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

L'apparition de convertisseurs multicellulaires parallèles entrelacés et magnétiquement couplés a conduit ces dernières années à améliorer les performances des convertisseurs (en termes de densité de puissance, d'efficacité, de dynamique,...). Le pendant de ces améliorations successives résulte en une nécessité d'équilibrage précis des courants de phase, ce qui entraîne une complexification de la commande des ces convertisseurs. Une première étape de détermination de la fonction de transfert d'une boucle d'équilibrage des courants nous permet de déterminer la nature des correcteurs d'équilibrage de ces courants. Cette étude nous permet d'appréhender des systèmes plus complexes avec différentes topologies de couplage magnétique entre les bras du convertisseur parallèle. Suite à une étude bibliographique mettant en avant le manque de précision des techniques actuelles de mesure des courants de bras, nous proposons une technique d'émulation analogique précise de ces courants ne nécessitant qu'un seul capteur. Deux prototypes ont été réalisés et permettent de valider cette technique. Enfin, face à l'intérêt grandissant que portent les industriels pour des architectures modulaires, deux innovations permettant de s'affranchir d'un circuit spécifique de supervision sont proposées. Dans un premier temps, une technique modulaire d'équilibrage des courants est proposée et validée expérimentalement : elle permet, entre autres, une mesure différentielle précise des courants de bras. Ensuite, une méthode de génération modulaire de porteuses triangulaires auto-alignées est proposée et validée grâce à la réalisation d'une maquette de test. L'association de ces deux techniques nous permet de proposer une architecture entièrement modulaire ne nécessitant plus de circuit de commande superviseur. / Development of interleaved power converters with coupled inductors has enhanced converters performances (better power density, eciency, transient response. . .). Such improvements lead to the necessity of a precise current-sharing in the converter legs, and consequently to much more complex control strategy for those converters. First step is to determine current sharing loop transfer function in order to choose the kind of sharing corrector and calculate its parameters. State-space representation is used to consider any coupling topology. Because ux induced in coupled inductors must be controlled with accuracy, a bibliography study emphasizes the lack of precision in present current-sensing techniques. Then, a precise analogical emulation of currents in every leg, based on only one current sensor, is proposed. Two prototypes have been developed and validate this approach. Finally, because of growing interest of industrial in modular architectures, two innovations which avoid the use of central specic circuit are presented. First, a masterless and modular current sharing technique is proposed and tested : it allows a very precise dierential current measurement and regulation. Then a modular generation of self-aligned triangular carrier for interleaved converters is proposed and conrmed by test. The association of both techniques leads to a full masterless and modular approach for the control circuit of parallel converter with coupled inductors.

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 / The parallel multilevel converters allow high current with a high power-weight ratio by associatingcommutation cells in parallel. This parallelization reduces the current in each cells and so onpermits to use standard range of components. With an adapted command the quality of the outputwaveforms is improved. This report will focus on a specific structure made off Buck converter withmagnetic coupling. Indeed thanks to the interleaved command, the output current ripple is reducedbut in return using separated inductances on each leg leads an increasing of the leg current ripple,directly linked to the number of leg and the ripple of the output current. In order to avoid thisproblem those inductances are replaced by one or more intercell transformers (ICT) that reducethe ripple of each leg current. However in a way to ensure unsaturated ICTs and good integrationit is necessary to balance the current of each leg despite parameter variation. Thus this report isfocused on modeling uncoupling methods for the system ensuring an equal distribution of thecurrents with duty cycles differences. Those modeling methods were generalized to achieve to analgorithm which generate control law whatever the number of leg. In the last part those controllaws are tested on a test bench by implementing them on a FPGA board to validate experimentallythe results

L'évolution de l'électronique de puissance depuis ces dernières années est le résultat des enjeux énergétiques actuels qui exigent, entre autres, des architectures de conversion d'énergie capables de traiter des puissances de plus en plus importantes. Parmi les éléments les plus caractéristiques de cette évolution, l'avancement technologique des composants semi-conducteurs (nouveaux composants SiC ou GaN) ainsi que la conception de nouvelles architectures de convertisseurs statiques jouent un rôle important. Parmi ces architectures, différentes associations basées sur la connexion en série et en parallèle de cellules de commutation classiques ont été proposées. Ces associations permettent d'augmenter la puissance traitée par les convertisseurs sans accroitre les contraintes au niveau des interrupteurs. Elles permettent également l'obtention de signaux de sortie d'une meilleure qualité avec des fréquences apparentes de découpage plus importantes. Ces architectures utilisent des éléments de stockage d'énergie qui diminuent les contraintes au niveau des interrupteurs mais qui exigent, en revanche, une régulation précise des grandeurs de tension ou de courant propres à ces éléments. Pour l'association en série, les tensions des condensateurs doivent rester autour d'une fraction de la tension du bus d'entrée. Pour l'association en parallèle, le courant de sortie doit être réparti équitablement entre les différents bras afin d'éviter les phénomènes non linéaires propres aux éléments magnétiques utilisés dans les inductances (séparées ou magnétiquement couplées). Dans la première partie de cette thèse, nous présentons les généralités de l'association en série et parallèle des cellules de commutation. La modélisation des éléments magnétiques utilisés pour la mise en parallèle est également détaillée dans le but d'identifier de possibles sources de déséquilibre sur la répartition du courant de sortie. Une modélisation matricielle est appliquée pour simplifier la relation entre les variables propres à chaque association et les ordres de commande de toutes les cellules. Cette modélisation matricielle sera la base des stratégies de commande que nous avons développées dans la suite de nos travaux. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous présentons les différentes stratégies de commande pouvant être appliquées sur ces convertisseurs. Les premières stratégies sont basées sur une approche classique utilisant un modulateur, un générateur d'ordres de commande et des régulateurs de type linéaire pour la régulation des variables internes et externes de chaque association. En termes de modulateurs, nous présentons principalement un modulateur de type PS (Phase Shifted), tandis que quelques applications et résultats sont présentés pour un modulateur de type PD (Phase Disposition). D'autres stratégies basées sur la commande prédictive sont également présentées. La première est la stratégie MPC qui utilise une fonction de coût pour choisir l'état optimal du convertisseur pour chaque période d'échantillonnage. Cette stratégie a été introduite récemment dans le domaine des convertisseurs statiques et présente des avantages liées à la facilité de sa mise en place ainsi qu'aux réponses du système lors des régimes transitoires. La deuxième stratégie, basée sur la commande prédictive, utilise des instants de commutation variables, une fonction de coût simplifiée et une machine d'état. Cette dernière permet de gérer les ordres de commande de toutes les cellules de commutation en fonction des variables à réguler. En plus des avantages liés à la stratégie MPC, sa mise en place est bien plus simple car elle fonctionne à une fréquence de découpage fixe et s'adapte facilement à différents points de fonctionnement. Dans la dernière partie de cette thèse, nous présentons l'implantation expérimentale de ces stratégies afin de valider leur performance sur les convertisseurs multicellulaires. / In the last years, the development in the power electronics field is the result of the current energy challenges. These challenges require power converters able to work with increasingly important powers. Among the most characteristic elements of this development, we can find the technological advancements of the semiconductor devices (based principally in SiC and GaN) and the conception of new power converters topologies. These new power converter topologies are principally based on the serial and parallel association of classical commutation cells. With these associations, the energy treated by the converter can be increased using the current semiconductor technology. The quality of the output signals can also be improved with higher apparent switching frequencies. These associations use elements for storing energy, such as inductors or capacitors. They equally allow the reduction of the constraints on the switches given the higher voltages and currents. However, the use of these elements requires a good control of the capacitors' voltage for the serial connection and a good distribution of the output current among the different phases for the parallel connection. In the parallel connection, when we use Inter Cells Transformers (ICT) instead of classical inductors, all the phase currents reduce their ripples while their frequency is reduced. Nevertheless, some differences between all the phases' currents can entail non-linear phenomena, producing perturbations and instabilities in the system. In the serial connection, the capacitor voltages must stay around a fraction of the input voltage in order to get an optimal multilevel output voltage. In the first part of this thesis, we present the generalities of the serial and parallel association of classical commutation cells. Different models of magnetic elements are used for getting a better representation of an ICT; these models are used for finding possible sources of currents imbalances. A matrix model is used to simplify the relationship between the control variables with the control of each commutation cell. In the second part of this thesis, some control strategies that can be applied with these converters are presented. The first strategy is based on a conventional approach that uses a modulator, a state machine for generating the commands of each cell and linear regulators for controlling the internal and external variables (output voltage and currents, capacitors in the serial association and the distribution of the current for the parallel connection). In terms of modulators, we present primarily a PS (Phase Shifted) modulator while some applications and results are presented for a PD (Phase Disposition) modulator. Other strategies based on predictive control are also presented. The first of these strategies is the classical MPC (model predictive control) strategy that uses a cost function to select the optimal state of the converter for each sampling period. This strategy has recently been introduced in the field of static converters and it has several advantages related to the facility of its implementation and the optimal transient responses. The second strategy uses variable switching instants, a simplified cost function and a state machine. The state machine is used to manage the capacitors' voltages and the differential currents (differences between the phase currents) while the cost function is used for controlling the output voltage and current. This strategy is simpler to be implemented, presents fast transient responses and works with a fixed switching frequency in different operating points. In the last part of this thesis, we present the experimental implementation of these strategies in order to validate their performance in the power converters based in the serial and parallel association of classical commutation cells.