Les composants à grille isolée, omniprésents dans les structures de conversion d'énergie, sont soumis à des exigences de plus en plus poussées : performances électriques, intégrabilité, fiabilité... Nous avons modélisé le comportement électrique dynamique de MOSFETs de puissance à partir de leurs caractéristiques physiques et géométriques. Cette modélisation, validée par la réalisation de prototypes, permet un dimensionnement des besoins énergétiques du composant en commutation, autorisant ainsi l'étude de solutions permettant l'intégration de l'alimentation de l'étage de commande. Deux structures d'auto-alimentation, compatibles avec la filière technologique du composant principal, ont été développées. Enfin, des travaux d'optimisation, portant sur la géométrie du composant, montrent qu'il est possible de dimensionner ce dernier de manière à minimiser ses besoins énergétiques en commutation, perspective intéressante pour l'intégration.

Les structures de conversion d'énergie trouvent de plus en plus leur place dans des produits grand public. Ce marché étant fortement concurrentiel, les efforts des industriels sont concentrés sur la réduction de leurs coûts et l'augmentation de leur fiabilité. Un moyen pour répondre à ces contraintes est l'intégration des structures de conversion d'énergie. Ce mémoire de thèse traite le sujet de l'intégration monolithique des fonctionnalités autour des interrupteurs semi-conducteurs de puissance. L'étude est plus particulièrement portée sur l'intégration de l'alimentation de la commande rapprochée. Deux solutions techniques, distinctes et complémentaires, toutes les deux intégrables, ont été développées. Des méthodes de dimensionnement et de conception sont présentées, tenant compte des conditions et des contraintes technologiques propres aux composants de puissance à structure verticale. La première solution contenant deux composants MOSFETs a été étudiée sur la base de simulations et de réalisations expérimentales. Cette solution a été testée avec des composants discrets et avec les composants réalisés. La seconde solution contient un MOSFET et un JFET. Cette dernière a été présentée et étudiée quasi exclusivement à base de travaux de simulations. Plusieurs "familles" de prototypes ont été conçues, dimensionnées et réalisées avec pour objectif de valider le concept, la démarche de conception, les principes de fonctionnement et "l'intégrabilité" d'une fonction d'auto-alimentation.

Aujourd'hui, avec l'envolée mondiale du prix du pétrole, la question énergétique est devenue un sujet d'importance et la possibilité d'exploiter l'énergie ambiante connait un regain d'attention. Ainsi dans cette thèse, nous nous intéressons aux dispositifs de récupération d'énergie piézoélectrique de vibration dont l'objectif final est de réaliser un réseau de capteurs sans fil (WSN) autonome de faible consommation d'énergie. L'idée est dans un premier temps de prolonger la durée de vie de la batterie, puis dans un second temps de rendre le capteur totalement autonome d'un point de vu énergétique. Les dispositifs actuels étant basés sur la vibration d'une poutre (résonateur mécanique), ils ne sont efficaces qu'à la résonance, avec une faible bande-passante. Ainsi dans ce travail, nous avons tout d'abord proposé une technique de décalage de la fréquence de résonance à l'aide de capacités commutées, cette technique réalise un ajustement de la fréquence de résonance en fonction de la fréquence de la source d'excitation et ainsi permet une augmentation de la puissance de sortie. Cette technique a été implémentée avec succès sur un module de capteur WSN avec transmission d'un signal RF. Toujours dans l'objectif d'agrandir la bande-passante, un résonateur hybride (piézoélectrique/magnétique) bistable associé à une interface électrique (SSHI) a été proposé. Ce nouveau et intéressant concept de combiner le résonateur hybride avec une interface à commutation de la tension piézoélectrique a montré, à l'aide de résultats expérimentaux et de simulation, que la puissance est augmentée sur une large bande passante. De plus, afin de rendre le système totalement autonome et de commander les interrupteurs de l'interface électrique aux instants optimaux, une technique de détection du passage par zéro de la vitesse de vibration a été proposée. Les résultats montrent de bonnes performances de cette méthode sur toutes les interfaces et résonateurs. Contrairement à la méthode classique de détection de la tension crête, la détection du passage par zéro de la vitesse est plus précise. La récupération d'énergie piézoélectrique engendrant un amortissement de la source vibrante, il est possible d'utiliser les mêmes interfaces électriques pour réaliser l'amortissement semi-passif de vibrations de structures mécaniques. Il s'agit d'extraire le maximum d'énergie de la structure en vibration à l'aide de l'élément piézoélectrique. Ainsi, afin de rendre les interfaces électriques pour l'amortissement (SSHD) totalement autonomes, nous avons proposé d'associer la récupération d'énergie piézoélectrique à l'amortissement de structure. L'avantage majeur est qu'il est seulement nécessaire de sacrifier légèrement les performances de l'amortissement pour rendre le système totalement autonome. Les performances ainsi que les limites de cette technique ont été analysées.

La thèse porte sur l'intégration fonctionnelle autour des composants commandables bidirectionnels en courant et en tension, avec pour application, la conversion AC-AC à prélèvement sinusoïdal (PFC). La première partie du document de thèse présente la mise en oeuvre d'un gradateur AC-AC à l'aide de dispositifs intégrables. Certains bénéfices sont clairement mis en évidence à travers une analyse fonctionnelle et une validation expérimentale complètes. La seconde partie du mémoire porte sur l'intégration fonctionnelle des périphériques nécessaires à la mise en oeuvre d'un composant de puissance à structure verticale. En particulier, les conditions d'intégration, le contexte technologique et les performances électriques sont abordés et analysés. L'étude est conduite à travers un effort de modélisation conséquent, tant au niveau des composants que des interactions entre composants. Une validation expérimentale conduite au CIME-Nanotech apporte des conclusions intéressantes sur la démarche suivie.

Les éléments constituant la chaîne de traction sont le plus souvent dissocies et indépendants entre eux (pack de batteries, convertisseur de traction et moteur). L'utilisation des convertisseurs en cascade en tant que convertisseurs de traction a été le cœur de ces travaux de thèse. Les performances énergétiques des convertisseurs en cascade et de l'onduleur de tension classique ont été comparées sur un cycle de conduite normalisé pour différentes configurations sur les convertisseurs de puissance (niveau de tension mis en jeu dans la chaîne de traction, variation du nombre d'onduleurs connectés en série pour les convertisseurs en cascade et variation du nombre de semi-conducteurs en parallèle pour réaliser la fonction des interrupteurs de puissance dans les convertisseurs). D'autres convertisseurs d'électronique de puissance sont nécessaires pour le bon fonctionnement d'un véhicule électrique. L'un de ces convertisseurs est le chargeur de batteries qui puise l'énergie du réseau électrique pour venir recharger les batteries du véhicule. Un autre est le système de monitoring des batteries qui permet d'assurer un équilibrage et un état de charge uniforme entre les différentes cellules qui composent le pack de batteries du véhicule. Dans une optique de mutualisation de fonction du convertisseur de puissance, les convertisseurs en cascade ont été étudiés pour assurer la fonction de chargeur et d'équilibreur lorsque la traction du véhicule n'est pas utilisée. / The elements that can be found in traction chain are usually separate and independent between them (battery pack, traction converter and motor). The use of cascaded inverter in order to drive the vehicle has been the heart of this thesis. The energy performance of cascaded inverter and classical voltage source inverter were compared on a standardized driving cycle for different power converters configurations (voltage level for the traction chain, variation of the number serial inverter for cascaded H-bridge and different number of semiconductors in parallel to do the function of the power switches in converters). Other power electronic converters are necessary for the electrical vehicle. One of these converters is the battery charger which tranfer energy from the network to the vehicle's batteries. Another is the battery monitoring system that ensures a balance and uniform state between the different cells which make up the battery pack of the vehicle. With an objective of increasing the function of the power converter, cascaded H-bridge have been designed to provide the function of charger and balance the battery cell when the traction chain of the vehicle is not used.