Les structures de conversion multi-niveaux parallèles permettent de faire transiter de fortscourants tout en gardant une bonne puissance massique ; celles-ci sont réalisées en parallélisantdes cellules de commutation. Cette parallélisation permet de réduire le courant dans chaquecellule et ainsi de revenir dans des gammes plus standard de composants de puissance. Laparallélisation, en utilisant une commande adaptée, améliore les formes d’onde en sortie duconvertisseur. Ce manuscrit se focalisera sur une structure de conversion multiniveaux parallèlespécifique constituée de bras de hacheur dévolteur en parallèles couplés magnétiquement. Eneffet du fait de la commande entrelacée mise en place, l’ondulation du courant de sortie se voitréduite mais en contrepartie l’utilisation d’inductances séparées sur chaque bras entraine uneaugmentation de l’ondulation des courants de bras, directement liée au nombre de cellules decommutation, en fonction de l’ondulation du courant de sortie. Afin de palier à ce problème cesinductances sont remplacées par un (ou plusieurs) coupleur(s) magnétique(s) qui permet(tent) deréduire l’ondulation de courant dans chaque bras. Cependant dans le but de garantir la nonsaturation ainsi qu’une bonne intégration des coupleurs il est nécessaire de s’assurer del’équilibrage des courants de chaque bras malgré une différence entre les paramètres. Ainsi cemanuscrit s’est axé vers la détermination de différentes méthodes de modélisation découplant lesystème permettant le maintien de l’égale répartition des courants en utilisant des différences derapports cycliques. Ces méthodes de modélisation ont été généralisées afin de réaliser unalgorithme permettant de générer des lois de commande quel que soit le nombre de cellules enparallèle. Dans une dernière partie ces lois de commande ont été testées sur un prototype en lesimplémentant sur FPGA afin de procéder à une vérification expérimentale

Les logiciels d'optimisation constituent une aide au dimensionnement des dispositifs, susceptible d'améliorer la productivité des concepteurs dans l'industrie. Ces logiciels présentent néanmoins certaines limitations, découlant des méthodes d'optimisation utilisées ou liées à la modélisation du dispositif à dimensionner, desquelles il est possible de s'affranchir. Ainsi, l'adjonction à un tel logiciel de méthodes d'optimisation existantes, par ailleurs adaptées au contexte applicatif des composants magnétiques, permet au concepteur de considérer plusieurs objectifs simultanément ou d'intégrer les bases de données de fournisseurs. Une démarche de modélisation basée sur l'emploi de paramètres calculés à partir d'extrema de fonctions autorise quant à elle la prise en compte de manière unifiée des tolérances lors de l'optimisation ainsi que des gabarits, qui caractérisent les filtres électroniques par exemple. Un mode de calcul analytique des inductances de fuite des transformateurs est également proposé, afin d'améliorer la modélisation a priori de ce type de composant aux formats divers.

Le travail présenté dans cette thèse constitue une contribution au développement de dispositifs entrant dans le cadre de la génération de fortes puissances électriques pulsées. Le chapitre 1 est consacré à l'étude de thyristors haute tension fonctionnant en transitoires rapides. Les performances de différents types de thyristors sont analysées. Un certain nombre de commutateurs que nous avons réalisés sont présentés ainsi qu'une application relative à un électrofiltre fonctionnant sous alimentation pulsée. Le chapitre 2 analyse le fonctionnement de deux dispositifs amplificateurs de tension : le générateur de Marx et le transformateur d'impulsions. Concernant les générateurs de Marx, on analyse le rôle des éléments parasites qui contribuent à leur bon fonctionnement dans une structure classique utilisant des commutateurs à gaz et l'on propose une modification de cette structure initiale afin d'en améliorer leur déclenchement. Cette étude débouche sur les réalisations de générateurs de Marx à éclateurs à air et de générateurs de Marx à thyristors. Un transformateur d'impulsions haute tension est développé afin de résoudre un problème de reproductibilité de signaux ULB. Enfin, le chapitre 3 présente notre contribution à l'étude du générateur d'onde foudre SUPER DICOM, réalisé par THALES pour le Centre d'Essais Aéronautique de Toulouse (C.E.A.T.). Différents moyens de déclenchement des éclateurs de ce générateur sont testés et comparés. Pour terminer, une étude comparative portant sur les performances des éclateurs à air représentatifs de ceux utilisés pour ce générateur a été menée, sous tensions continue et impulsionnelle et pour deux matériaux : le laiton et le graphite.

Ce mémoire commence par une présentation de l'état de l'art en matière de circuits équivalents et de caractérisation expérimentale des composants bobinés. Il précise ensuite les modifications à apporter au circuit équivalent initial, pour des transformateurs à faible rendement et/ou faible couplage, ainsi que les méthodes de caractérisation expérimentale applicables à de tels composants. Les éléments du circuit équivalent du composant faisant l'objet de cette étude sont ensuite " évalués expérimentalement. La simulation, à l'aide du logiciel PSPICE, du comportement d'un circuit électronique intégrant ce composant est confrontée à l'expérience. Le gain en précision résultant de l'emploi d'un modèle adéquat pour chaque composant bobiné est ainsi mis en évidence. La suite de l'étude porte sur le calcul des éléments du circuit équivalent du transformateur à partir des données technologiques. Dans un premier temps, l'accent est mis sur les capacités parasites. En menant en parallèle une étude analytique et une modélisation électrostatique grâce au logiciel FLUX2D, l'incidence du mode de bobinage sur la valeur des capacités est analysée en détail. Des règles pratiques de bobinage, visant à diminuer ces capacités parasites, sont justifiées et appliquées à des prototypes industriels, avec succès. Le calcul des grandeurs magnétiques et des pertes à l'aide du logiciel FLUX2D, nécessite l'introduction d'une perméabilité complexe. Nous discutons alors de certaines limites de validité des méthodes classiques de caractérisation des matériaux magnétiques. Enfin, une méthode expérimentale originale, destinée à mesurer, à chaque fréquence, la résistivité et la perméabilité complexe d'un matériau magnétique conducteur linéaire est proposée et validée. Cette méthode est ensuite étendue au cas des matériaux composites (ferrites).

Ces travaux de thèse portent sur la conception et la réalisation d'un circuit générique de commandes rapprochées pour les transistors à grille isolée, notamment pour les MOSFETs et les IGBTs, compatible avec différentes structures de conversion d'énergie de l'électronique de puissance. L'objectif principal est de concevoir un système de commande simple à mettre en oeuvre, compact, intégrable et configurable pouvant servir un panel varié d'applications dites multi transistors. Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres : état de l'art de la commande rapprochée des transistors à grille isolée, présentation et validation d'une nouvelle topologie de commande rapprochée à base de transformateur d'impulsion, présentation et validation d'une version améliorée pour travailler à large spectre de fréquence et de rapport cyclique, conception et validation du circuit de commande générique contenant une puce intégrée en technologie CMOS et 6 transformateurs d'impulsions planars. Les champs d'application de ce concept du driver sont multiples, celui-ci favorise la simplicité de la conception et de la mise en oeuvre des systèmes de commande pour l'électronique de puissance.

Les phénomènes d'électrisation par écoulement dans les transformateurs haute tension prennent naissance à l'interface entre l'huile minérale et les écrans de carton placés entre les bobinages électriques. L'écoulement de l'huile à la surface du carton génère des charges électriques à l'interface, positives dans l'huile, négatives dans le carton. Les charges positives sont transportées par l'huile jusqu'à ce qu'elles rencontrent des parties du transformateur reliées à la terre. En revanche, les charges négatives formées dans le carton s'y accumulent. <br />Afin d'inhiber ce phénomène d'électrisation, qui peut être à l'origine de claquage destructif du transformateur, il a été nécessaire d'étudier les matériaux mis en cause, en particulier le carton. Les premiers travaux ont mis en relief l'influence de la nature chimique des matières premières cellulosiques du carton kraft, et par la suite, ont porté une attention particulière à la présence ou à l'absence de fonctions ionisables à bas pH, les fonctions carboxyle. <br />La recherche d'un remède et la nécessité d'approfondir les connaissances sur le phénomène ont conduit à étudier l'influence de divers additifs, ajoutés dans l'huile ou dans le matériau cellulosique. Un travail important a été consacré à l'ajout de sels ioniques en vue de neutraliser les fonctions carboxyle. Les résultats se sont révélés significatifs mais de répétabilité variable. Puis, des additifs acides et basiques ont été testés, lesquels ont produit des atténuations de la charge générée. De plus, des résultats intéressants (inversion du signe de la charge) ont été obtenus avec des surfactants, tel que le triton X100. Finalement, il a été montré qu'une partie de la génération de charge est expliquée par les interactions entre l'eau et les impuretés contenues dans l'huile, d'une part, et les fonctions carboxyle du matériau cellulosique, d'autre part. A la lumière de tous les résultats obtenus, des explications quant aux processus physico-chimiques intervenant dans le phénomène d'électrisation par écoulement ont pu être proposées.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au concept de stabilisation instantanée. Ainsi, nous avons tout d'abord proposé deux solutions instantanément stabilisantes au problème de parcours en profondeur pour des réseaux enracinés quelconques. Ces deux protocoles sont écrits dans le modèle à états et fonctionnent sous l'hypothèse d'un démon distribué inéquitable : le démon le plus général du modèle. Le premier est basé sur des listes d'identités. Le second utilise un principe de question/réponse pour remplacer les listes d'identités. Nous proposons ensuite deux applications instantanément stabilisantes obtenues à partir de nos deux protocoles de parcours en profondeur. Ces deux applications évaluent des propriétés globales sur le réseau. La première application permet de marquer les points d'articulation et les isthmes du réseau. La seconde application permet d'évaluer si un ensemble donné est un ensemble séparateur du réseau. Enfin, dans une dernière partie, nous adoptons une approche plus générale en étudiant un protocole efficace permettant de transformer semi-automatiquement des protocoles de service mono-initiateurs en protocoles instantanément stabilisants. Un protocole de parcours en profondeur et un protocole de construction d'arbre en largeur illustrent la facilité avec laquelle nous pouvons rendre instantanément stabilisants ce type protocole grâce à notre transformateur. Le protocole de parcours en profondeur est non seulement trivial à écrire mais les performances obtenues en font un compromis quasi idéal entre les protocoles à listes et à questions présentés précédemment. Enfin, grâce à une propriété de comptage due à notre transformateur, nous montrerons comment utiliser ce protocole de parcours pour résoudre en quelques lignes l'exclusion mutuelle de manière instantanément stabilisante.

Les transformateurs de courant débitent généralement dans une charge de faible impédance. Si cette condition n'est pas remplie, l'induction dans le tore et le courant magnétisant ne sont plus négligeables. Ce mémoire traite ce cas de figure avec en plus des courants éventuellement non sinusordaux et avec une composante contin!le. Un modèle analytique s'étoffe au fur et à mesure afin de tenir compte de ces spécificités. - D'abord nous analysons le comportement de la chaîne de mesure avec des courants sinusoidaux, nous développons un modèle analytique non linéaire de l'impédance magnétisante et évaluons l'importance des flux de fuite. Ensuite nous étendons ce modèle d'impédance magnétisante aux types de courants cités. Notre modèle, analytique, est alors robuste en fréquence. Enfin nous enrichissons notre modèle en tenant compte de la non-linéarité des matériaux. n est alors valable quelque soient les conditions de fonctionnement Une étude sur la caractérisation des matériaux magnétiques soumis à une excitation dissymétrique clôt ce mémoire.

La tendance actuelle des équipements électriques ferroviaires est une concentration de matériels dans des volumes de plus en plus faibles et pour des puissances de plus en plus élevées. Ce progrès est permis par des composants à fort rendement (IGBT) qui ont la caractéristique de générer des pertes harmoniques importantes dans les composants magnétiques, provoquant du bruit à forte composante tonale. En conséquence, les cahiers des charges deviennent de plus en plus drastiques et augmente la difficulté de conception optimale des transformateurs. C'est pourquoi il est nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d'intégrer les différents phénomènes tels que la thermique, le bruit ou les effets de la PWM. Cette thèse porte plus précisément sur le dimensionnement optimal des transformateurs et inductances présent dans les convertisseurs auxiliaires ferroviaires. L'intérêt de la mise en place une boucle d'optimisation sur un modèle multi-physique est montrée. Pour cela il est important de développer des modèles comportent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision. Dans cette thèse seule les composants magnétiques refroidis par une ventilation forcée sont étudiés. Un modèle thermique 3D semi-analytique couplé avec un modèle électromagnétique est utilisé. Le choix de l'optimiseur s'est porté sur l'algorithme NSGA-II permettant d'effectuer des optimisations multi-objectifs (poids et pertes) en incluant des contraintes thermiques. Pour finir une étude de sensibilité est effectuée grâce à une méthode de plan d'expérience afin de juger de la robustesse des solutions optimales

Ce projet fait l'objet d'une collaboration entre l'équipe EPI du laboratoire SATIE de l'ENS Cachan, le laboratoire LAPLACE et ALSTOM Transport dans le cadre du projet ANR " CONCIGI HT ". Les recherches dans le domaine du ferroviaire visent à réduire toujours plus la taille et le poids de la chaine de traction. Aujourd'hui, la volonté de poursuivre la réduction des temps de parcours est complétée par le souhait de diminuer la puissance consommée, ceci ayant des conséquences importantes sur la conception des chaines de traction. L'objectif de ce projet est de remplacer certaines parties de la chaine de puissance d'une locomotive par des systèmes permettant de diminuer de 30% leur encombrement, donc de diminuer jusqu'à 8,5 % l'énergie électrique consommée et augmenter le nombre de passagers transportés. Le travail présenté dans cette thèse porte sur le dimensionnement et l'étude de l'alimentation des allumeurs de semi-conducteurs SiC HT (pouvant atteindre un transitoire de 10 kV). La particularité de ces semi-conducteurs est leur application : ils constituent des convertisseurs multi-niveaux dont la fonction est de remplacer les transformateurs 25 kV/3 kV-50 Hz actuellement utilisés pour la traction ferroviaire. La principale contrainte porte donc sur la tenue diélectrique qui atteint un maximum de 60 kV liée aux transitoires présents sur la caténaire. Une alimentation à double isolation galvanique (DGIT-Double Galvanic Insulation Transformer) a donc été développée afin de répondre à la nécessité de double tenue diélectrique (10 kV et 60 kV). Dans un premier temps une structure permettant la double isolation galvanique a été développée avec l'objectif de réduire au maximum sa taille et son poids. Sa disposition spatiale et sa géométrique ont également été pris en considération (ainsi que de nombreux paramètre à la fois pertinents et contradictoires). Ceci afin d'obtenir le système optimal et une répartition des capacités de mode commun et différentiel respectant la forte tenue diélectrique. Dans un second temps une étude de l'alimentation adaptée au DGIT a été réalisée et testée. L'association du DGIT qui est un élément très inductif, de la charge qui est un driver à faible puissance et de l'aspect multi-niveau implique un fonctionnement atypique. Pour chacune de ces parties, une étude structurelle, fréquentielle et électrique a été réalisée afin d'obtenir un dispositif optimal du point de vue du volume, du poids et des pertes, tout en respectant la principale contrainte de la tenue à la THT (Très Haute Tension). Enfin, dans un troisième temps nous avons étudié la possibilité de remplacer les fibres optiques utilisées de nos jours pour la commande des allumeurs par un système basé sur la transmission par radio fréquence.