Th. 3e cycle--Électrotech.--Grenoble--I.N.P., 1982. N°: D3 164.

L'électronique de puissance prend une place croissante dans le domaine automobile, avec notamment l'apparition de systèmes de motorisation mixte thermique-électrique (véhicules hybrides). Dans cette optique, les outils de conception des convertisseurs basse tension doivent être suffisamment précis pour réduire les phases de prototypage, mais également pour analyser la robustesse d'un convertisseur face aux inévitables dispersions d'une fabrication en grande série.<br>Dans la première partie, nous proposons un modèle de MOSFET valide dans les différentes phases de fonctionnement rencontrées dans un onduleur (commutation du transistor, de sa diode interne, et fonctionnement en avalanche notamment). La nécessité de modélisation du câblage est ensuite démontrée, puis nous présentons la méthode de modélisation, reposant sur l'utilisation du logiciel InCa. <br>La seconde partie de cette thèse, qui repose principalement sur une démarche expérimentale, permet d'identifier les paramètres du modèle de MOSFET puis de valider la modélisation complète du convertisseur vis-à-vis de mesures. Pour cela, nous avons choisi un critère de comparaison très sensible aux erreurs de modélisation : le niveau de pertes du convertisseur. La mesure de ces pertes est effectuée par calorimétrie. <br>Nous en concluons que la modélisation proposée atteint une précision satisfaisante pour pouvoir être exploitée dans une démarche de conception, ce qui fait l'objet de la dernière partie de cette thèse. La simulation est alors utilisée pour étudier l'influence du câblage et de la commande sur les pertes d'un bras d'onduleur, puis pour étudier la répartition du courant entre transistors d'un assemblage en parallèle en tenant compte de leurs dispersions de caractéristiques. Une telle étude ne pourrait que très difficilement être effectuée de façon expérimentale (elle nécessiterait la modification du circuit pour insérer les instruments de mesure), ce qui montre l'intérêt de la conception assistée par ordinateur en tant qu'outil d'analyse.

La démarche générale du mémoire consiste à utiliser des outils mathématiques permettant d'élaborer un formalisme vectoriel applicable aux systèmes électriques au sens large. Ce formalisme bénéficie à la fois des propriétés graphiques et géométriques de la théorie des vecteurs d'espace qu'il généralise et de la puissance du calcul matriciel. Aussi, est-il tout particulièrement adapté à l'étude des systèmes polyphasés.<br />Tout d'abord, on caractérise les modulateurs d'énergie indépendamment de leurs charges. Pour cela des espaces vectoriels leur sont associés ainsi que des familles de vecteurs qui les caractérisent. Il est possible alors de définir quel type de charge le modulateur est capable de contrôler. Les degrés de liberté de la commande trouvent également une formulation mathématique. Les exemples traités sont les onduleurs de tension monophasé et triphasé deux niveaux. L'approche conduit, dans le cas d'une commande aux valeurs moyennes, à un calcul original des durées de conduction des interrupteurs en utilisant la notion de barycentre. Les algorithmes obtenus, généralisables aux onduleurs à n bras, comportent un nombre réduit d'opérations logiques et arithmétiques.<br />Le formalisme est ensuite appliqué à la machine asynchrone triphasée avec q barres au rotor ; ceci nous permet d'expliciter la notion de rotor diphasé équivalent. La machine asynchrone pentaphasée est également modélisée et l'approche développée met en évidence les conditions que doit remplir l'onduleur à 5 bras pour l'alimenter correctement.<br />Dans la dernière partie, un onduleur de courant à Modulation de Largeur d'Impulsions est étudié à l'aide du formalisme. Les non-linéarités de la commande sont prises en compte vectoriellement, notamment, de façon originale, celle concernant la durée minimale de conduction des interrupteurs. On décrit enfin l'implantation matérielle de cette commande sur microcontrôleur 16 bits et présente les résultats expérimentaux dans le cas d'une charge constituée d'une machine asynchrone triphasée en parallèle avec des condensateurs.

L'énergie électrique occupe un rôle de plus en plus important au sein des réseaux aéronautiques. Cela occasionne une forte émergence de l'électronique de puissance, qui constitue un domaine technologique crucial pour l'obtention de systèmes performants, fiables et compétitifs. Ce mémoire s'inscrit dans une approche d'aide à la conception des architectures de traitement de l'énergie électrique à partir d'éléments de conversion génériques et modulaires. Un recensement des applications des convertisseurs statiques est établi dans le cadre d'un réseau d'avion "plus électrique" afin de délimiter un périmètre structurel des modules de conversion. La modularité de ces éléments ouvre la voie à la segmentation de la puissance et à la redondance qu'il est proposé d'exploiter par la mise en oeuvre de convertisseurs à tolérance de panne, afin d'améliorer la disponibilité opérationnelle des systèmes. Dans cette perspective, plusieurs topologies d'onduleur sont comparées analytiquement et par simulation sur la base d'un modèle multiphysique d'actionneur électrohydrostatique de commandes de vol. Dans le cadre des études expérimentales, les modules de conversion réalisés comprennent en particulier les fonctionnalités appropriées pour mettre en oeuvre un onduleur reconfigurable, dédié à l'alimentation d'une machine synchrone à aimants permanents. Cet onduleur comporte une redondance mutualisée sous la forme d'une quatrième cellule de commutation connectée au neutre de la machine. Enfin, en vue d'étendre le champ d'application de ce module générique, différentes topologies de conversion alternatif-continu sont proposées pour optimiser la gestion de l'énergie par rapport aux solutions traditionnelles. Une comparaison quantitative sur des critères électriques et thermiques permet d'envisager les bénéfices de chaque structure.

Un nouveau concept d'onduleur courte période et fort champ a été proposé par Toru Hara à SPring-8 en 2004 : l'onduleur cryogénique à aimants permanents (CPMU). Il s'agit de refroidir des aimants Néodyme-Fer-Bore autour de 150 K. Cela permet d'utiliser ces aimants qui ont une rémanence jusqu'à 40% supérieure à celle des aimants utilisés conventionnellement dans les onduleurs. Pour évaluer les difficultés technologiques et la faisabilité de tels onduleurs, un CPMU de 2 m de long et de 18 mm de période a été lancé à l'ESRF. Ce travail présente le design et la réalisation du CPMU à l'ESRF. Un modèle magnétostatique du CPMU est présenté, il est basé sur des mesures de courbe d'aimantation à température cryogénique réalisées au laboratoire Louis Néel. Le modèle prévoit une augmentation du champ crête de l'onduleur de 8% autour de 150 K et de l'intégrale de champ de 20 Gcm. Un banc de mesure magnétique spécifique a également été développé à l'ESRF. Ce banc permet la mesure du champ local et des intégrales de champ sous vide. Son design et sa construction sont revus. Finalement les mesures magnétiques réalisées à température ambiante et à température cryogénique sont présentées. Ces mesures valident le modèle magnétostatique et les performances attendues.

Cette thèse concerne le couplage des systèmes photovoltaïques (PV) au réseau de distribution du point de vue contrôle/commande et rejet de perturbation. Le raccordement au réseau induit des couplages aux effets parfois indésirables. Le problème majeur est dû aux creux de tension provoqué par des court-circuits, à la foudre ou encore à certaines manœuvres. Dans ce contexte, des déconnexions apparaissent et parfois sont non-jutifiées, tout particulièrement en cas de défaut sur un départ adjacent BT/HTA; en cas d'un fort taux de pénétration de systèmes PV, une telle déconnexion qui serait généralisée peut avoir des conséquences néfastes. Les travaux de cette thèse se sont focalisés sur ce problème de couplage : effet des systèmes PV sur le réseau et réaction des systèmes PV face aux perturbations du réseau. A cet effet, des adaptations aux protections découplage sont proposées pour une intégration harmonieuse du système PV. Des stratégies de gestion de l'énergie ont été également mises au point participation à l'amélioration de la qualité de l'énergie localement et pour la tenue des systèmes PV aux perturbations.

Les composants semi-conducteurs à base de matériaux à grand gap (SiC et GaN) présentent des caractéristiques intéressantes pour la réalisation de convertisseurs d’électronique de puissance toujours plus intégrés. Cependant, le packaging des composants traditionnels en silicium ne semble plus adapté pour ces nouveaux composants et apparaît même comme un facteur limitant. Le développement d’un packaging adapté aux caractéristiques des composants à grand gap est alors nécessaire. Les travaux développés dans cette thèse proposent un nouveau packaging tridimensionnel basé sur un procédé de fabrication de circuit imprimé. L’architecture du module est basé sur le concept « Power Chip On Chip » dont le principe de base permet de réduire les perturbations électromagnétiques. Le procédé de fabrication des circuits imprimés offre une grande flexibilité pour le routage en trois dimensions et permet de s’affranchir de l’interconnexion par fil de bonding entre le package et la puce. La démarche de conception du module s’appuie sur une approche multi-physique afin de qualifier le comportement électromagnétique et thermique du module puis de proposer des voies d’optimisation. Un prototype d’un module implémentant quatre cellules de commutation en parallèle, à base de MOSFET SiC, a été produit avec des moyens de production industriels. Les différents tests réalisés valident l’approche retenue dans ce projet mais soulignent également les aspects technologiques à approfondir pour la réalisation d’un module de puissance industriel. / Wide-band-gap (WBG) semiconductors (SiC and Gan) offer interesting characteristics to realize high density power electronics converters. Conventional packaging used for silicon devices is no more adapted for those now components. Development of dedicated packaging for WBG devices is absolutely required. This PhD thesis presents a new 3D package based on Printed Circuit Board (PCB) industrial process. The module architecture is based on “Power Chip On Chip” concept which allows reducing electromagnetic perturbations. PCB fabrication process offers high design flexibility in three dimensions and allows removing wire bonding to interconnect power die and package. The power module design process is buit on multi-physics design tools in the aim to quantify electromagnetic and thermal behavior of the module. Furthermore, several optimization parameters are highlighted. A power module prototype, with four commutation cells in parallel based on SiC MOSFET, has been produced thanks to industrial facilities. Tests realized on new power module confirm the validity of the concept but furthermore to highlight critical technological parameters to realize an industrial power module.

Cette thèse concerne le couplage des systèmes photovoltaïques (PV) au réseau de distribution du point de vue contrôle/commande et rejet de perturbation. Le raccordement au réseau induit des couplages aux effets parfois indésirables. Le problème majeur est dû aux creux de tension provoqué par des court-circuits, à la foudre ou encore à certaines manœuvres. Dans ce contexte, des déconnexions apparaissent et parfois sont non-jutifiées, tout particulièrement en cas de défaut sur un départ adjacent BT/HTA; en cas d'un fort taux de pénétration de systèmes PV, une telle déconnexion qui serait généralisée peut avoir des conséquences néfastes. Les travaux de cette thèse se sont focalisés sur ce problème de couplage : effet des systèmes PV sur le réseau et réaction des systèmes PV face aux perturbations du réseau. A cet effet, des adaptations aux protections découplage sont proposées pour une intégration harmonieuse du système PV. Des stratégies de gestion de l'énergie ont été également mises au point participation à l'amélioration de la qualité de l'énergie localement et pour la tenue des systèmes PV aux perturbations. / This thesis concerns the coupling of photovoltaic (PV) to the distribution network in terms of control/command and disturbance decoupling. The connection of PV system to the grid induces the coupling some unwanted effects. The major problem is due to voltage sags caused by short circuits, lightning or some operations. In this context, disconnections occur and sometimes are unjustifies, especially in case of fault on LV/MV adjacent feeder and in case of a high penetration of PV systems, a such disconnection can provoke adverse consequences. The work of this thesis focused on the problem of coupling: effect of PV systems on the network and reaction of PV system facing network disturbance. For this purpose, adaptations to the decoupling protections are proposed for harmonious integration of PV. Strategies for energy management were also developed participation in improving the quality of local energy and for the holding of PV systems to disturbances.

Cette thèse présente une nouvelle extension d’onduleur multiniveaux, appelé ‘Multi Neutral Point’ (MNP). Cet onduleur est déduit des topologies des structures multiniveaux ‘Neutral Point Clamped’ (NPC) et ‘Multi Point Clamped’ (MPC). Les intérêts de cette extension sont: l’absence de diodes de bouclage, la possibilité de disposer de tous les nombres de niveaux, pairs et impairs et possibilité de fonctionner en mode dégradé. Nous avons élaboré une commande rapprochée simple des transistors de puissance, d’abord pour un MNP à 3 niveaux, ensuite pour les nombres de niveaux supérieurs. Nous avons comparé les pertes de puissance d’un onduleur MNP et d’un onduleur NPC. Les pertes de l’onduleur MNP sont largement inférieures à celles de l’onduleur NPC. Dans l’optique de contrôler en courant l’onduleur MNP, une stratégie nouvelle par régulateur PID d’ordre fractionnaire est également développée. Ce contrôle permet de diminuer nettement les erreurs d’amplitude et de phase entre le courant de référence et le courant de charge. La méthode nécessite le réglage des différents paramètres de contrôle en utilisant le principe d'optimisation ‘’multi-objectif’’. Le fonctionnement de l’ensemble convertisseur-contrôle-commande est enfin largement validé par simulation et par expérimentation / This thesis presents a new extension of multilevel inverters, called 'Multi Neutral Point' (MNP). This topology is deduced from Neutral Point Clamped (NPC) and Multi Point Clamped (MPC) structures. The advantage of this extension is twofold: the absence of clamping diodes and the possibility of operating on all the numbers of levels (even and odd). We have developed a simple command; we first present the command strategy for a three levels MNP, then for a five level MNP. We have compared the power losses in the power switches of an MNP and an NPC. The power losses for an MNP are far below those of the NPC inverter. For this inverter model, we have chosen a robust current control by a fractional PID controller. This control strategy can sharply reduce the amplitude and the phase errors between the reference current and the load one. This method requires the setting of various control parameters thanks to the principle of ‘’multiobjective optimization.'' In the end the set of converter-control command is validated by simulation and experimentation; the simulated and experimental results match very well

Le transport de l'énergie électrique par des réseaux triphasés a conduit par le passé au développement de convertisseurs électromécaniques triphasés. Ces derniers ont bénéficié de l'essor des interrupteurs de puissance et de celui des composants de commande type Digital Signal Processor (DSP). Les performances de ces classiques machines électriques triphasées associées à des onduleurs s'en sont trouvées accrues notamment dans le domaine de la vitesse variable.<br />Néanmoins des problèmes apparaissent tant au niveau de l'onduleur que de la machine lorsqu'on désire augmenter la puissance transmise. Les interrupteurs doivent en effet alors commuter des tensions et des courants d'amplitude plus élevée (coût unitaire plus élevé pour les modules et pollution électromagnétique accrue). Par ailleurs, à courant donné, l'augmentation de la puissance mène à des contraintes en tension pour les isolants. Ce dernier effet de contrainte (accélération du vieillissement des diélectriques) est d'autant plus accentué lorsque la machine est alimentée « classiquement » par un onduleur de tension fonctionnant en Modulation de Largeur d'Impulsions. Une piste classique pour la résolution de ces problèmes est celle, toute électronique, des convertisseurs multi-niveaux. <br />Un fractionnement de la puissance par augmentation du nombre de phases de la machine est une solution alternative et/ou complémentaire. A puissance et courant donnés les contraintes en tension diminuent. La multiplication du nombre de phases permet l'utilisation de modules d'électronique de puissance identiques de moindre coût unitaire (élément favorable en terme de coût de maintenance). De plus, ce type de structure polyphasée permet d'augmenter la tolérance aux pannes du convertisseur électromécanique. En fait, il s'agit de répartir les contraintes entre le convertisseur électromécanique et le convertisseur statique. De même, dans le cas des machines basses tensions (automobile par exemple), la présence de courants d'intensité très élevée nécessite en général une mise en parallèle de nombreux interrupteurs qu'il peut être judicieux (pour des raisons de surdimensionnement notamment) de répartir entre plus de 3 phases. Là encore, les machines polyphasées constituent une alternative économique d'autant qu'elles permettent de réduire les pulsations de couple et donc le bruit d'origine électromagnétique.<br />La problématique de recherche est l'étude et le développement d'ensembles complets comprenant le convertisseur statique, le convertisseur électromécanique polyphasé ainsi que la commande. En effet, l'adéquation entre la machine et le convertisseur est encore plus nécessaire que dans le cas d'une machine triphasée, la commande du convertisseur ne pouvant raisonnablement compenser certains défauts constructifs de la machine. Ainsi, un onduleur de tension qui alimente une machine polyphasée dont le bobinage est optimisé pour obtenir une force magnétomotrice sinusoidale va induire des courants parasites de forte amplitude dans la machine. Il est ainsi nécessaire de reprendre la conception du bobinage pour « désensibiliser » la machine.<br />L'adéquation du convertisseur électromécanique au convertisseur statique est recherchée d'une part en agissant sur les paramètres constructifs de la machine polyphasée afin de l'adapter le plus possible au convertisseur dont le caractère discret impose des contraintes à la machine. D'autre part, on agit également sur les degrés de liberté offerts par la commande du convertisseur statique (choix des vecteurs tension activés) afin d'exploiter au mieux la machine polyphasée (réduction des courants parasites, marche dégradée...).<br /><br />C'est donc une approche SYSTEME qui allie simultanément la conception de machine à celle de la commande de convertisseur d'électronique de puissance.