Le transfert de spin ouvre la voie à un nouveau contrôle de l'aimantation d'un nanoaimant utilisant un courant polarisé en spin plutôt qu'un champ magnétique. Plusieurs travaux ont montré l'efficacité de ce phénomène dans des nanopiliers aux aimantations perpendiculaires. Par conséquent, nous avons décidé pour cette thèse d'analyser en détail l'effet du transfert de spin sur ces dispositifs.Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à une approche globale du compor-tement de ces systèmes basée sur l'étude de leurs diagrammes de phase courant-champ. Grâce à la comparaison de nos données expérimentales avec différentes prédictions théoriques nous avons démontré que la plupart de nos observations sont expliquées par la brisure de la symétrie uni-axiale de nos systèmes engendrée sans doute par un axe d'anisotropie et/ou un champ magnétique non-perpendiculaires. De plus, nous avons développé une description purement énergétique de ces dispositifs permettant de comprendre simplement l'origine physique de leur comportement.Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au processus de retournement de l'aimantation de ces nanopiliers commençant par la nucléation d'un domaine et se poursuivant par la propagation d'une paroi de domaine. Notre étude combine les analyses de phénomènes thermiquement activés, de diagrammes de phase et de simulations micromagnétiques. Elles tendent toutes à montrer que le processus de nucléation est proche d'un comportement de type Stoner-Wohlfarth alors que le processus de propagation semble très dépendant de la structure de la paroi de domaine en particulier pour l'action du transfert de spin / The discover of spin-transfer opens a new way to control the magnetization of a nano-magnet using a spin polarized current instead of a magnetic field. Many studies showed that it is particularly efficient in nanopillar spin-valves with perpendicular magnetizations. Therefore, we decided to analyse into more details the impact of a spin polarized current on these devices during this thesisFirst, we were interested in a global approach of the behavior of these systems based on the understanding of their field and current phase diagrams. Comparing our experimental re-sults with various theoretical predictions, we demonstrated that their main features are ex-plained by a breaking of the uniaxial symmetry of the spin-valves due, for instance, to a non-perpendicular anisotropy axis or applied magnetic field. Moreover, we developed a purely energetic description of these devices allowing to understand simply the physical origin of their behavior.Then, we focused on the magnetization reversal process of these nanopillars dominated by a domain nucleation followed by domain wall propagation. We combined for this study the analysis of a thermally activated phenomenon called telegraph noise, of phase diagrams and of micromagnetic simulations. They all lead to the conclusion that the nucleation process is well described by a Stoner-Wohlfarth behaviour whereas the propagation process seems very dependent on the structure of the domain wall especially for the action of the spin-transfer.

Ces dernières années, la physique de la matière condensée a connu une profonde révolution de concepts par la découverte de nombreuses phases de la matière qui ne sont pas classifiables à la Landau, c’est à dire par leur groupe de symétrie. Si les premiers travaux remontent à ceux des effets Hall quantiques (entier et fractionnaire), ce n’est que récemment, avec l’avènement du graphène et des isolants topologiques que les physiciens ont réalisé que ces phases de la matière ne nécessitent, dans l’absolu, ni champ magnétique, ni basse température, par opposition aux effets Hall quantiques précédemment cités. Ces nouveaux états de la matière sont caractérisés non pas par la géométrie du problème mais plutôt par la topologie. Ici donc, la forme précise du spectre électronique n’est pas importante, seules certaines caractéristiques, comme la présence ou l’absence d’un gap, le sont. De manière similaire à la classification de Landau des groupes de symétries, il est possible de classifier ces nouveaux systèmes par l’intermédiaire de groupes topologiques. La branche mathématique invoquée est celle de la topologie algébrique. A travers les invariants qu’elle génère, il est possible de classer les états topologiquement non-triviaux. De plus, les transitions entre des états à topologies distinctes sont aussi accessibles par cette théorie. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse s’intéressent aux effets topologiques dans la structure de bandes de matériaux bi-dimensionnels. Après une présentation du formalisme mathématique général, un premier chapitre s’intéressera à la topologie locale, c’est à dire pour une portion restreinte de la première zone de Brillouin, des points de croisements de bandes, dits points de Dirac. Un effort sera porté vers la classification de ces systèmes et des transitions associées. Le chapitre suivant mettra en lumière un moyen efficace de mesurer les effets de la topologie des électrons en deux dimensions. Il s’agit de l’étude des niveaux de Landau qui résultent de l’application d’un champ magnétique 5transverse au plan des électrons. Les points de Dirac se transmutent alors en niveaux à énergie nulle topologiquement stables, c’est à dire peu ou pas influencés par les diverses perturbations. L’étude des différents modèles justifiera la discrimination entre la physique à champ magnétique faible et celle à champ magnétique fort, faible ou fort étant très dépendant du système étudié. Enfin, dans un dernier chapitre plus prospectif on s’intéressera à la topologie globale, c’est à dire pour l’ensemble de la première zone de Brillouin. Ce type d’étude est surtout caractérisé par l’existence d’états de bords robustes. On en fera l’expérience d’une double manière. D’abord par l’étude un modèle à un électron, puis par celle d’un système en forte interaction de N électrons. A travers les différents exemples étudiés, on s’attachera à démontrer la puissance de l’outil topologique pour les problèmes de la matière condensée, phénomène qui devrait s’accentuer les prochaines années. / During the last few decades, condensed matter physics has witnessed a deep refoundation of its paradigms, through the discovery of many systems that the usual symmety classification à la Landau cannot handle properly. Although the first major breaktroughs were realized at the time of discovery of integer and fractional quantum Hall effects, only recently physicists have agreed that these peculiar phases of matter require neither a magnetic field nor low temperature. Those new states of matter cannot be caracterized by the geometric aspects of the model but rather by topological ones. The precise shape of the electronic spectrum is no longer relevant, but only particular features are, such as the presence or the absence of a gap. Similarly to the Landau classification scheme, one can achieve a construction through extensive use of topological groups. This is the realm of algebraic topology. Related generated topological invariants can hold a classification of non-trivial topological states, as well as of the accompanying transitions. This thesis focusses on peculiar topological features of two-dimesnsional electronic band structures. After a technical introduction to the underlying formalism, the first chapter is devoted to local topology, that is for a restricted piece of the first Brillouin zone, of band crossing points, also known as Dirac points. Special care is taken to classify these points and related transitions. The next chapter sheds some light on a particularly efficent way of measuring topology for two-dimensional electrons. This is achieved through measurements of Landau levels that are generated by a magnetic field applied perpendicular to a plane. Dirac points then generate zero Landau levels that are topologically stable, i.e. almost not influenced by perturbations at all. Distinctions between low and high magnetic fields will prove to be relevant, although very system-dependant. Through the several models studied, we particularly stress out the importance of the topological tool for condensed matter physics, past present... and future.

Ce travail présente un modèle de pile à combustible plus approprié au domaine du génie électrique. Le modèle qui en résulte doit être en mesure d'intégrer des circuits électroniques de puissance et de donner des informations plus pertinentes que les modèles empiriques de type circuit. Les phénomènes du coeur de pile à combustible ont été étudiés. Les analogies entre mécanique des fluides et électricité ont été utilisés dans ce travail. Nous avons introduit le principe du flux d'énergie à notre modèle. Ceci garantit l'analogie appropriée entre deux différents domaines de l'ingénierie. L'exigence du faible coût de calcul exige de limiter le modèle à une seule dimension. Nous avons d'abord élaboré un modèle des tubes de gaz et des canaux pour les systèmes multi-espèces, puis, nous avons procédé à la modélisation des couches de diffusion de gaz, de la couche de réaction et de la membrane. A ce stade, nous avons obtenu un nouveau modèle de type circuit équivalent d'une monocellule de pile à combustible. Pour le modèle de pile n-cellule, la façon la plus simple qui peut être trouvé dans la plupart des ouvrages est de multiplier la tension de sortie d'une cellule par n. Toutefois, nous avons choisi de développer le modèle réel d'un stack comprenant 3 cellules, autrement dit, de modéliser 3 cellules indépendantes et donc de tenir compte de l'effet du canal commun de gaz qui assure la distribution de chacune des cellules d'un stack. Nous avons décidé de mettre en ?uvre le modèle sous Matlab / Simulink, logiciel très utilisé en génie électrique. Les résultats des simulations ont montré que le modèle fonctionne bien. Les phénomènes internes de la cellule sous conditions opératoires spécifiées ont été illustrés. La tension de sortie de cellule à partir du modèle est bien en accord avec les résultats expérimentaux. L'effet du réseau de canal entre chaque cellule de la pile a été exploré. Bien que le résultat escompté ait été obtenu, nous avons remarqué que l'effet du réseau de distribution de gaz, d'une cellule à l'autre d'un stack de 3 cellules était moindre. Ceci est dû aux paramètres géométriques du canal que nous avons implanté dans notre modèle qui correspondent à la structure réelle de la cellule, et qui est bien conçu. Néanmoins, cet effet devrait être fortement accentué dans le cas de stack comprenant de nombreuses cellules. Afin de vérifier que notre modèle atteint bien les objectifs visés, l'association d'un stack de 3 cellules et d'un convertisseur est simulée. Nous avons constaté que la simulation se fait sans difficulté et que le modèle autorise l'analyse de l'interaction entre la pile à combustible et le circuit convertisseur; l'objectif de la thèse est donc accompli / This work is an effort to create a more proper model for electrical engineers. The resultant model should be able to incorporate with power electronic circuits and give more insight information than the empirical circuit models. The mechanic of the fuel cell has been studied. The analogies of cell mechanics to electrical circuits were used in this work. We introduced the principle of energy port to our model. This guaranties the proper analogy between two different engineering domains. The requirement of the low computational cost suggested us to limit the model to only one dimension. We first developed a model of gas tubes and channels for multi-species systems, then, proceeded to the gas diffusion layers, the catalysts and the membrane. At this level we obtained a new equivalent circuit model of the single cell system. For the n-cell stack model, the simplest way which can be found in most literature is to multiply the single cell output voltage by n. However, we chose to develop the real 3-cell stack model, i.e., there was 3 independent cells in the system and the effect of common channels between each cell was incorporated. We decided to implement the model in Matlab/Simulink because it is common to most electrical engineers. The simulation results showed that the model is working weil. The internaI phenomena of the cell at the specified condition were illustrated. The cell output voltage from the model is weil agreed with the experimental result. The effect of the channel network between each cell in the stack had been explored. Although the expected result was obtained, we noticed that the channel network effect to the 3-cell stack operation was very small. This is because the channel parameters that we gave to the model are from the real cell structure, which is weil designed. Nevertheless, this effect should be more observable in a stack system which has higher cell number. To prove that the model can fulfill the ultimate thesis goal, the 3-cell stack model was connected to boost converter. We found that the simulation can be done without problem. The interaction between the fuel cell and the converter circuit is revealed; the objective of the thesis is accomplished

Le mémoire scientifique de l'HDR aborde dans un premier temps les problèmes de commande de systèmes en électronique de puissance et se focalise ensuite sur une nouvelle architecture utilisée pour des applications ferroviaires. Les systèmes en électronique de puissance présentent généralement la particularité de fonctionner en régime de commutation. Dans ce cas, même si le système est constitué par des sous-systèmes linéaires, le comportement global est non linéaire. Les non-linéarités sont de plusieurs natures : valeurs des paramètres dépendant du point de fonctionnement ou présentant des discontinuités ou encore variation de l'ordre du système suivant la phase de fonctionnement. On entend ici, par ordre, le degré de l'équation différentielle décrivant l'évolution dynamique des grandeurs du procédé. Ce fonctionnement en commutation est caractéristique de la plupart des systèmes en électronique de puissance. Ainsi, la commande de ce type de systèmes peut s'avérer relativement complexe, et cette difficulté s'accroît fortement lorsque le nombre d'éléments en commutation augmente (interrupteurs commandés, diodes, etc.). Dès lors il est nécessaire d'aborder le problème de la commande dans un cadre formalisé, d'une part afin de faciliter l'analyse et la synthèse de ce type de systèmes, d'autre part dans le but d'améliorer les performances lorsque leur recherche conduit à des fonctionnements aux limites des éléments composant le procédé. Cette nécessité d'outils méthodologiques est encore confirmée par les orientations actuelles d'implantation numérique des lois de commande. En effet, les progrès technologiques en termes de micro-contrôleurs ou de DSP facilitent l'implantation de lois de commandes plus complexes permettant une meilleure robustesse, éventuellement un gain de performances. Les fréquences de commande utilisées peuvent alors augmenter et se rapprocher de la fréquence de commutation des semi-conducteurs, ou même être synchronisées sur cette dernière. Ainsi certaines méthodes utilisées couramment en électronique de puissance, comme le moyennage par exemple, trouvent leurs limites lorsque la dynamique nécessaire pour satisfaire le cahier des charges se rapproche de la fréquence de commutation des interrupteurs commandés. Ce type de méthodes est souvent utilisé pour la commande de certaines classes de convertisseurs. Dans ce contexte, des modèles trop simples peuvent s'avérer insuffisants sur certaines réalisations, et conduire à des problèmes importants du point de vue de la commande. Cela est vrai en particulier lorsque la variation des paramètres du système (par exemple la charge ou la tension d'alimentation) conduit à des changements de mode de fonctionnement entraînant des variations de modèle non seulement paramétriques mais aussi d'ordre. Les outils de l'Automatique offrent une base méthodologique permettant d'aborder la commande de ce type de système. Une manière de traiter le problème de la modélisation et de la commande de certaines classes de systèmes en électronique de puissance est celle que nous avons utilisée dans les travaux concernant les convertisseurs à double résonance ou encore celle utilisée dans le cadre du projet Katium sur le développement d'un nouveau type de convertisseur multicellulaire pour applications ferroviaires.

L'électronique de puissance relève encore beaucoup à l'heure actuelle de l'artisanat. Selon les habitudes du concepteur, son expérience passée ou ses liens avec les sous-traitants, à un cahier des charges donné correspondront plusieurs structures, plusieurs technologies de fabrication, sans qu'on puisse réellement déterminer a priori laquelle est la meilleure. Le but de ce mémoire est de faire le point sur ce qu'il est raisonnable de vouloir simuler aujourd'hui (et demain) en électronique de puissance, afin d'aider cette discipline à sortir de l'ère du prototype, et, un peu à l'instar de la microélectronique, de concevoir juste, du premier coup. Deux grandes parties sont abordées pour traiter de la modélisation des semiconducteurs, des composants passifs (y compris les imperfections dues à la connectique) et de CEM: des modèles dits d'analyse, pour essayer d'être le plus précis possible dans la représentation des phénomènes multiples intervenant dans la commutation, et des modèles de conception, beaucoup plus simples mais permettant de dégager les paramètres importants et les tendances d'évolution. Ces deux approches complémentaires devraient rapidement permettre de mettre au point des outils de pré validation de cahier des charges, de pré dimensionnement de convertisseurs, qui seront ensuite affinés par un véritable "prototype informatique", utilisant les modèles fins des acteurs de la commutation.

L'énergie photovoltaïque connaît actuellement un fort développement. Après être restée pendant de longues années un moyen de production anecdotique (site isolé) le photovoltaïque devient aujourd'hui une source d'énergie connectée au réseau, en compétition avec les sources conventionnelles. Ce développement concerne principalement les installations de moins de 3kWc (90% des installations françaises). L'augmentation du nombre de ces centrales de petites puissances au coeur des bâtiments (intégré au bâti) met en exergue les problèmes d'ombrages et peu fortement limiter la production. C'est dans ce contexte de maximisation de la production PV et de changement des fonctionnalités que cette thèse explore les topologies de champs PV (générateurs PV + électronique de puissance) pouvant répondre à ces nouvelles exigences.

Un des enjeux importants de ces dernières années est l'optimisation des structures. Ce travail de thèse propose une méthodologie de pré-dimensionnement pour les convertisseurs statiques. Celle-ci se veut être la plus générale possible et s'appuie sur la mise au point de modèles analytiques simples sur lesquels le compromis précision-rapidité a été imposé. Une analyse des différentes méthodes de modélisation a donc été effectuée pour les différents phénomènes physiques en présence (Compatibilité électromagnétique CEM, ondulation, dynamique, thermique, volume..) ainsi qu'une validation sur une application hacheur synchrone dédiée à l'automobile. Plusieurs stratégies d'optimisation ont été évaluées, et leur influence sur les modèles utilisés a été analysée. Cette démarche permet non seulement de trouver une solution technologique viable mais permet aussi de faire un retour sur cahier des charges.

Avec la multiplication des systèmes électroniques analogiques et numériques embarqués dans les moyens de transports actuels, l’environnement EM (ElectroMagnétique) devient de plus en plus riche en signaux de toutes sortes et, par conséquent, il devient plus complexe à caractériser. Dans ces travaux de thèse, nous nous intéressons à un système numérique en particulier : le GSM-R (Global System for Mobile communications - Railways). Il s’agit du nouveau système de communication radio numérique portant la signalisation actuellement en cours de déploiement sur le réseau ferroviaire européen afin d'assurer l'interopérabilité des trains à grande vitesse en Europe. Ainsi, tous les pays d’Europe utiliseront le même système, ce qui facilitera la circulation des trains transfrontaliers d’un pays à l’autre. En environnement ferroviaire, le GSM-R doit faire face à différentes sources de bruit EM, notamment aux perturbations EM transitoires provenant du contact glissant entre le fil caténaire et le pantographe. Ces perturbations couvrent de larges bandes de fréquences dont, potentiellement, celles du GSM-R. Nous proposons une méthode de classification qui permet de prédire l’effet des perturbations EM transitoires sur la qualité des transmissions GSM-R. Cette méthode de classification pourrait être mise en place à bord des trains où elle permettrait d’identifier et localiser les zones critiques pour la qualité des transmissions GSM-R tout au long du trajet. Du point de vue de la standardisation, ces travaux de recherche pourraient contribuer à l’évolution nécessaire des équipements et des méthodologies définies dans les normes CEM afin de s’adapter aux nouvelles problématiques émanant de la multiplicité des systèmes et protocoles de communication sans fils employés dans le monde des transports.

La problématique de recherche traitée dans cette thèse d'habilitation à diriger les recherches est une contribution à l'amélioration de la sécurité dans les transports terrestres. Ces activités sont développées, au travers de la recherche prospective en télécommunications sur des problématiques de traitement de signaux et de transmission filaire et sans fil à haut débit pour la localisation, la communication V2V et V2I et finalement les techniques Radar. Ces activités de recherche se déclinent principalement en 3 axes : - Le premier axe concerne l'étude et le développement de systèmes de capteurs actifs de type radar pour la détection, la localisation d'obstacles et la communication longue et courte portées inter-véhicules, en environnement ouvert ou confiné, dans le domaine des transports routiers ou guidés. Deux voies technologiques sont explorées en prenant en compte le contexte multiutilisateur: l'une porte sur les radars ou capteurs fonctionnant en bande étroite et l'autre porte sur les Radar basés sur la technologie Ultra Large Bande (ULB). Le deuxième axe concerne l'étude et le développement des techniques de multiplexage et de codage multiutilisateurs, pour l'optimisation de la transmission radio mixte sur fibre optique. Il s'agit d'exploiter de nombreux réseaux d'antennes distribués installés dans les bâtiments, les centres commerciaux, les aéroports, les gares et dans les emprises ferroviaires ou guidés, pour optimiser la retransmission de plusieurs services, au sein d'une même fibre optique multi-mode. Ceci contribue à la réduction des coûts d'équipement, d'installation et de maintenance des gestionnaires d'infrastructures. Le troisième thème concerne l'étude et le développement des récepteurs sous-optimaux pour les besoins de transports. Il s'agit d'étudier des techniques performantes aptes à améliorer le pouvoir de réception dans des contextes multiutilisateurs, en environnement fortement contraints et bruités afin de contribuer à l'amélioration du débit des liens de communication sans fil. Les études théoriques sont très souvent poussées jusqu'aux expérimentations réelles. Les algorithmes de traitement de signaux issus de ces recherches sont implémentés sur les plateformes de développement de type FPGA.

La production d’électricité par des sources photovoltaïques joue un grand rôle dans les démarches qui visent à remplacer progressivement les combustibles fossiles par des sources d’énergie alternatives. La production énergétique photovoltaïque est en plein essor depuis l’introduction de systèmes photovoltaïques qui sont abordables pour des particuliers, une évolution à laquelle les subventions de l’Etat ont contribuée. C’est la raison pour l’installation de systèmes photovoltaïques dans des zones urbaines où les topologies conventionnelles de panneaux photovoltaïques en couplage série, qui sont appliquées dans les parc solaires, sont moins efficaces en raison des effets d’ombrage partiel par l’environnement urbain. Ce problème peut être réduit par l’application d’une topologie modulaire où chaque panneau est traité individuellement et indépendamment du reste des panneaux de couplage. Pour parvenir à cette modularité une topologie de convertisseur doit être développée qui peut être intégrée dans chaque module solaire. Dans le cadre de cette thèse un nouveau concept d'une installation solaire hybride modulaire a été étudié. Ce concept englobe le développement d'une topologie de convertisseur associé,qui peut être intégrée dans chaque module solaire du système solaire. Pour améliorer encore l’aspect de miniaturisation pour cette topologie de convertisseur et réduire ainsi le volume global du convertisseur, une augmentation de la fréquence de commutation accompagnée par l'utilisation de transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT) a été fixée. Pour cette application,un HEMT sur la base de nitrure de gallium (GaN), qui est disponible dans le commerce auprès de la société EPC a été sélectionné. L'objectif de la thèse est le développement d’un nouveau concept d’un driver intégré avec une séparation galvanique qui est capable de contrôler les HEMT du convertisseur solaire avec une fréquence de commutation de l'ordre mégahertz.À cette fin, une technologie à haute température, fournie par X -Fab Semiconductors AG a été choisie et une bibliothèque de composants contenant toutes les cellules nécessaires à la conception du pilote ASIC a été développée. Pour le driver ASIC un circuit de tension de base a été développé qui génère une tension core stable qui est apte à supporter sans problèmes une large gamme de tensions d'alimentation (5V - 18V) qu’ainsi que les changements de température dans la gamme de température étendue (-40°C -175°C) de la nouvelle technologie ASIC haute température XA035 fourni par X-Fab. Pour réaliser la transmission du signal de commutation à travers l'isolation galvanique, plusieurs circuits ont été évalués et un nouvel algorithme de codage Manchester modifié a été élaboré pour réduire la complexité des éléments de couplage requis.Cela a permis la transmission différentielle de signaux de données et d'horloge sur seulement deux voies de signaux à séparation galvanique. En utilisant ce schéma de codage, une transmission de données à isolation galvanique a été développée, qui permet la transmission d’un signal codé PWM avec une fréquence allant jusqu'à 50 MHz. En outre, le circuit de driver lui même a été intégré ce qui permet de contrôler le nitrure de gallium (GaN) HEMT utilisé avec une fréquence de 5 MHz avec un minimum de retard entre les signaux d'entrée et de sortie.Ceci a permis l'augmentation susmentionnée de la fréquence de commutation du convertisseur et la réduction concomitante du volume global.Comme le concept de driver low-side qui a été développé utilise une isolation galvanique, il peut être utilisé aussi pour commander des transistors high-side, cette technologie n'est pas limitée à l'application dans un convertisseur photovoltaïque et il est envisageable qu’il puisse être réutilisé dans des types de conversion avec une topologie multi-level qui nécessite la commande du HEMT avec une fréquence de commutation élevée. / The generation of electricity through photovoltaic sources plays a great role in the transition from fossil fuel sources to alternate energy sources. It has been on the rise in the especially since the introduction of affordable photovoltaic systems for private customers accompanied by public subsidies. This leads to the application of photovoltaic systems in urban areas where conventional string topologies of photovoltaic arrays that are applied in solar parks are less efficient due to the effects of partial shading by the urban environment. This issue can be reduced by changing the photovoltaic array to a modular topology where each panel is treated individually and independently from the rest of the array. To achieve this modularity a converter topology needs to be developed that can be integrated into each solar module.In the frame of this work a novel concept of a hybrid modular solar array was researched and a converter topology supporting the solar modules was developed. To reinforce the miniaturization aspect of the converter topology the increase of switching frequency and the use of high-electron-mobility-transistors (HEMT) was decided. The focus of the thesis was to develop a novel integrated galvanically-isolated driver concept that is able to drive the HEMTs of the solar converter with a switching frequency in the MHz range. A high-temperature technology provided by X-Fab Semiconductors AG was chosen for this purpose and a component library containing all cells required for the design of the driver ASIC was developed. For the driver ASIC a core voltage circuit was developed that provides a stable core voltage of 3.3V while being able to tolerate a wide range of supply voltages (5V - 18V) as well as temperature changes in the complete extended temperature range (-40°C - 175°C) of the novel high-temperature ASIC technology XA035 provided by X-Fab. To achieve the transmission of the switching signal over the galvanic isolation several coupler circuits were evaluated and a novel modified Manchester coding algorithm was developed to reduce the complexity of the required coupling elements. This modified Manchester code enables the decoding and the rebuilding of the clock signal from just a single transmitted encoded signal and does not require the additional transmission of the original clock signal to for the decoding process usually necessary in a great part of conventional Manchester decoder circuits. Furthermore the driver circuit itself was developed that is able to drive the used GaN HEMT at a frequency of 5MHz with minimal delay between input and output signal of the driver.As the developed galvanically-isolated driver ASIC exhibits a low-side driver topology that can be also be applied for the high-side due to the galvanic isolation its use is not limited to the application in the presented modular photovoltaic system and it can be reused in any kind of multi-level converter topology that requires the driving of HEMTs with a high switching frequency. / Die Erzeugung elektrischer Energie durch Photovoltaik spielt angesichts des angestrebtenEnergiewechsels weg von fossilen Brennstoffen und hin zu erneuerbaren Energien eine bedeutendeRolle. Die photovoltaische Energieerzeugung befindet sich seit der Einführung erschwinglicherSolarmodule gepaart mit staatlichen Subventionen besonders im privaten Bereichim Aufschwung. Dies führte dazu, dass es auch im urbanen Bereich zum Aufbau vonPhotovoltaikanlagen kam, wo sich die herkömmlichen Reihenschaltungs-Topologien, die ingroßen Solarparks zur Anwendung kommen als nicht sehr effektiv erweisen, was besondersauf auftretende Teilverschattung durch die urbane Umgebung zurückzuführen ist. DiesesProblem kann durch die Verwendung von modularer Topologien verringert werden, da hier alleSolarpanels individuell und unabhängig voneinander behandelt werden können. Um diese Modularitätzu ermöglichen muss eine Wandlertopologie entwickelt werden, die in einzelne Solarmoduleintegriert werden kann.Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiges Konzept einer hybriden, modularen Solaranlageuntersucht. Dieses Konzept umfasste die Entwicklung einer zugehörigen Wandlertopologie,die in jedes Solarmodul der Solaranlage integriert werden kann. Um den Miniaturisierungsaspektfür diese Wandlertopologie noch zu verstärken und somit das Bauvolumen des Wandlerszu reduzieren, wurde eine Erhöhung der Schaltfrequenz einhergehend mit dem Einsatzvon Transistoren mit hohen Elektronenbeweglichkeit (high-electron-mobility transistor; HEMT)festgelegt. Für diese Anwendung wurde ein HEMT basierend auf Gallium-Nitrid (GaN), derkommerziell von der Firma EPC angeboten wird, ausgewählt. Der Schwerpunkt der vorliegendenArbeit war nun die Entwicklung eines neuartigen integrierten und galvanisch-isoliertenTreiberkonzepts das ermöglichen sollte, diese HEMTs bei einer Schaltfrequenz im MegahertzBereich zu betreiben. Zu diesem Zweck wurde, für die Erstellung des ASIC und einer zugehörigenBauteilebibliothek, eine hochtemperaturfähige CMOS Technologie ausgewählt, die vonX-Fab Semiconductor AG zur Verfügung gestellt wurde. Für die Verwendung im Treiber-ASICwurde eine Schaltung entwickelt, die eine stabile Core-Spannung zur Verfügung stellen kann,die sowohl Versorgungsspannungsabweichungen in einem weiten Bereich (5V-18V) als auchTemperaturabweichungen über den gesamten erweiterten Temperaturbereich (-40°C - 175°C)der XA035 Technologie von X-Fab problemlos tolerieren kann. Um die Übertragung eines Datensignalüber die im Modul präsente galvanische Trennung zu ermöglichen, wurden sowohlmehrere galvanisch Isolierte Koppelkonzepte ausgewertet als auch die Entwicklung eines neuartigenmodifizierten Manchester Kodierungsverfahren vorangetrieben, das es ermöglicht, denUmfang der benötigten galvanischen Koppelelemente zu reduzieren. Dieser modifizierte ManchesterCode erlaubt das Dekodieren und die Wiedergewinnung des Takts aus nur einemübertragenen Signals und benötigt nicht die zusätzliche Übertragung des ursprünglichen Taktsignalsfür den Dekodierungsprozess, wie dies bei vielen herkömmlichen Manchester Decoder-Schaltungen der Fall ist. Dies ermöglichte die differentielle Übertragung von Datensignalund Takt über nur zwei galvanisch isolierte Signalpfade. Unter Verwendung dieses Kodierungsverfahrenswurde eine galvanisch isolierte Datenübertragung realisiert, die ein kodiertesPWM Signal mit einer Frequenz von bis zu 50MHz überträgt. Weiterhin wurde die Treiberschaltungselbst einwickelt, die es ermöglicht den verwendeten Gallium-Nitrid (GaN) HEMTmit einer Frequenz von 5MHz mit minimaler Verzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangssignaldes Treibers anzusteuern. Damit würde die zuvor erwähnte Erhöhung der Schaltfrequenzdes Wandlers und die damit einhergehende Reduzierung des Bauvolumens erreicht.