Les entraînements électriques à grande plage de vitesse sont des ensembles convertisseur machine qui se caractérisent par un couple à faible vitesse supérieur au couple à haute vitesse, comme dans le cas des applications de traction. Leur performance dépend fortement de la puissance apparente du convertisseur, des impédances de la machine et de la loi de commande utilisée. Les méthodes de conception qui séparent la conception de la machine de celle de l'onduleur et de celle de la loi de commande ne permettent pas toujours de trouver une solution adéquate. Il est donc nécessaire de réaliser une optimisation globale de tout l'ensemble convertisseur - machine - système de contrôle. Lors de l'optimisation, le nombre d'itérations pour arriver à une solution est important et le temps de calcul est un facteur à considérer. Ce travail présente des méthodes analytiques de modélisation adaptées pour l'optimisation des systèmes d'entraînement. Les méthodes se basent sur une modélisation de la machine sous la forme d'un circuit équivalent et une modélisation du convertisseur sous la forme de contraintes de fonctionnement. Elles permettent de calculer rapidement les courants, les tensions, les pertes, le couple, la commande et les performances pour les différents points de fonctionnement du cahier des charges. Ces modèles sont illustrés par des exemples de conception des systèmes de traction et d'un alternateur de voiture. Ce travail présente aussi un analyse des machines polyphasées en mode dégradé en utilisant les modèles développés. / A wide-speed-range electric drive is a system composed of a static converter and an electric motor that produce high torque at low speed and low torque at high speed, as in the case of a traction application. The performance is strongly influenced by the apparent power of the inverter, the impedances of the machine and the control law. The design methods that separate the design of the machine, the static converter and the control law do not always find an adequate solution. It is so necessary to carry a global optimization of the whole system. When optimizing the number of iterations is very important and the computation time is an important factor. This work presents analytic modeling methods suited for the optimization of drive systems. The methods are based in an equivalent circuit machine model and operating constraint model of the static converter. The methods rapidly calculate the currents, voltages, losses, torque, control law and performances of the different operating points of the system design specification. Those models are illustrated with traction system design examples and a car alternator design example. This work also presents an analysis of polyphase machines in fault modes.

Dans le domaine aéronautique, les systèmes électriques remplacement progressivement les systèmes de contrôle mécaniques ou hydrauliques. Les bénéfices immédiats sont la réduction de la masse embarquée et des performances accrues à condition que l'électronique supporte l'absence de système de refroidissement. Si la haute température de fonctionnement n'empêche pas d'atteindre une fiabilité suffisante, il y aura réduction des coûts opérationnels. Des étapes clefs ont été franchies en introduisant des systèmes à commande électriques dans les aéronefs en lieu et place de systèmes conventionnels : freins électriques, inverseur de poussée, vérins électriques de commandes de vol... Toutes ces avancées se sont accélérées ces dernières années grâce entre autre à l'utilisation de nouveaux matériaux semiconducteurs, dit à grand gap (SiC, GaN...), opérant à haute température et palliant ainsi une faiblesse des dispositifs classiques en silicium (Si). Des composants de puissance haute température, diode Schottky ou transistor JFET SiC, sont ainsi disponibles commercialement et peuvent supporter des ambiantes de plus de 220°C. Des modules de puissances (onduleur) à base de transistor JFET SiC ont été réalisés et validés à haute température. Finalement la partie " commande " de ces modules de puissance reste à concevoir pour les environnements sévères pour permettre leur introduction dans le module de puissance. C'est dans ce contexte de faiblesse concernant l'étage de commande rapprochée qu'a été construit le projet FNRAE COTECH, et où s'inscrivent les travaux de cette thèse, Dans un premier temps, un état de l'art sur les drivers et leurs technologies nous a permis de souligner le lien complexe entre électronique et température ainsi que le potentiel de la technologie CMOS sur Silicium sur Isolant (SOI) pour des applications hautes températures. La caractérisation en température de drivers SOI disponibles dans le commerce nous a fourni des données d'entrée sur le comportement de tels dispositifs. Ces caractérisations sont essentielles pour visualiser et interpréter l'effet de la température sur les caractéristiques du dispositif. Ces mesures mettent aussi en avant les limites pratiques des technologies employées. La partie principale de cette thèse concerne la conception et la caractérisation de blocs ou IPs pour le cœur d'un driver haute température de JFET SiC. Elle est articulée autour de deux runs SOI (TFSmart1). Les blocs développés incluent entre autres des étages de sortie et leurs buffers associés et des fonctions de protection. Les drivers ainsi constitués ont été testés sur un intervalle de température allant de -50°C à plus de 250°C sans défaillance constatée. Une fonction originale de protection des JFETs contre les courts-circuits a été démontrée. Cette fonction permet de surmonter la principale limitation de ces transistors normalement passant (Normaly-ON). Finalement, un module de bras d'onduleur a été conçu pour tester ces driver in-situ.

Face à l'augmentation du prix du carburant et des exigences légales rigoureuses sur les émissions de gaz à effet de serre ces dernières années, les fabricants de camions doivent s'interroger davantage sur les nouvelles mesures techniques pour être plus compétitifs sur le marché. Dans ce contexte, l'électromobilité est l'une des approches les plus prometteuses pour répondre aux exigences ci-dessus, où sa solution principale est l'hybridation électrique du groupe motopropulseur. Parallèlement à cette solution, une autre solution technique de l'électromobilité, l'électrification auxiliaire qui apparaît récemment, devient aussi une solution attrayante non seulement pour le milieu universitaire, mais aussi pour les entreprises de l'automobile. Cependant, l'intégration de ces deux solutions dans un véhicule peut donner lieu à un problème de commande du système beaucoup plus compliqué, notamment en terme de gestion de l'énergie. L'objectif de ce travail est de concevoir une approche appropriée pour la conception de la commande auxiliaire électrifiée, qui peut gérer d'une part la stratégie de commande du groupe motopropulseur hybride électrique et, d'autre part, améliorer l'efficacité énergétique globale du véhicule. Tout d'abord, le travail se concentre sur un seul auxiliaire électrifié typique - le système d'alimentation en air. Pour ce cas simple, la modélisation et le contrôle à base d'énergie basés sur le contrôle prédictif (MPC) sont développés afin de minimiser la consommation d'énergie / l'efficacité de cet auxiliaire le long d'un cycle de conduite. En soulignant les difficultés à atteindre l'objectif en matière d'efficacité énergétique en considérant uniquement des unités auxiliaires, l'approche se concentre ensuite sur l'analyse d'impact du système auxiliaire sur l'efficacité énergétique globale du véhicule. La première étape de cette analyse propose une méthode générale pour simplifier le contrôleur de groupe motopropulseur de HEV / PHEVs. Ensuite, une méthode basée sur l'optimisation est présentée et appliquée sur un modèle de véhicule simplifié, qui contient le contrôleur de groupe motopropulseur simple obtenu à partir de l'étape ci-dessus. Cette méthode d'optimisation, qui est un contrôle en mode hors connexion et basée sur la méthode de programmation dynamique, permet de déterminer l'économie d'énergie maximale réalisable du véhicule lors de l'application d'une stratégie de contrôle avancée sur le système auxiliaire électrifié. De plus, certaines idées / règles pour concevoir le contrôle auxiliaire sont également tirées des résultats obtenus avec la méthode ci-dessus. Pour une mise en oeuvre en ligne de ces concepts, un contrôle multi-agent est finalement adopté pour la commande du système auxiliaire électrifié (EAS). Sur la base des résultats de l'étape d'analyse d'impact et d'un modèle simple de l'EAS, trois paramètres de contrôle pour l'EAS (centralisé, hiérarchisé et distribué) sont étudiés et discutés. Enfin, différents algorithmes pour ces paramètres de contrôle sont fournis, puis comparés pour indiquer les avantages et les limites de chaque algorithme. / Facing to the increase of fuel price and stringent legal requirements on the greenhouse gas emission in recent years, truck manufacturers have to investi-gate more on new technical measures to be more competitive on the market. Within this context, electromobility rises as one of the most promising approaches to answer to above requirements, where its principle solution is the electric hybridization of powertrain. In parallel with this solution, another technical solution of electromobility- the auxiliary electrification that appears recently becomes also an attractive solution for not only the academic community but also the automotive companies. However, the integration of these two solutions together in a vehicle can give rise to a much more complicated system control problem, especially in term of energy management. The objective of this work is to figure out an appropriate approach for designing the electrified auxiliary control, which can cope with the control strategy of the electric hybrid powertrain on one hand, and can improve the overall energy efficiency of the vehicle on the other hand. Firstly, the work focuses on only one typical electrified auxiliary- the air supply system. For this simple case, energy-based modeling and control based on predictive control (MPC) are developed in order to minimize the energy consumption/efficiency of this auxiliary along a driving cycle. By pointing out the difficulties for reaching the target on the energy efficiency when considering only auxiliary units, the approach focuses then on the impact analysis of the auxiliary system on the overall vehicle‘s energy efficiency. The first step of this analysis proposes a general method to simplify the powertrain controller of HEV/PHEVs. Then, an optimization-based method is presented and applied on a simplified vehicle model, which contains the simple powertrain controller obtained from the above step. This optimization method, which is an offline con-trol and based on the dynamic programming method, allows us to determine the maximal achievable energy saving of the vehicle when applying an advanced control strategy on the electrified auxiliary system. Additionally, some ideas/rules for designing the auxiliary control are drawn as well from the results obtained with the above method. Toward an online implementation of these concepts, a multi-agent based control is finally adopted for controlling the electrified auxiliary system (EAS). Based on the results of the impact analysis step and a simple model of the EAS, three control settings for the EAS (centralized, hierarchical, and distributed) are studied and discussed. Finally, different algorithms for these control settings are provided, and then compared to point out the advantages and limitations of each algorithm.

Dans le domaine aéronautique, les systèmes électriques remplacement progressivement les systèmes de contrôle mécaniques ou hydrauliques. Les bénéfices immédiats sont la réduction de la masse embarquée et des performances accrues à condition que l’électronique supporte l’absence de système de refroidissement. Si la haute température de fonctionnement n’empêche pas d’atteindre une fiabilité suffisante, il y aura réduction des coûts opérationnels. Des étapes clefs ont été franchies en introduisant des systèmes à commande électriques dans les aéronefs en lieu et place de systèmes conventionnels : freins électriques, inverseur de poussée, vérins électriques de commandes de vol… Toutes ces avancées se sont accélérées ces dernières années grâce entre autre à l’utilisation de nouveaux matériaux semiconducteurs, dit à grand gap (SiC, GaN…), opérant à haute température et palliant ainsi une faiblesse des dispositifs classiques en silicium (Si). Des composants de puissance haute température, diode Schottky ou transistor JFET SiC, sont ainsi disponibles commercialement et peuvent supporter des ambiantes de plus de 220°C. Des modules de puissances (onduleur) à base de transistor JFET SiC ont été réalisés et validés à haute température. Finalement la partie « commande » de ces modules de puissance reste à concevoir pour les environnements sévères pour permettre leur introduction dans le module de puissance. C’est dans ce contexte de faiblesse concernant l’étage de commande rapprochée qu’a été construit le projet FNRAE COTECH, et où s’inscrivent les travaux de cette thèse, Dans un premier temps, un état de l’art sur les drivers et leurs technologies nous a permis de souligner le lien complexe entre électronique et température ainsi que le potentiel de la technologie CMOS sur Silicium sur Isolant (SOI) pour des applications hautes températures. La caractérisation en température de drivers SOI disponibles dans le commerce nous a fourni des données d’entrée sur le comportement de tels dispositifs. Ces caractérisations sont essentielles pour visualiser et interpréter l’effet de la température sur les caractéristiques du dispositif. Ces mesures mettent aussi en avant les limites pratiques des technologies employées. La partie principale de cette thèse concerne la conception et la caractérisation de blocs ou IPs pour le cœur d’un driver haute température de JFET SiC. Elle est articulée autour de deux runs SOI (TFSmart1). Les blocs développés incluent entre autres des étages de sortie et leurs buffers associés et des fonctions de protection. Les drivers ainsi constitués ont été testés sur un intervalle de température allant de -50°C à plus de 250°C sans défaillance constatée. Une fonction originale de protection des JFETs contre les courts-circuits a été démontrée. Cette fonction permet de surmonter la principale limitation de ces transistors normalement passant (Normaly-ON). Finalement, un module de bras d’onduleur a été conçu pour tester ces driver in-situ. / In aeronautics, electrical systems progressively replace mechanical and hydraulic control systems. If the electronics can stand the absence of cooling, the immediate advantages will be the reduction of mass, increased performances, admissible reliability and thus reduction of costs. In aircraft, some important steps have already been performed successfully when substituting standard systems by electrical control system such as electrical brakes, thrust reverser, electrical actuators for flight control… Large band gap semiconductors (SiC, GaN…) have eased the operation in high temperature over the last decade and let overcome a weakness of conventional silicon systems (Si). High temperature power components such as Schottky diodes or JFET transistors, are already commercially available for a use up to 220°C, limited by package. Moreover inverters based on SiC JFET transistors have been realized and characterized at high temperature. Finally the control part of these power systems needs to be designed for harsh environment. It is in this context of lack of integrated control part that the FNRAE COTECH project and my doctoral research have been built. Based on a state of the art about drivers, the complex link between electronic and temperature and the potentialities of CMOS Silicon-On-Insulator technology (SOI) for high temperature applications have been underlined. The characterization of commercial SOI drivers gives essential data on these systems and their behavior at high temperature. These measurements also highlight the practical limitations of SOI technologies. The main part of this manuscript concerns the design and characterization of functions or IPs for high temperature JFET SiC driver. Two SOI runs in TFSmart1 have been realized. The developed functions include the driver output stage, associated buffers and protection functions. The drivers have been tested from -50°C up to 250°C without failure under short time-range. Moreover, an original protection function has been demonstrated against the short-circuit of an inverter leg. This function allows overcoming the main limitation of the normally on JFET transistor. Finally, an inverter module has been built for in-situ test of these new drivers.