La connaissance et la maîtrise de nombreux régimes transitoires qui apparaissent et se propagent sur les réseaux et dans les matériels qui y sont connectés (transformateurs, parafoudres, ...) est un problème d'actualité. Un transformateur de puissance relié à un réseau moyenne tension ou très haute tension est soumis à différents types de surtension dont la connaissance permet d'évaluer les contraintes auxquelles sont soumises les isolations internes. D'une part, nous avons élaboré un nouveau modèle de transformateur cuirassé valable sur une très large gamme de fréquences, issu du principe de la dualité magnétique électrique afin de connaître son comportement interne (fréquences de résonance, coefficients de surtension). Ce modèle est destiné à être introduit dans des codes de calcul de réseaux, par exemple EMTP. Le modèle prend en compte les pertes dans le cuivre et dans le noyau magnétique. Des méthodes ont été également développées pour un calcul fiable des paramètres du modèle. D'autre part, une méthode d'analyse modale permettant d'illustrer le comportement oscillatoire d'un transformateur a été développée. Cette méthode conduit à un schéma équivalent qui sert à étudier les interactions du transformateur avec le réseau. Dans ces précédents modèles, les résultats calculés de simulation sont en bon accord avec ceux obtenus par la mesure, tant sur modèle réduit que sur transformateur THT réel. Par ailleurs, un algorithme de calcul de réseaux électriques fondé sur I'inversion de la transformée de Laplace a été développé. II permet l'inversion de la transformée de Laplace de plusieurs fonctions à la fois, en y adaptant la méthode nodale. Les résultats de calcul sont en très bon accord avec ceux des mesures et permettent d'espérer une meilleure simulation du système ligne-transformateur.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la propagation des courants porteurs en ligne dans le réseau de distribution d'énergie électrique. Pour simuler les phénomènes, des modèles HF des éléments ont été élaborés, principalement pour le transformateur MT/BT. Une grande partie est constituée par l'identification en HF du transformateur de puissance MT/BT, élément majeur et complexe du réseau de distribution. Après une étude bibliographique des modèles du transformateur en HF, nous avons réalisé de nombreuses mesures externes sur deux transformateurs réels 20/0,4 kV de moyenne puissance afin d'obtenir leurs impédances de transfert dans la gamme 100Hz – 10MHz. Des schémas équivalents ont été proposés, un en MF et un autre en HF. Les mesures et les méthodes nécessaires pour déterminer les caractéristiques de transfert de signaux MF-HF à travers le transformateur ont été synthétisées et présentées. Afin de valider ces modèles, les caractéristiques de transfert de signaux à travers le transformateur sont mesurées et puis comparées avec des simulations. Ensuite, les modèles HF des autres éléments principaux rencontrés dans le réseau de distribution sont analysés. Finalement, nous avons mis en oeuvre l'ensemble des modèles pour simuler avec ATP/EMTP la propagation des signaux HF dans un réseau de distribution réel. Plusieurs schémas sont exploités afin de rechercher les paramètres topologiques qui influent sur la qualité de transmission des CPL.

La généralisation des charges non linéaires dans l'industrie cause de nombreuses perturbations dans les réseaux électriques. Ainsi, les courants harmoniques augmentent les pertes dans les transformateurs, par le biais des effets pelliculaire et de proximité. Dès lors, ceux-ci sont assujettis à un sur échauffement. Afin d'éviter une défaillance diélectrique ainsi qu'un vieillissement prématuré, la température du point chaud ne doit pas excéder celle spécifiée par la classe. Néanmoins, pour une charge donnée il est difficile de prévoir le comportement électromagnétique et thermique d'un transformateur. L'objectif de cette thèse est donc de caractériser ce fonctionnement pour se prémunir lors de la phase de conception des nuisances ultérieures. <br /><br />Une première modélisation s'appuie sur une méthode analytique et axisymétrique permettant le calcul de la distribution des densités de courant dans les enroulements. Puis, après une homogénéisation des conducteurs, une méthode de résolution par éléments finis aboutit à l'obtention de la température en régime permanent. Enfin, la méthode est vérifiée sur un transformateur de type sec et de puissance modérée, associé à un banc expérimental innovant. <br /><br />Un second modèle propose une nouvelle approche analytique et numérique. Tout d'abord, une méthode des éléments finis 3D (MEF) permet le calcul du champ magnétique. Ce calcul non linéaire est alors associé aux équations de circuit. Puis, une MEF thermique 3D fournie la distribution de température. Finalement, le modèle couplé est appliqué à un transformateur de distribution de petite puissance et instrumenté pour vérifier le suréchauffement engendré par des courants non sinusoïdaux.

Ce travail est relatif à l’augmentation du courant de court-circuit du réseau électriqueportuaire alimentant le navire. Ceci passe par une modélisation des réseaux des charges, dutransformateur et enfin convertisseurs concernés. Munis de cette compréhension du système,diverses solutions à base d’électronique de puissance ou d’éléments passifs ont étéinvestiguées, simulées et évaluées à l’aune des performances exigées. Pour l’augmentation ducourant de court-circuit, un transformateur spécialement créé pour cette application à deuxenroulements primaires est proposé. L’esprit de la solution est de modifier la configuration dutransformateur au moment de la détection du court-circuit en modifiant son rapport detransformation. Un banc de test temps réel hybride a été architecturé afin de tester cettesolution. Les essais sur le banc de test ont permis d’obtenir des résultats satisfaisants etencourageants qui corroborent la théorie. Pour finir des études complémentaires, sousdifférents scenarii, ont été menées en simulation hors ligne. / This work is about the short-circuit current increase, inside the harbor’s electrical networkthat supplies the electrical grid of each vessel docked in port. We analyze the system’srequirements, the load demands, the transformer and finally the modeling of the convertersinvolved. Armed with this understanding of the system, various solutions like powerelectronics devices or passive equipments were investigated, simulated and evaluated in termsof performance requirements. To increase the short-circuit current, we provide a noveltransformer with two primary windings. The purpose of this solution is to change theconfiguration of the transformer when the short circuit is detected by changing thetransformation ratio. A real-time hybrid test bench has been build in order to test the solution.The real-time tests have yielded good and encouraging results, supporting the theory. Finally,further studies under various scenarios were conducted in offline simulations.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration entre les laboratoires G2ELAB et IMEP-LAHC en lien avec le projet BQR WiSiTUDe (Grenoble-INP). Le but de cette thèse concerne la conception, modélisation et caractérisation du gate driver intégré pour transistors de puissance à base d’un transformateur sans noyau pour le transfert isolé d'ordres de commutation. La thèse est composée de deux grandes parties : - Une partie de la conception, la modélisation et la caractérisation du transformateur intégré dans deux technologies CMOS 0.35 µm bulk et CMOS 0.18 µm SOI. - Une partie de la conception, la simulation et la mise en œuvre de deux circuits de commande intégrée dans ces deux technologies. Ainsi, l’aspect du système du convertisseur de puissance sera étudié en proposant une nouvelle conception couplée commande/puissance à faible charge. Les résultats de ce travail de thèse ont permis de valider les approches proposées. Deux modèles fiables (électrique 2D et électromagnétique 3D) du transformateur ont été établis et validés via une réalisation CMOS 0.35 µm standard. De plus, un driver CMOS bulk, intégrant l’ensemble du transformateur sans noyau avec plusieurs fonctions de pilotage de la commande rapprochée a été caractérisé et validé. Finalement, un gate driver générique a été conçu en technologie CMOS SOI, intégrant dans une seule puce les étages de commande éloignée, l’isolation galvanique et la commande rapprochée pour transistors de puissance. Ce gate driver présente nombre d’avantages en termes d’interconnexion, de la consommation de la surface de silicium, de la consommation énergétique du driver et de CEM. Les perspectives du travail de thèse sont multiples, à savoir d’une part l’assemblage 3D entre le gate driver et le composant de puissance et d’autre part les convertisseurs de multi-transistors. / This thesis work focuses on the design, modelling and the implementation of integrated gate drivers for power transistors based on CMOS coreless transformer. The main objectives of thesis are the design, modeling and characterization of coreless transformer in two technologies CMOS 0.35 µm bulk and CMOS 0.18 µm SOI, as well as the design and the characterization of two integrated gate drivers in these two technologies. The results of thesis allow us to validate our proposal models for coreless transformer: 2D electrical model and 3D electromagnetic model. Moreover, one CMOS bulk isolated gate driver which monolithically integrates the coreless transformer, the secondary side control circuit for power transistors has been fabricated and validated for both high side and low side configuration in a Buck converter. Finally, a CMOS SOI isolated gate driver is designed; integrates in one single chip the external control, the coreless transformer and the close gate driver circuit for power transistors. This one-chip solution presents a numerous advantages in term of interconnect parasitic, energy consumption, silicon surface consumption, and EMI with a high level of galvanic isolation. The perspectives of this SOI gate driver are multiple, on the one hand, are the 3D assemblies between gate driver/power transistors and on the other hand, are the multiple-switch converter.

Avec un encombrement minimal et rendement de 99% les transformateurs planars haute fréquence sont des solutions technologiques importantes pour les systèmes de conversion et de conditionnement de l'énergie électrique en électronique de puissance. L'objectif de l'étude consiste à rechercher un modèle du composant permettant à la fois de simuler son comportement dans un circuit d'électronique de puissance et d'optimiser ses performances lors de sa conception. Les modèles proposés prennent en compte les propriétés physiques et géométriques du composant. Les validations sont basées sur des confrontations avec les mesures. Une autre motivation forte de ce travail est que les modélisations numériques doivent prendre en compte simultanément les effets des courants induits et les capacités parasites, ce qui conduit, en haute fréquence, à des besoins prohibitifs en termes de capacité mémoire ou de temps de calcul. En se limitant aux transformateurs planar. La modélisation (dite LEEC) présentée ici s'appuie sur une discrétisation à échelle intermédiaire : spire par spire, c'est-à-dire couche par couche. Elle assemble deux approches analytiques déjà introduites par l'équipe : la première traite les aspects électrocinétiques (incluant les courants induits) et magnétiques et l'autre les aspects électrostatiques. Les circuits à constantes localisées basés sur la méthode LEEC montrent un très bon accord avec toutes les mesures jusqu'à 40 MHz. Des outils numériques sont aussi développés pour faciliter l'obtention de ces différents circuits en partant : soit de la description du composant, soit de mesures d'impédances. Pour compléter, la représentation des capacités d'un transformateur quelconque, développée en plusieurs étapes par l'équipe, est résumée et des précautions expérimentales originales appliquées à l'impédancemétrie sont exposées dans le détail. D'autres travaux visant à élargir le champ d'application de la méthode LEEC sont également présentés.

En aéronautique, les contraintes sont telles que la masse des filtres peut représenterjusqu'à 50% de la masse totale du convertisseur. Ces dernières années, les convertisseursmulticellulaires parallèles entrelacés et magnétiquement couplés ont conduit à améliorer lesperformances des convertisseurs (densité de puissance, efficacité, dynamique,...). Denombreuses topologies de filtrages entrelacés existent, l'objectif principal de cette étude est detrouver parmi ces topologies celles qui sont les mieux adaptées à la réalisation d'un onduleurde tension 110Veff / 400Hz triphasé 25kVA. Il est démontré que le choix du type de matériaumagnétique a un impact déterminant sur le poids, le volume et les pertes du convertisseur. Quidit parallélisation, dit multiplication du nombre de semi-conducteurs. Ces nouvelles structuresdoivent garantir à la fois un rendement élevé, une masse faible et une continuté defonctionnement, même en cas de panne d'un semiconducteur de puissance ou de sacommande. Mais coupler les phases entre elles, impose un lien indissociable qui peut êtrenuisible au fonctionnement de la structure en cas de dysfonctionnement. Des solutionsexistent et sont abordées dans l'étude. Enfin, la réalisation pratique d'un prototype semiindustrielde convertisseur triphasé utilisant des transformateurs interphases est présentée. Ils'agit d'un onduleur réseau avionique triphasé avec reconstruction de neutre pour fonctionneren déséquilibré. Les résultats expérimentaux démontrent l'avantage d'un convertisseur

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration entre les laboratoires G2ELAB et IMEP-LAHC en lien avec le projet BQR WiSiTUDe (Grenoble-INP). Le but de cette thèse concerne la conception, modélisation et caractérisation du gate driver intégré pour transistors de puissance à base d’un transformateur sans noyau pour le transfert isolé d'ordres de commutation. La thèse est composée de deux grandes parties : - Une partie de la conception, la modélisation et la caractérisation du transformateur intégré dans deux technologies CMOS 0.35 µm bulk et CMOS 0.18 µm SOI. - Une partie de la conception, la simulation et la mise en œuvre de deux circuits de commande intégrée dans ces deux technologies. Ainsi, l’aspect du système du convertisseur de puissance sera étudié en proposant une nouvelle conception couplée commande/puissance à faible charge. Les résultats de ce travail de thèse ont permis de valider les approches proposées. Deux modèles fiables (électrique 2D et électromagnétique 3D) du transformateur ont été établis et validés via une réalisation CMOS 0.35 µm standard. De plus, un driver CMOS bulk, intégrant l’ensemble du transformateur sans noyau avec plusieurs fonctions de pilotage de la commande rapprochée a été caractérisé et validé. Finalement, un gate driver générique a été conçu en technologie CMOS SOI, intégrant dans une seule puce les étages de commande éloignée, l’isolation galvanique et la commande rapprochée pour transistors de puissance. Ce gate driver présente nombre d’avantages en termes d’interconnexion, de la consommation de la surface de silicium, de la consommation énergétique du driver et de CEM. Les perspectives du travail de thèse sont multiples, à savoir d’une part l’assemblage 3D entre le gate driver et le composant de puissance et d’autre part les convertisseurs de multi-transistors. / This thesis work focuses on the design, modelling and the implementation of integrated gate drivers for power transistors based on CMOS coreless transformer. The main objectives of thesis are the design, modeling and characterization of coreless transformer in two technologies CMOS 0.35 µm bulk and CMOS 0.18 µm SOI, as well as the design and the characterization of two integrated gate drivers in these two technologies. The results of thesis allow us to validate our proposal models for coreless transformer: 2D electrical model and 3D electromagnetic model. Moreover, one CMOS bulk isolated gate driver which monolithically integrates the coreless transformer, the secondary side control circuit for power transistors has been fabricated and validated for both high side and low side configuration in a Buck converter. Finally, a CMOS SOI isolated gate driver is designed; integrates in one single chip the external control, the coreless transformer and the close gate driver circuit for power transistors. This one-chip solution presents a numerous advantages in term of interconnect parasitic, energy consumption, silicon surface consumption, and EMI with a high level of galvanic isolation. The perspectives of this SOI gate driver are multiple, on the one hand, are the 3D assemblies between gate driver/power transistors and on the other hand, are the multiple-switch converter.

Ce travail est relatif à l’augmentation du courant de court-circuit du réseau électriqueportuaire alimentant le navire. Ceci passe par une modélisation des réseaux des charges, dutransformateur et enfin convertisseurs concernés. Munis de cette compréhension du système,diverses solutions à base d’électronique de puissance ou d’éléments passifs ont étéinvestiguées, simulées et évaluées à l’aune des performances exigées. Pour l’augmentation ducourant de court-circuit, un transformateur spécialement créé pour cette application à deuxenroulements primaires est proposé. L’esprit de la solution est de modifier la configuration dutransformateur au moment de la détection du court-circuit en modifiant son rapport detransformation. Un banc de test temps réel hybride a été architecturé afin de tester cettesolution. Les essais sur le banc de test ont permis d’obtenir des résultats satisfaisants etencourageants qui corroborent la théorie. Pour finir des études complémentaires, sousdifférents scenarii, ont été menées en simulation hors ligne. / This work is about the short-circuit current increase, inside the harbor’s electrical networkthat supplies the electrical grid of each vessel docked in port. We analyze the system’srequirements, the load demands, the transformer and finally the modeling of the convertersinvolved. Armed with this understanding of the system, various solutions like powerelectronics devices or passive equipments were investigated, simulated and evaluated in termsof performance requirements. To increase the short-circuit current, we provide a noveltransformer with two primary windings. The purpose of this solution is to change theconfiguration of the transformer when the short circuit is detected by changing thetransformation ratio. A real-time hybrid test bench has been build in order to test the solution.The real-time tests have yielded good and encouraging results, supporting the theory. Finally,further studies under various scenarios were conducted in offline simulations.

Ce travail porte sur l’étude d’un nouveau type de thermo-transformateur à absorption-démixtion (TTAD) utilisant un mélange présentant une lacune de miscibilité à basse température. Dans ce cycle, l’opération de séparation, est effectuée par décantation gravitaire par simple refroidissement du mélange. La séparation est ainsi énergétiquement gratuite et permet d’atteindre des rendements thermiques plus élevés que ceux des pompes à chaleur à absorption classiques dans lesquelles la séparation s’effectue par distillation.Afin de trouver des mélanges de travail pour atteindre un saut thermique de 50°C, un outil de simulation numérique a été développé pour évaluer les performances des TTAD en fonction des conditions opératoires (rapport d’alimentation et nombre d’étages de la colonne de rectification inverse) et des caractéristiques des composés du mélange de travail (Cp, Lv, paramètres caractéristiques des équilibres liquide-liquide et liquide-vapeur). L’optimisation des conditions opératoires a ainsi permis d’obtenir un saut thermique maximal de 12,4°C pour le mélange n-heptane / DMF pris comme référence. En faisant varier les propriétés des composés autour de celles de ce mélange de référence, un saut maximum de 32°C a été calculé pour un mélange fictif. L’étude de 17 mélanges réels a permis atteindre 21°C de saut thermique. Une liste d’autres mélanges à étudier a été établie. A l’aide d’une unité pilote d’une puissance de 4kW, des mesures expérimentales des performances du cycle modifié de TTAD pour le mélange n-heptane / DMF ont été réalisées et démontré la faisabilité de ce cycle même si le saut thermique de 11°C atteint au maximum est inférieur à celui calculé par simulation / This work is a study of a new type of Absorption-Demixing Heat Transformer (ADHT), using a mixture exhibiting a miscibility gap at low temperature. In this cycle, the separation step is performed by settling obtained after cooling the mixture. The separation is then energetically free and enables to reach thermal yields higher than those obtained for classical absorption heat transformers where separation is done by distillation.In order to find suitable working mixtures to reach temperature lift of 50°C, a numerical simulation tool was developed to calculate ADHT performances. This tool enabled to calculate thermal yield and thermal lift for different values of operating parameters (molar feed ratio, number of stages of rectification column) and different properties of working mixtures (Cp, Lv, parameters characterizing liquid-liquid and liquid-vapour equilibria). The best operating conditions allowed reaching a 12,4°C thermal lift for the n-heptane / DMF mixture takes as a reference mixture. By varying the mixture properties around the values of the reference mixture properties, a maximal thermal lift of 32°C was reached for an imaginary mixture. 17 real mixtures were also studied and enabled to reach a 21°C temperature lift. A list of other working mixtures that should be suitable was established. A 4 kW ADHT pilot unit was designed and built. The technical feasibility of this cycle was then experimentally demonstrated with this unit. A maximum temperature lift of 11°C was measured with the n-heptane / DMF mixture that is lower than the values calculated by simulation