Les convertisseurs statique à structure tension sont des éléments essentiels de nombreux systèmes d'électronique de puissance tels que les variateurs de vitesse des machines alternatives, les alimentations sans interruption et les filtres actifs. Les défaillances d’un convertisseur, qu’elles proviennent d’un des composants de puissance commandables ou d’un des capteurs mis en œuvre, conduisent à la perte du contrôle des courants de phase. Ces défaillances peuvent provoquer de graves dysfonctionnements du système, voire conduire à sa mise hors tension. Par conséquent, afin d'empêcher la propagation de défauts aux autres composants et assurer la continuité de service en présence de défaut, des méthodes efficaces et rapides de détection et de compensation de défauts doivent être mises en œuvre. Dans ces travaux de thèse nous avons étudié un convertisseur triphasé à structure tension "fault tolerant". Ce convertisseur assure la continuité de service, en mode normal, en présence de défauts éventuels d’un semi-conducteur ou d’un capteur de courant. Dans ces travaux, nous avons choisi comme cas d’application le filtre actif parallèle (FAP) triphasé afin de valider la continuité de service du convertisseur "fault tolerant" lors de défauts. Les résultats expérimentaux montrent les performances et l’efficacité du convertisseur "fault tolerant" proposé. Pour réduire autant que possible le temps de détection du défaut, nous avons ciblé un composant numérique de type FPGA (Field Programmable Gate Array). Nous avons également proposé dans ce mémoire un nouveau flot de conception et de prototypage dit "FPGA in the loop" qui permet de réduire le temps de développement. / Voltage source converters (VSC) are essential components of many power electronics systems such as variable speed AC machines, uninterrupted power supplies and active power filters. A sudden failure in one of the used power switches or the current sensors decreases system performances and leads to disconnect the system. Moreover, if the fault is not quickly detected and compensated, it can lead to hard failure. Hence, to reduce the failure rate and to prevent unscheduled shutdown, effective and fast fault detection and compensation schemes must be implemented. In this thesis work we have studied a fault tolerant VSC. This converter provides the continuity of service in the presence of a semiconductor or a current sensor fault. In this work, we have chosen the shunt active power filter application to validate the studied fault tolerant VSC performances. The experimental results confirms the satisfactory performances and efficiency of the proposed fault tolerant VSC. To minimize the fault detection time, we targeted a FPGA (Field Programmable Gate Array) component. We also proposed in this thesis a new methodology to design and prototype so-called “FPGA in the Loop” that will reduce development time of the digital controllers.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'élaboration d'une stratégie complète d'identification et de commande neuronale d'un filtre actif parallèle (FAP). L'objectif visé est l'amélioration des performances par rapport aux systèmes classiques de dépollution des installations électriques basse tension. Basée sur l'utilisation des techniques neuromimétiques, notre approche de compensation des harmoniques se fait en trois étapes. Les deux premières étapes identifient respectivement les composantes de la tension et les courants harmoniques à l'aide de réseaux de neurones du type Adaline. La troisième étape injecte les courants harmoniques dans le réseau électrique par un module de commande à base de réseaux de neurones multicouches. Plusieurs architectures neuronales ont été développées et comparées pour chacune des étapes. La structure proposée s'adapte automatiquement aux variations de la charge du réseau et donc aux fluctuations du contenu harmonique des perturbations. Elle permet également la compensation sélective des harmoniques et la correction du facteur de charge. Finalement, ces stratégies ont été validées sur un banc expérimental et leur aptitude à l'intégration matérielle a été testée en simulation.

Cette thèse s'inscrit dans les études menées sur la commande des dispositifs de l'électronique<br />de puissance dédiés à la qualité de l'énergie. Différentes structures de contrôle numériques<br />avancées (les correcteurs à base d'intégrateurs, le correcteur prédictif Dead-Beat et le<br />Contrôle Direct de Puissance avec modulation vectorielle) ont été analysées et comparées, sur<br />les plans tant théoriques que pratiques, et ce sur des applications multi-fréquentielles, plus<br />concrètement sur l'application au filtrage actif parallèle, une des applications les plus<br />exigeantes de l'électronique de puissance.<br />Une première étude a été réalisée en basse tension et ensuite, vu l'évolution de l'électronique<br />de puissance vers des applications plus puissantes, une étude en montant en tension a été<br />menée afin d'identifier les limitations qui apparaissent. Même si les limitations les plus<br />importantes se trouvent dans la partie de puissance des convertisseurs (le courant, la tension et<br />surtout la fréquence de commutation des semiconducteurs), on montre que des commandes<br />plus performantes peuvent repousser les limites naturelles aux convertisseurs.

Cette thèse propose des approches neuromimétiques d'identification et de commande avec des applications directes au Filtre Actif Parallèle (FAP) et au Moteur Synchrone à Aiment Permanent (MSAP). Une structure neuronale complète a été développée pour réaliser toutes les fonctionnalités d'un FAP pour compenser des harmoniques de courant. La phase instantanée et les composantes symétriques d'un système triphasé de tensions ou de courants ont été estimées avec une boucle à verrouillage de phase neuronale. L'identification des harmoniques de courant a été réalisée avec des réseaux de neurones de type Adaline opérant dans les différents repères. Plusieurs schémas de commande ont été développés pour réinjecter les courants de compensation à l'aide d'un onduleur. Ils sont basés sur des techniques neuromimétiques, sur la logique floue, ou sur leur association. Une approche neuronale a été développée pour commander une MSAP à distribution quelconque avec des contraintes prédéterminées réduisant les ondulations du couple. Elle consiste en des schémas de commande directe en couple ou en vitesse pour obtenir les courants statoriques optimaux qui donnent exactement le couple électromagnétique (ou la vitesse) désiré et qui réduisent au maximum les pertes par effet Joule. Ces commandes intègrent deux blocs neuronaux, l'un dédié au calcul des courants optimaux et l'autre pour assurer leur génération à travers un onduleur de tension. Toutes les approches neuromimétiques ont été validées par des tests de simulation et des essais expérimentaux. Des comparaisons avec les méthodes de commande classique démontrent des caractéristiques supérieures en termes de performance et de robustesse.

Cette thèse propose des approches neuromimétiques d'identification et de commande avec des applications directes au Filtre Actif Parallèle (FAP) et au Moteur Synchrone à Aiment Permanent (MSAP). Une structure neuronale complète a été développée pour réaliser toutes les fonctionnalités d'un FAP pour compenser des harmoniques de courant. La phase instantanée et les composantes symétriques d'un système triphasé de tensions ou de courants ont été estimées avec une boucle à verrouillage de phase neuronale. L'identification des harmoniques de courant a été réalisée avec des réseaux de neurones de type Adaline opérant dans les différents repères. Plusieurs schémas de commande ont été développés pour réinjecter les courants de compensation à l'aide d'un onduleur. Ils sont basés sur des techniques neuromimétiques, sur la logique floue, ou sur leur association. Une approche neuronale a été développée pour commander une MSAP à distribution quelconque avec des contraintes prédéterminées réduisant les ondulations du couple. Elle consiste en des schémas de commande directe en couple ou en vitesse pour obtenir les courants statoriques optimaux qui donnent exactement le couple électromagnétique (ou la vitesse) désiré et qui réduisent au maximum les pertes par effet Joule. Ces commandes intègrent deux blocs neuronaux, l'un dédié au calcul des courants optimaux et l'autre pour assurer leur génération à travers un onduleur de tension. Toutes les approches neuromimétiques ont été validées par des tests de simulation et des essais expérimentaux. Des comparaisons avec les méthodes de commande classique démontrent des caractéristiques supérieures en termes de performance et de robustesse.

Ce travail de thèse entre dans le cadre de projets nationaux et internationaux de radioastronomie d'une manière générale et en particulier dans celui de SKA (Square Kilometre Array). La conception de circuits intégrés d’applications spécifiques devient de plus en plus importante dans ce domaine. La première étape de ce travail consiste à une étude bibliographique sur les inductances actives intégrées et leurs principales applications dédiées à la radioastronomie. Cette étude a permis de faire un état de l'art. Cet état de l'art a fait ressortir que l'intégration de certaines fonctions s'avère particulièrement difficile voire impossible dès lors que l'utilisation d'une inductance est nécessaire. Ceci est essentiellement dû à la taille importante des inductances. Parmi ces fonctions, nous avons le filtrage, certains types de transceivers, le temps de retard, etc. Or ces fonctions sont très importantes dans une architecture de radiofréquence propre aux réseaux d'antennes phasées. Ce travail de thèse est donc consacré à l'étude et la conception de ces différentes fonctions à l'aide des inductances actives basées sur des topologies à gyrateurs en technologie SiGeC 0,25 μm afin de palier aux problèmes d'intégration. Une des finalités de cette thèse est aussi de montrer que la consommation de ce procédé d'intégration n’est pas si excessive pour ces applications, par rapport à l’utilisation d’inductances localisées intégrées occupant une surface importante sur le substrat. Ce dernier point sera un résultat très important pour les projets où la très haute intégration à bas coût est nécessaire, point clé de réussite des réseaux phasés denses du projet international SKA. / This thesis work is part of national and international projects of radio-astronomy in general and in particular that of the SKA (Square Kilometre Array). The design of integrated circuits for specific applications is becoming increasingly important in this field. The first step in this work is a bibliography study on integrated active reactors and their main applications dedicated to radio astronomy. This study allowed making a state of the art. This state of the art has highlighted that the integration of some functions is made especially difficult by the need to use an inductor. This is mainly due to the large size of passive inductors. These functions include the filtering function, some transceivers types, the time delay, etc. But, they are very important in radio-frequency architecture owing to phased array antennas. This thesis propose the study and design of these different functions using active inductors based on gyrators topologies in SiGeC 0.25 μm technology in order to overcome the integration problems. One of the aims of this thesis is to show that the consumption of this integration process is not so excessive for these applications, compared to the use of integrated located inductors occupying a large area on the substrate. This last point is a very important result for projects where high integration at low cost is necessary, key point of the success of dense phased array in the SKA international project.

De nos jours, les énergies renouvelables remplacent les énergies fossiles. Pour assurer une l’interconnexion entre toutes ces installations électriques, l’électronique de puissance est nécessaire. Les principales spécifications de la prochaine génération de convertisseur de puissances sont un rendement et une densité de puissance élevés, fiabilité et faibles coûts. L’intégration PCB des composants actifs et/ou passifs est perçue comme une approche prometteuse, peu onéreuse et efficace. Les délais ainsi que les coûts de fabrication des convertisseurs de puissance peuvent considérablement réduits. L’intégration permet également d’améliorer les performances des convertisseurs. Dans ce but, un concept original d’inductance 3D pliable utilisant la technologie PCB est présenté. Il permet un coût faible pour une production en série, ainsi qu’une excellente reproductibilité. Un usinage partiel de la carte PCB est utilisé, permettant le pliage et la conception des enroulements de l’inductance. Différents prototypes sont développés par le biais d’une procédure d’optimisation. Des tests électriques et thermiques sont réalisés pour valider l’applicabilité du concept au sein de convertisseurs de puissance.Le développement d’une procédure d’optimisation appliqué aux convertisseurs hautement intégrés utilisant l’enterrement PCB est présenté. Tous les choix importants, facilitant l’intégration PCB, e.g. réduction des composants passifs, sont présentés. Cela inclut la sélection de la topologie adéquate avec la modulation associée. La procédure de design et les modèles analytiques sont introduits. Il en résulte un convertisseur comprenant quatre pont-complet entrelacés avec des bras fonctionnant à basse (50 Hz) et haute (180 kHz) fréquences. Cette configuration autorise une variation de courant importante dans les inductances, assurant ainsi la commutation des semi-conducteurs à zéro de tension (ZVS), et ceux sur une période complète du réseau. L’impact de la forte variation de courant sur le filtre CEM est compensé par l’entrelacement. Deux prototypes d’un convertisseur AC/DC bidirectionnel de 3.3 kW sont présentés, les résultats théorique et pratique sont analysés.Pour augmenter la densité de puissance du system, un filtre actif de type “Buck” est étudié. La procédure d’optimisation est adaptée à partir de la procédure implémentée pour le convertisseur AC/DC. L’approche utilisée, mène à un convertisseur opérant également en ZVS durant une période compète du réseau, et ce, à fréquence de commutation fixe. Les technologies sélectionnées, condensateur céramique et inductance compatible avec la technologie PCB sont favorable à l’intégration et sont implémenté sur le prototype. / Nowadays, the green energy sources are replacing fossil energies. To assure proper interconnections between all these different electrical facilities, power electronics is mandatory. The main requirements of next generation converters are high efficiency, high power density, high reliability and low-cost. The Printed Circuit Board (PCB) integration of dies and/or passives is foreseen as a promising, low-cost and efficient approach. The manufacturing time and cost of power converters can be drastically reduced. Moreover, integration allows the converter performances to be improved. For this purpose, an original 3D folded power inductor concept using PCB technology is introduced. It is low cost for mass production and presents good reproducibility. A partial milling of the PCB is used to allow bending and building the inductor winding. Prototypes are designed through an optimisation procedure. Electrical and thermal tests are performed to validate the applicability in power converters. The development of an optimisation procedure for highly integrated converters, using PCB embedding, is presented. All important choices, facilitating the PCB integration, e.g. reduction of passive components, are presented. It includes the selection of the suitable converter topology with the associated modulation. The design procedure and implemented analytical models are introduced. It results in four interleaved full-bridges operating with low (50 Hz) and high (180 kHz) frequency legs. The configuration allows high current ripple in the input inductors inducing zero voltage switching (ZVS) for all the semiconductors, and for a complete grid period. The impact of high current ripple on the EMI filter is compensated by the interleaving. Two prototypes of a 3.3 kW bidirectional AC/DC converters are presented, theoretical and practical results are discussed. To further increase the power density of the overall system, a Buck power pulsating buffer is investigated. The optimisation procedure is derived from the procedure implemented for the AC/DC converter. The result favours an original approach, where the converter also operates with ZVS along the entire main period at a fixed switching frequency. The selected technologies for prototyping are integration friendly as ceramic capacitors and PCB based inductors are implemented in the final prototype.

Cette thèse propose des approches neuromimétiques d'identification et de commande avec des applications directes au Filtre Actif Parallèle (FAP) et au Moteur Synchrone à Aiment Permanent (MSAP). Une structure neuronale complète a été développée pour réaliser toutes les fonctionnalités d'un FAP pour compenser des harmoniques de courant. La phase instantanée et les composantes symétriques d'un système triphasé de tensions ou de courants ont été estimées avec une boucle à verrouillage de phase neuronale. L'identification des harmoniques de courant a été réalisée avec des réseaux de neurones de type Adaline opérant dans les différents repères. Plusieurs schémas de commande ont été développés pour réinjecter les courants de compensation à l'aide d'un onduleur. Ils sont basés sur des techniques neuromimétiques, sur la logique floue, ou sur leur association. Une approche neuronale a été développée pour commander une MSAP à distribution quelconque avec des contraintes prédéterminées réduisant les ondulations du couple. Elle consiste en des schémas de commande directe en couple ou en vitesse pour obtenir les courants statoriques optimaux qui donnent exactement le couple électromagnétique (ou la vitesse) désiré et qui réduisent au maximum les pertes par effet Joule. Ces commandes intègrent deux blocs neuronaux, l'un dédié au calcul des courants optimaux et l'autre pour assurer leur génération à travers un onduleur de tension. Toutes les approches neuromimétiques ont été validées par des tests de simulation et des essais expérimentaux. Des comparaisons avec les méthodes de commande classique démontrent des caractéristiques supérieures en termes de performance et de robustesse. / This thesis proposes Artificial Neural Networks (ANN) approaches for the identification and the control of an Active Power Filter (APF) and a Permanent-Magnet Synchronous Motor (PMSM). A completed neural architecture was developed for an APF for harmonic currents compensation. The instantaneous phase and the symmetrical components of a three-phase voltage or current were estimated with a neural phase Jock loop. The harmonic terms were identified by Adaline neural networks that estimate the instantaneous powers within different reference frames. Several intelligent techniques, based on neural networks, fuzzy logic or their association, were developed to control the inverter used to inject the harmonic currents phase-opposite. An original neural approach was also carried out for reducing the torque ripple of a non-sinusoidal PMSM. It consists in a direct torque or in a speed control schemes that elaborate the optimal stator currents which exactly give a desired electromagnetic torque or speed and which minimize the ohmic losses. The control schemes integrate two neural networks, one to calculate the optimal currents and one to ensure their generation through an inverter. The neural network approaches were all evaluated by simulated and experimental tests. The results confirm their excellent characteristics in terms of both performance and robustness. Comparisons with conventional methods prove their superiority.