L'évolution des composants d'électronique de puissance se heurte aujourd'hui aux limites physiques du silicium. L'utilisation des semi-conducteurs à large bande interdite permettraient de dépasser ces limites. Parmi ces nouveaux matériaux, le diamant possède les propriétés les plus intéressantes pour l'électronique de puissance : champ de rupture et conductivité thermique les plus élevés parmi les solides, grandes mobilités des porteurs électriques, possibilité de fonctionnement à haute température& Les substrats de diamant synthétisés actuellement par des méthodes de dépôt en phase vapeur ont des caractéristiques cristallographiques compatibles avec l'exploitation de ces propriétés en électronique de puissance. L'utilisation technologique du diamant reste toutefois difficile ; ses propriétés de dureté et d'inertie chimique rendent son utilisation délicate. L'objet de ces travaux est dans un premier temps d'évaluer les bénéfices que pourrait apporter le diamant en électronique de puissance. Ensuite, différentes étapes technologiques nécessaires à la fabrication de composants sur diamant sont étudiées : dépôts de contacts électriques, dopage et gravure ionique. Enfin, une étude sur la fabrication de diodes Schottky est présentée. Les résultats obtenus permettent d'établir les perspectives à ces travaux et les challenges scientifiques et technologiques qu'il reste à relever.

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 ce mémoire nous proposons une méthode d'analyse a priori des perturbations conduites dans les convertisseurs statiques d'électronique de puissance. Le premier chapitre introduit à la problématique de la compatibilité électromagnétique (CEM). Quelques méthodes classiques pour calculer les perturbations conduites dans les convertisseurs statiques sont passées en revue. Le deuxième chapitre présente l'approche qui est basée sur des modèlès simples de composants semiconducteurs qui permettent une représentation du système pour chaque configuration avec un système d'équations différentielles linéaire. Ceci entraîne un calcul plus aisé du régime permanent et une déduction directe de la décomposition fréquentielle pour les variables électriques intéressantes. L'approche est validée et située par rapport aux méthodes basées sur des simulations temporelles suivies de FFT. Une représentation graphique des perturbations conduites pour une fréquence donnée est proposée afin de faciliter la réflexion du concepteur de convertisseurs statiques en tenant compte des contraintes CEM. Le troisième chapitre est consacré à l'analyse avec la technique proposée de trois cas : un onduleur monophasé, un convertisseur à absorption sinusoïdale et un flyback résonant. La dernière partie de la thèse présente l'application de la méthode à l'optimisation des paramètres d'un filtre ayant comme objectif le respect des normes CEM pour une structure hacheur série.

Le travail présenté dans ce mémoire se rapporte à la recherche de circuits équivàlents à constantes localisées pour représenter le comportement électrique des transformateurs. Il s'inscrit dans la continuité d'une longue étude, commencée en 1988 et menée en collaboration avec plusieurs industriels. Il généralise les travaux antérieurs et mène à la représentation des transformateurs multi-enroulements. Les méthodes générales de représentation et d'identification expérimentale des transformateurs multienroulements sont établies. Pour y parvenir, des repères généraux concernant le nombre d'impédances mesurables, le nombre de pôles et de zéros de ces impédances sont dégagés. Des notions nouvelles, telles que le transformateur de fuite et la modélisation progressive, sont introduites. Un modèle analytique est développé pour rendre compte des effets des courants induits (peau et proximité) dans les conducteurs. La représentation de ces effets par des constantes localisées, impossible à priori puisqu'ils mènent à des impédances proportionnelles à la racine carrée de la fréquence, est résolue. Tout ceci est validé expérimentalement et, en marge de ce travail, un banc destiné à caractériser le rayonnement magnétique des composants magnétiques est étudié et testé avec succès. L'intérêt du travail précédent est illustré par l'étude d'une alimentation à découpage industrielle. Il s'avère que les imperfections du transformateur à trois enroulements exploité par cette alimentation, bien représentées par le circuit équivalent, influent très fortement sur le dimensionnement des autres composants ainsi que sur les perturbations de mode commun du montage. Il est ainsi démontré qu'un modèle précis de transformateur est un élément clé pour concevoir des alimentations à découpage fiables et conformes aux normes de compatibilité électromagnétique en vigueur.

Cette thèse se préoccupe d'améliorer la conception de convertisseur. Le nombre de contraintes augmente avec l'évolution technologique et les restrictions actuelle et amènent à .des solutions informatiques. Dans une première partie nous allons analysé nos connaissances actuelles sur la base de la réalisation d'un Flyback et d'un Forward. De nombreuses difficultés ont été rencontrées et une étude du transformateur en découle. Cette approche ne tien par contre pas conte des problèmes CEM. Dans une deuxième partie nous traitons la modélisation du transformateur. La prédétermination magnétique d'enroulement en fils de Litz est développée et des comparaisons avec des résultats expérimentaux la valide. Une approche analytique 2D permet d'améliorer le calcul * de l'inductru1ce de fuite. La pris en compte du plan de masse * et l'instauration d'une nouvelle méthode d'identification permet d'améliorer le modèle électrostatique du transformateur. La problématique de la CEM dans la conception est aborder dans la troisième partie. Un recensement des modèles * actuellement disponible est effectué. Trois méthodes * de calculs de perturbations en fréquencielle sont étudiées. Une analyse des perturbations, en fonction des paramètres des modèles, permet l'identification des paramètres les plus sensibles et d'agir en conséquence pour améliorer le comportement CEM. Une dernière partie est consacrée à l'expérimentation d'un logicielle de conception de convertisseur en plein développement. Jusque là il n'est pas encore possible d'obtenir des résultats probants cependant de nombreuses erreurs ont pu être éliminer et des modifications significatives sont élaborées pour une prochaine version.

L'amélioration de la fiabilité des convertisseurs hautes fréquences nécessite la connaissance de la puissance instantanée fournie par chaque interrupteur. Cette grandeur est très difficile à mesurer et le travail présenté ici vise à obtenir une bonne précision sur sa détermination en utilisant un oscilloscope numérique.<br /><br />Bien qu'en théorie la grandeur cherchée soit simplement le produit du courant par la tension, aucun oscilloscope ne permet d'atteindre la précision requise. Au long de cette étude, de nombreuses causes d'erreurs sont identifiées. Pour la plupart d'entre elles, des améliorations faisant appel soit à des procédures d'étalonnage - correction, soit à des techniques de traitement du signal, sont présentées et testées.<br /><br />Les erreurs introduites par les convertisseurs analogique-numérique de l'oscilloscope (quantification, non linéarités), ainsi que par les sondes de tension et de courant sont étudiées avec un soin particulier.<br /><br />Enfin, l'ensemble de cette étude permet de dégager des méthodes de mesures et des critères pour le choix d'un oscilloscope numérique pour ce type d'application. Ce travail s'est concrétisé par le développement et la mise au point d'une chaîne de mesure pour l'électronique de puissance.

Les avancées des dernières décennies dans le domaine de l'électronique ont permis l'intégration plus facile des dispositifs de commande à base de convertisseur sur un plus grand nombre d'applications. L'utilisation de ces dispositifs de commande offre des avantages importants au niveau du dimensionnement et de l'efficacité énergétique, mais, en contrepartie, leur modèle dynamique présente une complexité accrue en particulier à cause des dynamiques hétérogènes des différents composants. Ainsi, en général, on retrouve une dynamique très rapide liée au changement de fonctionnement des composants et une dynamique du reste du système plus lente par rapport à la première.<br />Les travaux de cette thèse abordent les problèmes de la modélisation hybride de ce type de systèmes. Un des points importants des travaux effectués est la mise en place d'en ensemble d'outils et de méthodes permettant d'obtenir un modèle automate hybride équivalent d'un système physique avec des interrupteurs. Dans l'approche proposée l'automate hybride est obtenu par la composition des équations du système issues de l'approche bond-graph commuté et des contraintes introduites par les interrupteurs.<br />La méthodologie proposée est ensuite utilisée pour définir un modèle de simulation sous Simulink.<br />Le problème de la commande est abordé dans le cadre particulier du démarrage d'un convertisseur à double résonance issu d'une application en imagerie médicale.

Le CEA-Leti propose des transistors bidirectionnels courant-tension sur base de la technologie récente HEMT GaN récemment appliquée à l’interrupteur de puissance. La caractéristique bidirectionnelle 4 segments ouvre de nouvelles perspectives en termes de structures d’électronique de puissance et amène à explorer les topologies qui requièrent ce type d'interrupteurs afin de permettre la conversion AC/DC ou AC/AC mono-étage. Ces structures, qui requièrent alors moins d’interrupteurs, permettent potentiellement de gagner en termes de compacité et de rendement. Les interrupteurs 4 segments CEA Leti ont la particularité d’être mono-grille, ce qui permet le pilotage d’un de ces interrupteurs avec un seul signal de commande. En revanche, cette spécificité amène à laisser de côté des stratégies de commande classique et à explorer de nouveaux modes de contrôle : dans ce cadre, ce travail de thèse s’est intéressé à des stratégies de commutation automatiques appliquées à l’interrupteur bidirectionnel mono-grille. Un « cadre de commutation » spécifique a été définit comme prérequis à la définition de toute topologie implémentant ce type d’interrupteur afin de mettre en œuvre des stratégies d’auto-commutation de type ZCS ou bien ZVS. Sur cette base, deux topologies, l’une ZCS, l’autre ZVS, ont été étudiées dans le cadre d’une conversion AC/DC avec fonction PFC et réversibilité en puissance. La topologie à commutations ZVS a été privilégiée pour une mise en œuvre expérimentale. Dans cette perspective, un circuit de driver capable de générer des auto-commutations ZVS a été conçu. Le fonctionnement du convertisseur en auto-commutations ZVS est validé par des essais sur un prototype en fonctionnement AC/DC. / CEA-Leti offers bidirectional current-voltage transistors based on the HEMT GaN technology recently applied to the power switch design. The 4-segment bidirectional feature opens new perspectives in terms of power electronics structures and leads to explore the topologies that require this type of switches, allowing to design single-stage AC-DC or AC-AC conversion systems. These structures, which then require fewer switches, offer potential benefits in terms of compactness and efficiency. The 4-segment CEA Leti switch has the particularity of being single-gate type, which allows to control one bidirectional switch with just one control signal. On the other hand, this specificity leads to avoid classical control strategies and to explore new modes of control: in this context, this thesis work was interested in automatic switching strategies applied to the single gate bidirectional switch. A specific "switch frame" has been defined as a preliminary condition for the definition of any topology implementing this type of switch in order to implement ZCS or ZVS self-switching strategies. On this basis, two topologies, one ZCS, the other ZVS, were studied in the context of an AC/DC conversion with PFC function and power reversibility. The ZVS switching topology has been selected for experimental implementation. In this perspective, a specific ZVS auto-switching driver circuit has been designed. The converter operation, in ZVS auto-switching, is validated by tests on a prototype in AC/DC conversion mode.

Les Alimentations Sans Interruption (ASI) ont pour rôle de protéger les charges sensibles. Leur utilisation nécessite l’usage de convertisseur de puissance AC/DC triphasé abaisseur et/ou élévateur de tension. Les ASI utilisent généralement une chaîne de conversion DC/DC+DC/AC ayant un rendement aux alentours de et sont souvent employées de façon continue. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier un convertisseur DC/AC triphasé réversible en puissance susceptible de fonctionner en abaisseur et en élévateur de tension pour atteindre un rendement souhaité de 98% avec un minimum de 97,5%. L’étude s’oriente vers des architectures de convertisseurs peu conventionnelles, l’utilisation de semi-conducteurs grand gap (SiC) et de composants passifs à faible pertes. Une méthode de comparaison rapide qui est à la fois analytique et numérique est présentée pour dimensionner ces architectures en se basant sur les caractéristiques fournies par les constructeurs. La solution ‘Gradateur Onduleur Différentiel’ a été jugée comme la plus adaptée à nos besoins. Les choix techniques pour ce convertisseur sont détaillés, puis une étude de faisabilité présentée. Le convertisseur retenu est non linéaire et sa commande utilise des principes de fonctionnement atypiques, différentes stratégies de régulation sont donc présentées. Des tests sont effectués pour valider la commande mise en place et réaliser les essais fonctionnels et mesures de rendement. Enfin les résultats sont comparés aux prévisions et la solution proposée est finalement globalement comparée à la chaîne de conversion AC/DC+DC/DC classique. / Uninterruptible Power Supply (UPS) aim at quasi-instantaneous protection of critical loads. A DC to 3-phase AC stepup/stepdown converter is needed. For UPS, energy transfer using battery generally uses a 2-stage DC/DC+DC/AC conversion with an efficiency close to 96%. UPS are generally running permanently. The goal of this PhD is to optimize this conversion chain to aim at a target efficiency of 98% with a minimum requirement of 97%. To achieve this, our study will start with a survey of reversible architectures with both stepup and stepdown capability. Using wide bandgap semi-conductors and low-loss passive components are also part of this study. The power converter topologies are compared with a quick dimensioning method wich use both analytic analyse and simulation to realised an element selection based on characteristic given by the constructors. Eligible power converters are evaluated and compared and the “AC chopper+Inverter” architecture is found to best match our requirements. Then the technical choices of the power converter are detailed and a feasibility study is presented for the worst-case scenario. The selected power converter topology is non-linear and its control includes specific states, different strategies for the network and DC line electric parameter regulation are presented. To allow the verification of the proposed regulation, functional tests and efficiency measurement at different points are realised on the prototype. As a conclusion, the results gathered with the prototype are compared to those of a more conventional AC/DC+DC/DC power chain.

L'augmentation du nombre de fonctions électriques disponibles dans les systèmes embarqués amène de nouvelles contraintes d'encombrement et de masse de leurs alimentations. Pour adresser ces problèmes, la miniaturisation et l'intégration des convertisseurs statiques sont donc des thématiques importantes de recherche qui aboutissent à de nombreuses évolutions technologiques et structurelles dont l'apparition de convertisseurs statiques à fréquence de fonctionnement élevée permettant la réduction des éléments passifs du convertisseurs.Ces avancées s'accompagnent cependant d'une augmentation des niveaux de perturbations électromagnétiques générés par le système. Afin de les diminuer, l'insertion de filtres CEM dans le système est nécessaire. Leurs performances sont fortement liées au contrôle de leurs éléments parasites. Les modèles développés jusqu'à présent concernent pour la plupart les effets conduits et l'évaluation de l'impact des phénomènes rayonnés est souvent ignoré ou au mieux basé sur des modèles simplistes. Un des objectifs de cette thèse est donc d'apporter un degré de complexification plus élevé des modèles de rayonnement des composants magnétiques utilisés dans les filtres CEM, tant par une approche par modélisation numérique que par la mise en oeuvre d'un modèle analytique.Dans un premier temps, une étude poussée du rayonnement magnétique de composants simples, les inductances toriques de mode différentiel, a été réalisée. Cette étude a débouché sur la mise en évidence des paramètres critiques déterminant la topologie du champ magnétique rayonné dans l'environnement proche du composant. Le résultat majeur de cette étude est l'importance de la répartition du bobinage autour du circuit magnétique sur le champ magnétique rayonné. De nouveaux modèles ont été proposés pour permettre la prédiction des champs proches rayonnés pour une gamme de fréquence inférieure à la résonance propre du composant.Par la suite, un modèle analytique fin du rayonnement magnétique des inductances de mode commun a été proposé. Ce modèle permet de déterminer \emph{a priori} le rayonnement magnétique proche du composant. Les études menées par la suite ont permis de relier les effets observés en rayonné au phénomènes conduits qui apparaissent dans ces composants notamment pour expliquer certains effets de transfert de mode (commun/différentiel).Dans une dernière partie, une étude de ces composants en susceptibilité électromagnétique (EM) a été menée. Elle a permis de rendre compte de l'influence d'une onde incidente de champ magnétique sur les composants étudiés et de valider les modèles proposés via une approche basée sur la réciprocité EM: la direction privilégiée de rayonnement est aussi celle de couplage facile pour un champ magnétique externe. / The number of electronic devices in embedded systems is constantly increasing and their contribution to volume and weight is a major concern. In order to solve these issues, a large research effort is devoted to volume reduction and power converters' integration. This lead to constant technological evolution including the appearance of high frequency power electronic converters allowing the reduction of the volume of passive components.However, due to the increase of operating frequencies and the minimization of inter-components distances, the electromagnetic radiations generated by these systems become more important. In order to decrease this interference, EMI filters are often necessary. Their performances are often related to the value of parasitic elements in the filter which must therefore be controlled. Nonetheless most of the existing models focus on conducted electromagnetic interference (EMI) and the impact of radiated phenomena is often ignored or greatly simplified. This work will therefore focus on developing highly accurate radiation models for magnetic components commonly used in EMI filters using both numeric and analytic tools.First, the magnetic fields radiated by differential mode (MD) toroidal coils, which belong to the basic magnetic components, will be thoroughly studied. This study highlighted the critical parameters determining the near-field topology. The main result is the discovery of the impact of the winding's layout around the magnetic core on the radiated magnetic field. New models have been developed in order to predict the radiated near field.Then, an accurate analytic model of the the magnetic radiation of common-mode (CM) chokes has been developed. It allows the prediction of the magnetic near-field. The application of the model lead to the correlation between radiated phenomena and conducted effects existing in these components. The importance of the winding on CM to DM mode coupling has therefore been highlighted.Finally, the electromagnetic (EM) susceptibility of these components has been studied. This work describes the influence of an external magnetic field on the components and validates the radiation models developed using the principle of EM reciprocity. It has been shown that the easy directions are the same for both the radiated and the coupled phenomena.