur intègre les informations issues de la méthode de détection. La thèse se termine avec le dimensionnement complet d'un pré-prototype du convertisseur avec le choix des composants actif et passifs, et du système de refroidissement associé.

Switching mode DC/DC converters are critical building blocks in portable devices and hence their power efficiency, accuracy and cost are a major issue. The primary focus of this thesis is to address these critical issues.This thesis focuses on the different methods of feedback control loop which are employed in the switching mode DC/DC converters such as voltage mode control and current mode control. It also discusses about the structure of buck converter and tries to find an efficient solution for stepping-down the DC voltage level in ultra-low power applications. Based on this analysis, a 20 MHz voltage mode DC/DC buck converter with an on-chip compensated error amplifier in 65 nm CMOS process is designed and implemented.The power efficiency has been improved by sizing the power switches to have a low parasitic output and gate capacitances to reduce the capacitive and gate-drive losses. Also the error amplifier biasing current is chosen a small value (12.5 μA) to reduce the power dissipations in the control loop of the system. The maximum 84% power efficiency is achieved at 1.1 V to 500 mV conversion, above 81% efficiency can be achieved at load current from 0.5 mA to 1.26 mA. Due to wide bandwidth error amplifier and proper compensation network the fast transient response with settling time around 45 μs is achieved.

Les objectifs concernant la part des énergies renouvelables dans la production d'électricité sont de 20 % en 2020 en UE. L'éolien offshore principalement ainsi que les ressources hydroliennes et les panneaux photovoltaïques, vont contribuer à cet objectif. Les améliorations récentes dans le domaine de l'électronique de puissance amènent à repenser les architectures électrotechniques des fermes éoliennes de plus en plus éloignées du continent et présentant des puissances de plus en plus importantes. Plusieurs topologies électrotechniques de fermes éoliennes offshore sont comparées afin de définir la plus intéressante d'un point de vue faisabilité, efficacité et fiabilité. La solution de connexion retenue est entièrement en DC car elle présente des pertes diminuées et des convertisseurs DC-DC avec transformateurs haute-fréquence apportant un gain d'encombrement comparé à une topologie classique en AC. La topologie DC est alors modélisée avec une attention particulière portée aux convertisseurs DC-DC Full-Bridge, cœur technologique de la ferme. Un contrôle du convertisseur par entrelacement des commandes du convertisseur est explicité afin de réduire la taille du filtre en sortie. Deux expérimentations à échelle réelle (2 MW) et réduite (4 kW) permettent de valider le modèle, les pertes et les contrôles implantés sur le convertisseur. Les protections qui peuvent être mises en place pour un réseau de distribution DC sont aussi étudiées avec une proposition de disjoncteur statique DC. Une connexion entre un simulateur temps réel et le banc d'essai 4 kW est réalisée afin de comparer le comportement des convertisseurs de la ferme sur des échelles de temps importantes. Différents contrôles sont testés, et plus particulièrement ceux permettant de valider la capacité de la ferme à rester connectée au réseau pendant les défauts AC. L'ensemble des théories développées sur le cas d'étude éolien offshore sont étendues à des fermes solaires de fortes puissances afin de mettre en évidence les analogies entre ces deux énergies renouvelables.

En el presente trabajo se estudia la aplicación de la rectificación controlada en los convertidores DC-DC de varios interruptores de tanque resonante serie. Los convertidores estudiados son el PRC, el SRC y el SPRC. En estas estructuras se va a analizar las posibilidades de regulación que ofrecen dichos convertidores, con la finalidad de obtener la máxima robustez ante variaciones de la carga y de la tensión de entrada.Tras el primer capítulo de introducción a la temática de la tesis, en el capítulo segundo se deducen unos nuevos convertidores derivados de los clásicos. Se obtienen los modelos matemáticos de los convertidores resultantes de la sustitución de las etapas rectificadoras y se sintetizan las nuevas estructuras rectificadoras. Los nuevos convertidores van a denominarse PRC-CR, SRC-CR y SPRC-CR, en clara alusión a su nueva etapa de rectificación controlada (Controlled Rectification).En el tercer capítulo se introducen los controladores desarrollados para los nuevos convertidores. El control del convertidor se va a realizar actuando en el bloque rectificador mediante dos tipos básicos de actuación. El primero con realimentación de variable de estado del tanque resonante, mediante un controlador no lineal One-Cycle.El segundo con realimentación de variable de estado de salida, mediante un regulador lineal PI.En el cuarto capítulo se analiza la estructura del convertidor PRC-CR mediante dos métodos de análisis. El primer método propuesto es el de aproximación al primer armónico, y de su análisis se deducirán interesantes conclusiones. En primer lugar puntos de trabajo óptimos para posibilitar la regulación en el convertidor dadas las condiciones de carga del mismo. Se obtendrá la dependencia de la variable propia de salida de cada convertidor respecto a la relación de conducción del bloque rectificador y se propondrán criterios de diseño del convertidor. La metodología planteada se verifica mediante la simulación del convertidor. El segundo método de análisis se basa en la solución del modelo matemático en espacio de estado del convertidor. Bajo este análisis se obtendrá nuevamente la relación de la tensión de salida respecto a la relación de conducción de la etapa rectificadora y los parámetros del convertidor. Finalmente se comparan los resultados obtenidos por ambos métodos de análisis.En el quinto y sexto capítulo se analizan los convertidores SRC-CR y SPRC-CR, respectivamente, de igual forma a la propuesta en el capítulo cuarto del PRC-CR. En el séptimo capítulo se presentan los resultados experimentales obtenidos de los prototipos de los convertidores desarrollados.Finalmente en el capítulo octavo se presentan las conclusiones obtenidas de la tesis doctoral. Se evalúan los beneficios y limitaciones observadas en las estructuras desarrolladas. Se propone el planteamiento de posibles mejoras en función de las no idealidades del convertidor y del controlador propuesto, abriendo futuras líneas de investigación que servirán de complemento al presente trabajo.