Le chapitre 1 introduit le sujet et son contexte. Les verrous sont identifiés.Le chapitre 2 fait l’état de l’art sur la topologie des enroulements constituants le transformateur.Les points forts et les points faibles des différentes topologies sont discutés. Les différents matériaux nécessaires à la réalisation de transformateurs (conducteur, magnétique et isolant) satisfaisant les exigences sur la haute température et la haute fréquence sont identifiés.Enfin, je présenterai la méthode de fabrication LTCC qui constitue une alternative à la technologie développée dans ce mémoire.Le chapitre 3 traite de la modélisation et de la conception des transformateurs en définissant la structure et ses degrés de libertés. L’utilisation des calculs analytiques et de simulations par la méthode des éléments finis permettent d’évaluer des transformateurs à enroulements entrelacés et à enroulements concentriques avec une bonne précision. Le chapitre 4 présente les procédés technologiques permettant la fabrication collective de transformateurs sur substrat magnétique. Il s’agit de l’isolation du substrat, de la croissance électrolytique des enroulements et de l’assemblage final du transformateur.Le chapitre 5 présente les méthodes de caractérisations de différentes propriétés du transformateur : résistance des enroulements en continu, inductances propres d’un enroulement et capacité d’isolement entre enroulements primaire et secondaire. Ces caractérisations permettent de confirmer les calculs analytiques et les hypothèses sur lesquelles ils reposent ainsi que les simulations magnétostatique et électrostatique par éléments finis.Le chapitre 6 permettra de conclure sur les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse et d’ouvrir des perspectives pour des travaux futurs / Chapter 1 introduces the topic and its associated context. Locks are identified.Chapter 2 is reviewing state of the art of winding topologies. Their strengths and weaknesses are discussed. Then, materials required for transformers microfabrication (conductors, magnetic material and insulation material) satisfying both high temperature and high frequency criteria are identified. Finally, LTCC fabrication process, an alternative to process used here, is presented.Chapter 3 discuss modelisation and design of transformers by defining the structures and its degrees of freedom. Analytical expressions and finite element analysis allows evaluation of interleaved transformer and tapped transformer within a good accuracy.Chapter 4 present technological process involved in batch-processed fabrication of transformers onto magnetic substrate. Processes are substrate insulation, conductors electrolytic growth of windings and final assembly of transformers.Chapter 5 present characterization methods of several properties of the transformers such as DC winding resistance, self-inductances of windings and isolation capacitance between primary and secondary winding. These characterizations confirm analytical expressions and their underlying hypothesis as well as magnetostatic and electrostatic finite element analysis.Chapter 6 concludes on work achieved during this PhD thesis and opens to further perspectives

Les convertisseurs multicellulaires DC-DC sont utilisés dans de nombreuses applications et de nombreux systèmes électriques. Ils présentent un intérêt particulier pour des applications spécifiques liées aux énergies renouvelables et aux Microgrids. Leur principal avantage provient de leur capacité intrinsèque à réduire les ondulations liées au découpage des grandeurs électriques en entrée et en sortie du système de conversion. Cette propriété intéressante au niveau système peut être étendue au fonctionnement interne du convertisseur en adjoignant à ce dernier un élément de filtrage par inductances couplées magnétiquement. Ce composant permet d’étendre les propriétés externes de réduction des ondulations au fonctionnement de chaque cellule du convertisseur. Il permet également d’augmenter la dynamique propre du système de conversion. Ces propriétés permettent de réduire significativement le niveau et le volume de filtrage en entrée et sortie du convertisseur et donc d’augmenter de manière importante sa compacité et son rendement énergétique. Cependant, l’ajout de ce dispositif magnétique induit, de par le couplage des équations du système qu’il provoque, une complexification du contrôle de la structure associée également à la nécessité d’augmenter le nombre de capteurs.Ce travail de thèse a pour objectif d’établir et d’évaluer différents modes de contrôle pour les convertisseurs multicellulaires DC-DC. Le point commun aux méthodes proposées est de permettre la gestion aussi bien des grandeurs externes au convertisseur que des grandeurs internes constituées par les courants de circulation entre cellules connectées en parallèle. Ces composantes de courant sont également nommées « courants différentiels ». Trois types de contrôle sont étudiés : Pour le premier, des correcteurs linéaires classiques sont utilisés conjointement avec des techniques de découplage des équations du système. La robustesse de ces méthodes de contrôle vis-à-vis des incertitudes sur la connaissance des paramètres du système fait l’objet d’un focus particulier dans cette partie du travail. Pour le second, une version modifiée de la technique de commande connue sous le nom Model Predictive Control est proposée. Celle-ci permet d’assurer le contrôle de la fréquence de commutation et l’entrelacement des commandes PWM des cellules. Pour le troisième mode, nous étudions une méthode basée sur le contrôle vectoriel direct des courants différentiels.Une implantation sur un système numérique équipé d’un micro-processeur et d’un FPGA est proposée et permet de valider les résultats de l’étude théorique. / The interleaved multicell DC-DC power converters are broadly used in many applications and systems especially in renewable energy systems and microgrids. They reduce the current ripple at the input and output side. Also, an implemented magnetic coupling between cells leads to reduce the current ripple in each of them and to improve the dynamical electrical behavior. These properties involve a reduction on the filtering requirements and so, allow to improve the converter compactness as well as its conversion efficiency. Nevertheless, for such power converters, the control complexity is also increased as well as the number of required sensors.The thesis aims to establish different mode of control of interleaved multicell DC-DC converters. The common point of these methods is to control the external quantities at the output of the converter but also the internal quantities, constituted by the circulating currents between parallel cells or in other words the differential currents. Three main strategies are investigated: the first one uses classical linear controllers with different decoupling technics and focuses on the robustness regarding the system parameters variations. The second one uses a Model Predictive Control technic which is designed to provide a fix switching frequency and interleaving of the cells PWM commands. The last one presents a space vector direct control of the differential currents.In a last part, these control principles are tested on a prototype and implemented on a Microcontroller and FPGA board in order to carry out an experimental verification.

L'objectif de réduction de la consommation en kérosène des avions passant par une plus grande efficacité des systèmes, la distribution électrique devient un moyen privilégié pour satisfaire les besoins. Dans ce cadre, la notion d'avion « plus électrique » implique de revoir les systèmes de distribution et d'étudier, notamment, le passage en haute tension continue(HVDC). Une description générale des systèmes embarqués sur les avions civils est donnée dans ce manuscrit ainsi qu'une description des avantages et inconvénients des différents vecteurs énergétiques permettant de mieux situer les gains envisageables lors du passage à l'électrification des systèmes. Cependant, la mise en place de la distribution HVDC peut entraîner de nouveaux problèmes, notamment de qualité et/ou d'instabilité. Afin de palier ces problèmes, une architecture est proposée dans laquelle les équipements sont reliés entre eux par des coeurs de distribution eux-mêmes liés par des organes de transferts de puissances pouvant maîtriser ces transferts: on parle alors de réseau maillé. Pour pouvoir réaliser ces transferts, deux types d'équipements électroniques de puissance sont proposés : le DCPFC (Direct Current Power Flow Controler) et le MAPFC (Mixed function for Actuation and Power Flow Control). Ces équipements imposent une gestion énergétique spécifique: il faut déterminer les modes de fonctionnement des équipements ainsi que les références des puissances à transférer. Pour cela, une modélisation du réseau sous forme de graphe est effectuée, ceci se traduisant par un algorithme générique permettant de déterminer les équations structurelles du réseau ainsi que deux algorithmes servant à contrôler des grandeurs distinctes: Les grandeurs discrètes sont contrôlées par un système expert détenant un ensemble de règles de fonctionnement ; Les grandeurs continues sont gérées par un algorithme de recherche de flot dans un graphe. Après la mise en place en simulation de l'ensemble du réseau maillé, un banc d'essai expérimental valide les principes décrits théoriquement et permet l'étude de différentes gestions énergétiques (tout autant qu'il permet de tester un équipement seul ou le réseau dans une configuration non-maillée). Finalement, une exploitation des concepts sur un réseau répondant aux normes aéronautiques est développée. Ceci posant notamment des problèmes aux niveaux de la conception des équipements mais également sur l'architecture actuelle des réseaux électriques (connexion du neutre des générateurs, protection des personnes, compatibilité électromagnétique, etc.).

Dans les domaines industriels et en particulier celui du transport, le nombre et la puissance des équipements électriques et électroniques embarqués est en constante augmentation. L’alimentation des équipements électriques et la commande de ces actionneurs nécessitent l’utilisation de convertisseurs d’électronique de puissance à découpage dont la nature perturbatrice n’est plus à démontrer. Afin de prendre en compte la CEM dès la phase de conception d’un produit, les constructeurs doivent disposer d’outils dédiés à la CEM ou à défaut de règles ou techniques de conception spécifiques. C’est dans l’optique de répondre à ces besoins que se sont orientés ces travaux de thèse.La première partie des travaux traite de la modélisation des perturbations conduites des organes de puissance d’une chaîne de traction : un ensemble convertisseur / machine synchrone à rotor bobiné. Cette étude a conduit à un modèle CEM générique d’une structure non isolée quelconque d’électronique de puissance. La deuxième partie a permis de développer une nouvelle méthode de calcul qui ouvre de réelles perspectives quant à la réduction des temps de calcul. Par l’observation et l’étude de signaux sur différents horizons temporels, une technique de reconstitution des perturbations de mode commun par convolution a été proposée. Une troisième partie, consiste à synthétiser les sources de perturbations grâce à l’élaboration de fonctions de transfert décrivant le comportement haute fréquence d’une cellule de commutation. Cette approche immédiatement exploitable en simulation numérique se distingue dans la mesure où elle permet de s’affranchir des non linéarités intrinsèques des composants semi-conducteurs. / In the transport field, whether road, rail, marine or aeronautic, the number and power of embedded electric or electronic devices are constantly increasing. New features, often developed for passengers comfort, are responsible for this increase. Moreover, many actuators which were previously mechanical, thermal or hydraulic are replaced by electrical ones. Those new actuators need an electrical power supply which most of the time rely on power electronics. It is well known that this kind of device generate high levels of disturbances. In order to take into account the electromagnetic compatibility (EMC) at the design stage of a product, builders need tools adapted to EMC or specific conception rules. The work performed during this thesis is geared in order to meet these needs.The first part deals with the modeling of conducted electromagnetic interferences (EMI) of an electrical power train mainly composed by power electronics converter and a wound rotor synchronous machine. Thanks to this study, a generic model of any non-insulated structure of power electronics was developed. The second part consists in developing a new computing method which allows to reduce the time of computing. Based on the observation of signals on different time intervals, a reconstruction technique by convolution product is proposed and applied for a common mode current. The third part deals with the elaboration of sources of disturbances by transfer functions which describe the high frequency behavior of a switching cell. This modeling is directly implementable in a circuit simulation software as it allows to linearize the intrinsic non linear behavior of the semiconductor components.

L'augmentation de la densité de puissance des convertisseurs d'énergie électrique nécessite une gestion thermique toujours plus performante. La thermique devient même l'élément dimensionnant de ces convertisseurs et est au centre des préoccupations des concepteurs. Le diamant présente des propriétés physico-chimiques exceptionnelles particulièrement adaptées à la gestion thermique des composants semi-conducteurs de l'électronique de puissance. C'est en effet le meilleur matériau isolant et conducteur thermique connu à ce jour. La possibilité de réaliser du diamant polycristallin de manière reproductible par synthèse CVD ouvre aujourd'hui à ce matériau un grand champ d'applications industrielles. Nous avons étudié les potentialités d'applications au domaine particulier de l'électronique de puissance. Nous avons tout d'abord développé une plateforme de simulation COMSOL qui nous permette d'évaluer différentes structures pour optimiser le système de refroidissement des composants d'électronique de puissance. Nous avons alors étudié deux solutions, l'utilisation d'un substrat diamant épais pour reporter les composants ou le dépôt direct d'une fine couche de passivation sur les composants en fin de fabrication. Nous avons ainsi développé une structure à substrat diamant et micropoteaux en cuivre qui permet d'extraire jusqu'à 800 W/cm² sous le composant pour un échauffement de 120°C. Cette structure a été réalisée technologiquement pour valider toute la démarche de simulation et conception. Ce prototype propose des performances particulièrement intéressantes pour l'intégration des convertisseurs d'électronique de puissance à haute densité de puissance. Nous avons également étudié la passivation des composants avec du diamant CVD en lieu et place du SiO2. L'intérêt d'une telle passivation est démontré en simulation et les différentes étapes de la réalisation technologique sont étudiées. Cette dernière partie met en évidence des difficultés qu'il faudra lever si l'on souhaite utiliser le diamant comme couche de passivation / The heat transfer is a major obstacle that limits the generalization of the power electronics. During recent years, components have higher performance and smaller size thanks to technological advances in electronic. However, the maximum operation temperature of silicon components has not changed for years. A lot of problems will appear due to the thermal limitation. Thus, electronic circuit design must be accompanied by a thermal study to validate the safe operation. The diamond has outstanding properties. It has several exceptional physical and chemical characteristics. This material is very interesting in plenty of application domains, such as electronics, mechanics, optics and telecommunications. This is the best material for electrical insulators (10MV.cm-1) and thermal conductors (2000W.m-1.K-1, five times more than copper). Nevertheless, the coefficient of thermal expansion of diamond is very close to that of silicon. These properties are particularly interesting in elaborating highly efficient thermal management systems in power electronics domain. In this study, we analyzed and quantified the advantages of the insertion of CVD diamond layer in the innovative thermal management assemblies. We also developed a specific model (We increased a layer of copper micro-pillars on the backside of the diamond substrate) to simulate the working environment of the component. In the simulation, we compared the use of a traditional substrate (AlN) with that of the diamond CVD one in order to confirm that using the diamond substrate reduced thermal resistance. By using MEMS micro-technology, the cooling performance of this structure has been greatly improved. This structure can achieve power dissipation more than 800W/cm². Using CVD diamond for efficient cooling of power devices could be a promising solution and is very interesting in embedded systems. This achievement in temperature range allows designers to increase the power density of system without concerning of heat dissipation and/or greatly extends the lifetime of the device. We also studied the passivation with CVD diamond instead of SiO2

A mesure que les demandes dans le domaine de l'électronique de puissance tendent vers des conditions de plus en plus extrêmes (forte densité de puissance, haute fréquence, haute température,…), l'évolution des systèmes de traitement de l'énergie électrique se heurte aux limites physiques du silicium. Une nouvelle approche basée sur l'utilisation des matériaux semi-conducteurs grand gap permettra de lever ces limites. Parmi ces matériaux, le diamant possède les propriétés les plus intéressantes pour l'électronique de puissance: champ de rupture et conductivité thermique exceptionnels, grandes mobilités des porteurs électriques, possibilité de fonctionnement à haute température… Les récents progrès dans la synthèse du diamant par des méthodes de dépôt en phase vapeur (CVD) permettent d'obtenir des substrats de caractéristiques cristallographiques compatibles avec l'exploitation de ces propriétés en électronique de puissance. Cependant, l'utilisation du diamant en tant que matériau électronique reste toutefois délicate à ce jour du fait de la grande difficulté de trouver des dopants convenables (en particulier les donneurs) dans le diamant. En outre, certaines propriétés du diamant telles que sa dureté extrême et son inertie chimique, faisant de lui un matériau unique, posent aussi des difficultés dans son utilisation technologique. L'objectif de ces travaux de thèse a été dans un premier temps d'évaluer les bénéfices que pourrait apporter le diamant en électronique de puissance ainsi que l'état de l'art de sa synthèse par dépôt en phase vapeur. Ensuite, différentes étapes technologiques nécessaires à la fabrication de composants sur diamant ont été étudiées: Gravure RIE, dépôt de contacts électriques. Enfin, ces travaux ont été illustrés par la réalisation et la caractérisation de diodes Schottky, dispositifs élémentaires de l'électronique de puissance. Les résultats obtenus permettent d'établir un bilan des verrous scientifiques et technologiques qu'il reste à relever pour une exploitation industrielle de la filière diamant. / As applications in the field of power electronics tend toward more extreme conditions (high power density, high frequency, high temperature ...), evolution of electric power treatment systems comes up against physical limits of silicon, the main semiconductor material used in electronic industry for over 50 years. A new approach based on the use of wide bandgap semiconductor materials will permit to overcome those limits. Among these materials, diamond is a very attractive material for power electronics switch devices due to its exceptional properties: high electric breakdown field, high carriers mobilities, exceptional thermal conductivity, high temperature operating possibility... However, the use of diamond as an electronic material is still very problematic due to the difficulty in the synthesis of high electronic grade CVD diamond and to find suitable dopants (in particular donors) in diamond. Besides, some of the unique properties of diamond, such as its extreme hardness and chemical inertness that make it an attractive material also cause difficulties in its application. Nevertheless, recent progress in the field of chemical vapor deposition (CVD) synthesis of diamond allow the study of the technological steps (RIE etching, ohmic and Schottky contacts, passivation,...) necessary for future diamond power devices processing. This is the aim of this thesis. In a first section, the uniqueness of diamond, the promise it bears as a potential material for specific electronic devices and the difficulties related to its application were reviewed. Then, the different technological steps required for power switching devices processing were studied: RIE etching, Ohmic and Schottky contacts. Finally, these works were illustrated by carrying out and electrical characterizations of Schottky Barrier Diodes. The achieved results allow us to make a summary of scientific and technological locks that remain for an industrial exploitation of diamond in power electronic switch devices field.

Dans le contexte de la prédétermination des pertes ,par commutation et des perforrnanc CEM (Comptabilité ElectroMagnétique) des convertisseurs statiques d'Electronique de Puissance lors de la phase de conception technologique, cette thèse est consacrée à l'élaboration d'un modèle précis de la cellule de commutation MOSFET-Diode pin. Dans ce~e étude trois aspects ayant d'importantes influences sur les formes d'ondes temporelles des commutations aussi biencle la partie puissance que celle de cornritande sont traitées: 1 i) Les interconnexions et des éléments parasites li~es à rimplantation géométrique et au choix de la technologie de réalisation des convertisseurs statiques ii) La dynamique des charges dans la base large des composants bipolaires semiconducteurs (ici la diode pin) qui est de nature distribuée Hi) Les capacités non-linéaires parasites de MOSFET et en particulier la capacité d'entrée et Miller intervenant lors de commutation Le modèle de cellule de commutation est validé en comparant les simulations effectuées avec les mesures sur le prototype réalisé à cette fin. Il a été montré que le domaine de validité du modèle est beaucoup plus large par rapport aux modèles existants:. le modèle est relativement robuste devant les changements des conditions de circuit environnant des composants semiconducteurs et les variations du point de fonctionnement. Des applications réelles présentées au dernier chapitre ont pour but de montrer d'une part l'importance de l'environnement parasite des semiconducteurs dans la modélisation, fme des convertisseurs statiques et d'autre part la possibilité de rendre compatible le modèle aux cas plus complexes (plusieurs interrupteurs en parallèle).

Les outils informatiques deviennent incontournables pour les concepteurs de circuits en électronique de puissance. Les étapes de tests sur prototypes n'échappent pas à cette règle. Le travail présenté dans ce manuscrit s'inscrit dans cet axe de " prototypage informatique ". Il met en avant l'étude de l'environnement électromagnétique des composants de puissance. Plus précisément, les imperfections dues au câblage seront étudiées. Dans un premier temps, les inductances parasites sont étudiées pour des structures particulières de câblage : la technologie busbar. Cette étude s'inscrit dans une volonté d'intégrer le câblage comme un composant à part entière dans les logiciels. Une méthode permettant de s'affranchir des déséquilibres en courant dans les composants mis en parallèles est également présentée. Dans une deuxième partie, l'aspect capacitif est pris en compte. Le but de cette étude est de trouver une méthode rapide et efficace de déterminer les capacités parasites de systèmes complexes. Une comparaison de plusieurs logiciels est donc effectuée. La méthode retenue est une adaptation de la méthode PEEC. Celle-ci est validée par des mesures.

Classiquement deux approches sont utilisées pour simuler les systèmes électroniques de puissance. La première, dite à topologie fixe, assimile les semi-conducteurs à des impédances de faible ou forte valeur en fonction de leur état. Les équations topologiques du système restent ainsi inchangées. Malgré sa simplicité, cette approche pose de sérieux problèmes de compromis entre précision des résultats et stabilité des méthodes numériques d'intégration. La deuxième, dite à topologie variable, assimile les semi-conducteurs à des connexions qui s'établissent ou disparaissent en fonction de l'état des semi-conducteurs. Il n'y a plus de problèmes de stabilité d'intégration ou de précision mais les équations topologiques du système sont dépendantes de l'état des interrupteurs. La détermination des conditions de transition (commutations) et la ré-écriture des équations sont des points délicats. Dans ce travail nous proposons une nouvelle approche, dite à topologie pseudo-variable qui combine les avantages des approches classiques sans en avoir les inconvénients. Les semi-conducteurs sont traités comme des dipôles comme dans les méthodes à topologie fixe, mais en fonction de leur état ils sont assimilés à des sources, de tension ou de courant, de valeur nulle ce qui leur donne une caractéristique idéale, comme dans les méthodes à topologie variable. La principale difficulté de cette nouvelle approche réside dans les contraintes algébriques, variables en fonction du temps, que les sources qui représentent les semi-conducteurs introduisent sur les variables d'état du circuit. Pour cette raison elle n'a, à notre connaissance, jamais été proposée. En adaptant au cas que nous traitons les techniques de partitionnement des coordonnées utilisées en mécanique de systèmes multicorps, nous montrons que ces contraintes peuvent être facilement prises en compte. Nous aboutissons ainsi à un algorithme de simulation à la fois très performant et bien adapté à la simulation des systèmes électromécaniques.

L'augmentation des fréquences de fonctionnement des convertisseurs statiques de l'Electronique de Puissance a rendu obligatoire une modélisation plus réaliste des composants magnétiques. Déduit uniquement de mesures extérieures au composant, le circuit électrique équivalent qui leur est associé comporte une vingtaine d'éléments discrets. Déterminé de façon systématique, grâce à une approche théorique et expérimentale rigoureuse, et rapide, grâce à l'utilisation de moyens informatiques adaptés, il permet de représenter l'ensemble des phénomènes physiques qui interviennent du continu jusqu'à une où deux décades au-delà de leur fréquence de travail. Une étude en température uniforme a montré que la possibilité de prédire le comportement électrique d'un transformateur à toute température, à partir de sa caractérisation à la température ambiante uniquement, était assurée pour les enroulements. Les données constructeur demeurent par contre insuffisantes pour quantifier correctement l'évolution du circuit magnétique. Les résistances du circuit équivalent, représentatives des pertes dans le composant, ont par ailleurs été validées par calorimétrie. Elles permettent ainsi d'estimer, avec une très bonne précision, les puissances dissipées pour une excitation et une charge données. En vue de répondre à l'absence de données complètes et réalistes de la part des fournisseurs de ferrites, une nouvelle méthode de caractérisation des matériaux magnétiques a été développée. Moyennant quelques précautions expérimentales, elle permet d'accéder, à toute fréquence et toute température uniforme, aux données perméabilité et permittivité complexes au moyen de relations analytiques simples. La méthode donne des grandeurs applicables à tout circuit magnétique, quelle que soit sa forme, et elle rend compte de tous les phénomènes physiques qui prennent naissance dans ie matériau lorsque la fréquence augmente, notamment du comportement capacitif que l'on observe dans les ferrites MnZn dès quelques dizaines de kHz. Cette méthode permet d'estimer les pertes fer jusqu'à environ LO MHz.