Les diodes électroluminescentes (LEDs) constituent de nouvelles solutions pour créer des luminaires plus robustes, ayant un meilleur rendement de conversion et plus respectueuses de l'environnement. Malgré les avantages indiscutables déjà obtenus aujourd'hui, ce type de luminaire présente encore quelques optimisations possibles et offre des possibilités de fonctionnalités multiples. A travers plusieurs campagnes de tests, l'auteur montre sur des LEDs du commerce, que les points d'optimisation non encore exploités dans les luminaires commerciaux. Ces LEDs ont ainsi été testés sur de larges plages de fonctionnement du point de vue photométrique, électrique mais aussi thermique pour connaitre la reproductibilité des résultats obtenus. Ainsi les influences des conditions d'utilisation notamment en température de fonctionnement et niveaux de courant d'alimentation ont été étudiées. Pour dimensionner au mieux une alimentation électrique spécifique, une recherche de modèles de LED élémentaires a été effectuée. L'objectif est que les modèles tiennent compte des principaux paramètres mais soit suffisamment simple pour être inséré dans un environnement système afin de simuler le luminaire dans son environnement complet. Ainsi, l'étude comparative de plusieurs associations de LEDs a été effectuée permettant d'en déduire des compromis pour proposer de nouvelles solutions faibles consommatrices d'énergie à coût réduit incluant de nouveaux types d'alimentation. / Light emitting diodes (LEDs) bring new possibilities to get luminaires more robust with an improved efficiency and more environmentally respectfull. Despite the benefits already achieved today, this type of luminaire still presents some possible optimizations and provides opportunities for multiple features. Through several tests, the author shows on LEDs in market that optimization points are not operated in commercial luminaires. These LEDs have been tested over a wide range of operation in photometric, electrical but also thermal to know the reproducibility of the results. Thus the influences of operating conditions including operating temperature and supply current levels were studied. To design a specific power supply for each LED type, a search of elementary LED models was performed. The objective is to take into account the main parameters of the models but also to be enough simple to be inserted into a system environment to simulate the luminaire in whole environment. Thus, the comparative study of several associations of LEDs was conducted to deduce the best compromise and propose new solutions to reduce energy consumptions and production costs, including new types of power supply.

The main goal of this project was an optimization of DC-DC converter design from company Meatest with regards to its efficiency, minimalizing power loses and radiated electromagnetic inference, while maintaining its price on reasonable level. The first part of this paper is introduction to the most common converter topologies. In the second part, design and optimization of converter are discussed. The third part is about measurement automatization in Simple. Measurements of converter prototype can be found in fourth part.

Ces dernières années, la fiabilité et la continuité de service des chaînes de traction sont devenus des défis majeurs afin que les véhicules électriques puissent accéder au marché grand public de l’automobile. En effet, la présence de défauts dans les chaînes de traction peut conduire à des dysfonctionnements dans les véhicules et ainsi réduire ses performances par rapport aux véhicules conventionnels. Dans l’hypothèse où des défauts électriques se produisaient, les chaînes de traction des véhicules électriques à pile à combustible devraient inclure des topologies et/ou contrôles tolérants aux défauts pour les différents convertisseurs DC/DC et DC/AC. Dans le cadre de ce travail de recherche, un focus est fait sur le convertisseur DC/DC associé à la pile à combustible de la chaine de traction. Ce dernier doit répondre aux problématiques majeures des applications véhicule électrique à pile à combustible à savoir : faible masse et petit volume, haute efficacité énergétique, réduction de l’ondulation de courant d’entrée et fiabilité. A la base d’une recherche bibliographique poussée sur les structures non-isolées et isolées appropriées pour des applications PàC, une topologie de convertisseur DC/DC entrelacé a été choisie permettant de respecter les contraintes des véhicules électriques à pile à combustible.Ce travail de thèse a ensuite consisté à dimensionner et contrôler la structure de convertisseur DC/DC tolérante aux défauts choisie pour les véhicules à PàC. Des algorithmes de gestion des modes dégradés de ce convertisseur ont été développés et implémentés expérimentalement. A ce titre, l’interaction PàC-convertisseur DC/DC a été étudiée. Une approche théorique, de simulation et expérimentale a été mise en oeuvre pour mener à bien ce travail. / Over the last years, reliability and continuity of service of powertrains have become major challenge so that the fuel cell electric vehicles (CFEV) can access to the mass automotive market. Indeed, the presence of faults in powertrains can lead up to malfunctions in the vehicle and consequently reduce its performances compared with conventional vehicles. In the case of electrical faults, powertrains of FCEV have to include fault tolerant topology and/or control for the different DC/DC and DC/AC converters. Within the framework of this research work, the study is focused on DC/DC converter combined with a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). The DC/DC converter must respond to challenging issues in FCEV applications such as: low weight and small volume, high energy efficiency, fuel cell current ripple reduction and reliability. Basing on a thorough bibliographical study on non-isolated and isolated DC/DC converter topologies, an interleaved DC/DC boost converter has been chosen, meeting the FCEV requirements.The purpose of this thesis has then consisted in sizing and controlling the chosen fault-tolerant DC/DC converter topology for FCEVs. Algorithms for degraded mode management of this converter have been developed and implemented experimentally. As such, the interaction between PEMFC and interleaved DC/DC boost converter has been investigated. A theoretical approach, simulation and experimental results have been carried out to complete this work.

Les convertisseurs électriques sont présents dans tous les équipements électroniques. Les besoins en alimentations stabilisées des appareils et la variabilité des sources d'énergie imposent l'omniprésence des convertisseurs. Dans un environnement embarqué, la conversion, majoritairement DC/DC, subit de multiples contraintes environnementales dues au milieu dans lequel elle évolue, que ce soit dans un aéronef ou un véhicule terrestre. Les équipements ferroviaires doivent ainsi subir des contraintes vibratoires et volumiques fortes imposant à la fois l'absence de pièces mobiles telles que des ventilateurs, ainsi qu'un volume minimal afin de ne pas empiéter sur l'espace utile des cabines de trains.Une contrainte plus spécifique à l'environnement ferroviaire est la très large plage de tension d'alimentation devant être supportée par le convertisseur. Cette plage de tension, s'étendant de 12 V à 154 V, due à la multiplicité des standards électriques de par le monde représente le principal défi à la conception de convertisseurs DC/DC compacts.Dans ce mémoire, les topologies de convertisseurs existantes sont dans un premier temps analysées en fonction des contraintes du cahier des charges. Les deux structures les plus pertinentes sont ensuite étudiées plus profondément, par des simulations comportementales et des modélisations de pertes, afin de confirmer leur pertinence et d'étudier leurs carences.Dans les deux derniers chapitres de ce mémoire, les stratégies de dimensionnement propres à notre application sont décrites. Finalement, les technique de contrôle élaborées spécifiquement pour notre application sont décrites puis testées sur les prototypes des convertisseurs. Les mesures réalisées sur les prototypes ont permis de confirmer l'apport des techniques de contrôle et de dimensionnement décrites précédemment, améliorant significativement les performances des convertisseurs ainsi que l'encombrement de leurs éléments passifs / Electric converters can be found on almost every electronic device. The need for a stabilized power supply and the variability of the power sources make the power converters unavoidable. In embedded applications, the power conversion, mostly DC/DC conversion, must sustain various constraints due to their environment, airborne or in ground vehicles. Devices for railway applications endure severe constraint on their volume and immunity to vibration. Thus, they have to be built without any mobile part including fans, and to be as small as possible to minimize their impact on the payload capacity of the trains.The most specific constraint in railway application is the wide input voltage range sustained by the power converter. This voltage range, from 12 V to 154 V, is due to the large amount of electric standards worldwide. This characteristic is the main challenge for the design of compact DC/DC converters.In this thesis, in a first time the current converters topologies are analysed under the scope of our specifications. Then, the two most relevant structures are more deeply studied. Behavioural simulations and loss models are described, leading to the confirmation of their relevancy and the study of their lacks.In the last two chapters of this thesis, the sizing strategies used to fit our specifications are described. Then, the control techniques elaborated to meet the specificities of our application are described then tested on prototypes. The measurements made on the prototypes have confirmed the gain due to these control techniques and the sizing strategies previously described. These improvements have led to significant improvements in the performance of the converters and in the volume reduction of their passive elements

Modern arc welding machines utilize controllable high frequency DC/DC power supply with high dynamic and steady state current regulation performance. In the design robustness, small size and low weight, low complexity, and high efficiency are the defining criteria. The most suitable approach for a 5 kW arc welding machine power supply application is the high frequency Full-Bridge Phase-Shifted Zero Voltage Switching (FB-PS-ZVS) DC/DC converter with an isolation transformer. This converter not only gives the advantage of zero voltage switching for a wide load current range, it also provides reduced Electromagnetic Interference (EMI) and reduced component stress compared to standard PWM converters. In this thesis a FB-PS-ZVS DC/DC converter with 5 kW power rating is designed for modern arc welding machine applications. IGBTs are utilized at 50 kHz switching frequency for high efficiency and control bandwidth. The output current of the DC/DC converter is controlled via a Digital Signal Processor (DSP) control platform. The performance of the designed DC/DC converter is evaluated via the computer simulations and the experimental study of the constructed prototype.

In this thesis, a test system is designed and implemented in order to evaluate the basic electrical performance and determine the parameters of ultracapacitors (UC). The implemented UC test system is based on power electronics converters and it is capable of charging and discharging the UC under test with predetermined current profiles. The charging operation is provided by a configuration involving the AC utility grid, a step-down transformer, a diode bridge, and a DC bus filter capacitor followed by a step-down DC-DC converter. The energy stored in the UC under test, as a result of the charging operation, is discharged to a resistor bank through a step-up DC-DC converter and a DC chopper structure. The charging and discharging current applied to the UC under test is provided by means of current mode control of power electronics converters. The control mechanism of the power electronics converters and the transition operations between the charging and discharging phases of the test system is realized via a microcontroller supported hardware structure. In the scope of the thesis study, a UC module composed of five serially connected UC cells is constructed. Constant current and constant power tests are applied to the constructed UC module. The performance of the implemented UC test system is investigated by means of computer simulations and experimental results. Further, basic electrical behaviour of the constructed UC module is evaluated and the parameters are extracted experimentally.

This thesis presents a parallel-series two-bridge DC/DC converter topology with the ability to operate with ZVS over a wide input and load range. The intended application is power conditioning systems (PCS) of photovoltaic (PV) arrays used in hybrid renewable energy system architectures. The proposed topology provides two degrees of freedom which allows the PV-PCS to regulate the DC-link voltage, while tracking the maximum power point (MPP) of the PV array. This topology distributes the main power into two bridges and the phase-shift between the two bridges and provides another degree of freedom for the PCS to track the MPP. The proposed topology is also able to achieve soft-switching over a wide range. The power conditioning system shows a modular structure to efficiently transfer the power to the load as the main power is divided between two bridges. In addition, the proposed control scheme provides complete decoupling between the input side controller from the output side controller in order to perform MPPT and regulate the the DC-link voltage simultaneously. A 2kW Experimental prototype has been provided to validate the feasibility and performance of the converter. Experimental results prove that the converter is able to regulate the DC-link voltage and track the maximum power extracted from the PV array simultaneously. / Thesis (Master, Electrical & Computer Engineering) -- Queen's University, 2012-04-18 19:51:43.405

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό και την κατασκευή διάταξης φόρτισης του κινητήρα ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Κύριος σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή ενός αμφίδρομου ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, που θα ελέγχει μια μηχανή συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης, η οποία συνδέεται μέσω ενός συστήματος μετάδοσης με τον κινητήρα ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Απώτερος στόχος είναι η εξομοίωση όλων των πιθανών φορτίων που ασκούνται σε έναν κινητήρα κατά την κίνηση του οχήματος. Αρχικά αναλύεται το φορτίου του κινητήρα κατά την κίνηση του οχήματος και αναζητούνται τρόποι για την εξομοίωση και τη σύνδεση των εξωτερικών δυνάμεων που ασκούνται στο όχημα με τη ροπή της μηχανής. Στη συνέχεια αναλύθηκε ο αμφίδρομος ηλεκτρονικός μετατροπέας που χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο της μηχανής συνεχούς ρεύματος και αναζητήθηκαν οι κατάλληλες μέθοδοι για τον έλεγχο του συγκεκριμένου μετατροπέα. Το επόμενο βήμα ήταν η προσομοίωση του συνολικού συστήματος φόρτισης προκειμένου να εξακρθωθεί η ορθή λειτουργία του πριν την κατασκευή, με χρήση του λογισμικού MATLAB/SIMULINK. Τέλος, μελετάται και κατασκευάζεται στο εργαστήριο η πειραματική διάταξη, με τη χρήση της οποίας διεξάγονται οι μετρήσεις για την επιβεβαίωση και την αξιολόγηση της θεωρητικής μελέτης. / This thesis discusses the design and manufacture of a charging device intended for an electric vehicle motor. The work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The main purpose of this thesis is to manufacture a bidirectional electronic power converter able to control a DC motor which is connected with the engine of an electric vehicle via a transmission system. The ultimate goal is to simulate all possible loads exerted on a motor during the vehicle movement. Initially we analyze the load on the engine during vehicle movement and seek ways to simulate and combine the external forces acting on the vehicle with the engine torque. In the sequel the bidirectional electronic power converter used to control the DC motor is analyzed and appropriate control methods are investigated. The next step is to simulate and validate the overall system functionality using MATLAB / SIMULINK, before actually proceeding with the manufacture. Finally, an experimental setup is prepared in our lab, the results of which are utilized to confirm and evaluate the aforementioned theoretical study.

Dans le but de gérer la consommation et ainsi que la production efficace des énergies renouvelables, l’utilisation et augmentation de l’efficacité des systèmes de conversion d’énergie est devenue indispensable. Dans ce contexte, les transistors en nitrure de gallium (GaN HFETs) pour une densité de puissance commutée très importante, offrent des nouvelles possibilités et ils tirent vers le haut la gestion efficace des énergies renouvelables. Toutefois, cette nouvelle possibilité passe par un pilotage efficace des composants et une encapsulation et des interconnexions optimales. Ces travaux de thèse étudient et analyse les avantages et inconvénients d'une nouvelle structure de conversion multi cellulaire et ceux d’un driver spécifique multivoies monolithique et synchronisé pour les composants GaN, appliqué dans ce contexte précis. Ce manuscrit de thèse est composé de quatre chapitres. Après une étude bibliographique, le positionnement du convertisseur DAB (Dual Active Bridge) parmi les autres structures de conversion DC à l’aide d’une nouvelle méthodologie de comparaison (FOM topologique – Figure de Mérite) est présenté dans le premier chapitre. Afin de diminuer les contraintes de conversion d’énergie, une étude est amenée dans le chapitre 2 sur les principaux défis et enjeux d’une solution générique à travers de réalisation d’un réseau de convertisseurs. Le chapitre 3 présente la partie importante d’expérimentation et d’optimisation de la cellule élémentaire à base de convertisseurs DAB des points de vue fonctionnels mais aussi et surtout structurels. L’étude de l’isolation galvanique de la structure de conversion DAB reste l'objectif principal à développer pour démontrer le potentiel de remplacer le transformateur par une isolation capacitive. La conception de la puce de commande dédiée aux nouveaux transistors GaNs, les résultats pratiques des performances sont présentés dans le dernier chapitre. Certaines comparaisons du driver QGD (Quad Gate Driver) avec les autres solutions de transfert d’ordres de commande sont également discutées. La mise en œuvre du circuit de commande dans un convertisseur DAB afin de valider le fonctionnement de QGD est introduite dans les perspectives. / In order to improve the management and the production efficiency in renewable energy, power electronics systems have become important contributors. In this context, gallium nitride transistors (GaN HFETs) provide new opportunities for high power density, high switching speed and they pull up the effective management of renewable energies. However, this new opportunity requires effective gate drivers and optimal packaging and assembly. This thesis will introduce the general approach of a new architecture for multi cellular conversion and a monolithic multichannel and synchronized drive for GaN components, which are applicable in our specific context. This thesis is composed of four chapters. A bibliographic section is presented in first chapter. A new comparative methodology has been developed in this chapter in order to benchmark the DAB (Dual Active Bridge) converter with respect to other DC converters. In the second chapter, a generic solution (converter grid) has been explained in order to reduce the energy conversion constraints. Chapter 3 presents the important parts of the experimentation and the optimization of DAB converter. High frequency transformer replacing by capacitors is the main objective of this section. The design of the Quad Gate Driver (QGD) IC dedicated to GaNs transistors control in H bridge configuration and the results of their performances are presented in the last chapter. Some comparisons of this approach with other signal transfer solutions are also discussed. The implementation of the QGD in a full bridge transistor converter is introduced into the perspective section.

La tendance actuelle vers la miniaturisation des circuits électroniques a poussé vers ledéveloppement des systèmes sur puce (SoC : System on Chip) contenant plusieurs composants. Cescomposants réalisant des fonctions variées, ont besoin de différentes tensions d’alimentation fourniesà l’aide de plusieurs convertisseurs DC/DC connectés à l’alimentation du SoC. Actuellement, laplupart des circuits électroniques dans les applications portables contiennent des convertisseursDC/DC conventionnels utilisant une inductance pour stocker transitoirement l’énergie électrique.L’inductance étant un composant passif difficilement intégrable, ces convertisseurs sontconnectés à l’extérieur de la puce. Une alternative aux convertisseurs conventionnels est leconvertisseur à capacités commutés, qui a l’avantage d’être facilement intégrable sur silicium.Toutefois, il présente des limitations à cause de la dépendance du facteur de conversion avec lenombre de condensateurs. De plus, les pertes inhérentes à la charge et à la décharge descondensateurs font diminuer son rendement. Il est donc intéressant de trouver une nouvellealternative pour concevoir un convertisseur DC/DC compact et performant afin d’obtenir un circuitélectronique complètement intégrable sur silicium.Le sujet de cette thèse répond au besoin d’une nouvelle méthode de conversion DC/DCintégrable sur silicium et à haut rendement. L’idée est d’utiliser une capacité variable mécaniquementà la place d’une inductance pour stocker l’énergie électrique transitoire. Le condensateur variable serafabriqué par des procédés de fabrication de microsystème MEMS sur silicium ce qui permet d’intégrerla totalité du convertisseur.Dans ce mémoire, nous expliquons tout d’abord le principe et le fonctionnement d’un abaisseur etd’un élévateur de tension utilisant notre nouvelle approche. Par la suite, nous présentons laconception et la fabrication d'un MEMS adapté à la conversion de tension. Finalement, nousexpliquons notre méthode de contrôle utilisant une commutation à zéro de tension. Le rendement d'unélévateur 10V-20V obtenu par simulation est de l’ordre de 88% lorsque la gestion électrique estréalisée avec des composants discrets. Ce rendement très prometteur, devrait être amélioré dans lefutur lorsque tout le système sera intégré sur silicium. / Current trends towards miniaturization of electronic circuits had led to the advent of System onChip containing different types of circuits indented to perform different functions. These sub-systemsrequire different supply voltages that are delivered from the SoC supply voltage using several DC/DCconverters. Currently, most of the electronic circuits of portable applications use conventional SMPS(switch mode power supply) DC/DC converters containing an inductor element to stock temporally theelectrical energy.In this case the converter is outside the chip since the integration of the inductor is very difficultand that resistive losses increase when the coil diameter decreases. The alternative to use switchedcapacitor converters, which can be easily integrated on silicon, presents some limitations because ofthe dependence of the required number of capacitors on the conversion ratio, and because ofswitching losses due to the charge and the discharge of the capacitors inducing a decrease of theconversion efficiency. For that reason, it is interesting to develop a new alternative that allows thefabrication of a compact and efficient DC/DC converter in order to get a completely integrated system.This thesis focuses on a novel solution based on electrostatic MEMS in order to make anintegrated DC/DC converter with high efficiency. A mechanically variable capacitor is used instead ofthe inductor element to store the transient electrical energy. The variable capacitor is fabricated byMEMS micromachining process techniques compatible with CMOS process integration.In this work, we explain the principle and the operation of a step down and a step-up converterusing our novel approach through an energetic analysis, we design a MEMS device optimized withrespect to the voltage conversion application, and we present our converter control method using azero voltage switching technique. An efficiency of almost 88% was obtained by simulation of a 10V-20V converter, when the power management circuitry was considered with discrete elements; thisefficiency is promising and could be improved when the whole system will be integrated on silicon.: