La diminution de la longueur de grille des transistors a été le moteur essentiel de l’évolution des circuits intégrés microélectroniques ces dernières décennies. Toutefois, cette évolution des circuits microélectroniques a entrainé une densification des lignes d’interconnexion, donc la génération de fortes pertes, des ralentissements et de la diaphonie sur les signaux transmis, ainsi qu’une augmentation de l’impédance parasite des interconnexions. Cette dernière est néfaste pour l’intégrité de l’alimentation des composants actifs présents dans le circuit. Son augmentation multiplie le risque d’apparition d’erreurs numériques conduisant au dysfonctionnement d’un système. Il est donc nécessaire de réduire l’impédance sur le réseau d’alimentation des circuits intégrés. Pour ce faire, les condensateurs de découplage sont utilisés et placés hiérarchiquement à différents étages des circuits et dans leur intégralité (PCB, package, interposeur, puce).Ces travaux de doctorat s’inscrivent dans le cadre des développements récents des nouvelles solutions d’intégration 3D en microélectronique et ils portent sur l’étude de nouvelles architectures de capacités 3D, très intégrées et à fortes valeurs (>1 nF), élaborées en profondeur dans l’interposeur silicium. Ces composants, inspirés des architectures de via traversant le silicium (TSV, Through Silicon Via), sont nommées Through Silicon Capacitors (TSC). Ils constituent un élément clef pour l’amélioration des performances des alimentations des circuits intégrés car elles pourront réduire efficacement la consommation des circuits grâce à cette intégration directe de composants passifs dans l’interposeur silicium qui sert d’étage d’accueil des puces. Ces composants tridimensionnels permettent en effet d’atteindre de grandes densités de capacité de 35 nF/mm². Les enjeux sont stratégiques pour des applications embarquées et à haut débit et plus généralement dans un environnement économique et sociétal conscient de nos limites énergétiques. De plus ces condensateurs de découplage doivent fonctionner à des fréquences atteignant 2 GHz, voire 4 GHz, qui tendent à maximiser les effets parasites préjudiciables aux performances énergétiques des alimentations. Ceci est rendu possible par l’optimisation de leur intégration et l’utilisation de couches de cuivre avec, une bonne conductivité supérieure à 45 MS/m, comme électrodes.Les technologies d’élaboration des condensateurs TSC ont été développées au sein du CEA-LETI et de STMicroelectronics. Leur comportement électrique restait jusqu’alors mal connu et leurs performances difficiles à quantifier. Les études menées dans cette thèse consistaient à modéliser ces nouveaux composants en prenant en compte les paramètres matériaux et géométriques afin de connaitre les effets parasites. Les modèles électriques établis ont été confrontés à des caractérisations électriques effectuées sur une large bande de fréquence (du DC à 40 GHz). Ainsi ce travail a permis d’optimiser une architecture de capacité et leur intégration dans un réseau d’alimentation d’un circuit intégré 3D a pu montrer leur efficacité pour des opérations de découplage. / The decrease of transistor’s gate length was the key driver of the development of microelectronic integrated circuits in recent decades. However, this development of microelectronic circuits has led to a greater density of interconnection lines, generating high losses, slowdowns and crosstalk on the transmitted signals, and an increase of the parasitic impedance of interconnections lines. The latter is detrimental to the power integrity of the active components in the circuit. Its increase increases the risk of developing numerical errors leading to a system’s malfunction. It is therefore necessary to reduce the impedance of the power distribution network of integrated circuits. To do this, the decoupling capacitors are used and placed hierarchically on different floors of the circuits and in their entirety (PCB, package, interposer, chip).These doctoral works are in the context of recent developments in new 3D integration solutions in microelectronics and they carry on studying new 3D capacitors, highly integrated, presenting high capacitance values (> 1 nF), and developed by using the depth of silicon interposeur level. Inspired from the Through Silicon Vias (TSV), these newly developed 3D capacitors are named Through Silicon Capacitors (TSC). They are a key element for improving the performance of the power integrated circuits because they can efficiently reduce the consumption of circuits thanks to their direct integration in silicon interposer which is used to stack chips. These 3D components allow tor reach high capacitance density up to 35 nF/mm². The issues are strategic for high speed embedded applications and more generally in an economic and societal environment aware of our energy limits. Moreover these decoupling capacitors must operate at frequencies up to 2 GHz or 4 GHz, which tend to maximize the parasitic effects which affect the energy efficiency of power distribution networks. This is made possible by optimizing their integration and by the use of copper layers with a good conductivity higher than 45 MS / m conductivity as electrodes.The technologies used to fabricate the TSC are developed by CEA-LETI and STMicroelectronics. The electrical behavior of those TSC remained hitherto little known and their performances difficult to quantify. The studies conducted in this thesis were to model these new components by taking into account the material and geometrical parameters in order to know the parasitic effects. The established electrical models have faced electrical characterizations carried out over a wide frequency range (DC to 40 GHz). This work allow to optimize the TSC architecture and their integration in a power distribution network (Power Distribution Network - NDS) prove that they are good candidate for decoupling operations.

La miniaturisation croissante des systèmes électroniques implique de réduire la taille des composants électroniques, en particulier des composants passifs (condensateurs, résistances et inductances), notamment les condensateurs, volumineux et de surcroît nombreux. Pour répondre à cette attente, une des options est d’intégrer « enterrer » les couches capacitives dans le circuit imprimé à base de matériaux composites céramique/polymère. Dans un premier temps, plusieurs types de matériaux composites à base de nanoparticules de céramique (BaTiO3 et BaSrTiO3) et de polyester pour des condensateurs enterrés sont développés. Ensuite, la permittivité ε’ et les pertes diélectriques des composites sont évaluées dans les gammes de fréquences entre [10 kHz – 10 MHz] et [1 GHz – 5 GHz]. En vue d’intégrer ces composants à l’intérieur du circuit imprimé parfois souple et flexible, le comportement piézoélectrique des composites est évalué. La mesure du courant de fuite permettant d’effectuer une analyse qualitative des matériaux composites a été également effectuée.Au niveau de l’étude des condensateurs enterrés dans le circuit imprimé, deux structures de tests ont été réalisées : l’une montée en parallèle et l’autre en série. L’étude est réalisée sur deux gammes de condensateurs. La première est à base de matériau composite stable en fréquence et la seconde varie avec la fréquence. Pour cela, une méthode originale qui permet d’extraire la variation de la permittivité εr (f) à haute fréquence a été développée. La méthode se repose principalement sur l’utilisation des résultats de mesure de la permittivité relative du condensateur en basse fréquence, et les résultats de la valeur de la fréquence de résonance obtenue en simulation électromagnétique.Enfin, pour améliorer la fréquence de fonctionnement des condensateurs enterrés, des règles de conception permettant de comprendre l’influence des vias de connexions et de la géométrie des électrodes sur la fréquence de résonance du dispositif de test sont étudiées. / The increasing miniaturization of electronic systems involves reducing the size of electronic components, in particular passive components (capacitors, resistors and inductors), including capacitors, large and many more. To meet this expectation, one of the options is to integrate "bury" the capacitive layers based on ceramic / polymer composites in the PCB. In a first step, several types of composite materials based on nanoparticle ceramic (BaTiO3 and BaSrTiO3) and polyester for buried capacitors are developed. Then, the permittivity ε' and the dielectric losses of the composites are measured in the ranges of frequencies between [10 kHz - 10 MHz] and [1 GHz - 5 GHz]. To integrate these components within the PCBs sometimes soft and flexible, the piezoelectric behavior of composites is evaluated. The measurement of leakage current to perform a qualitative analysis of composite materials was also made.At the level of the study of buried capacitors in the circuit board, two test structures were carried out: one mounted in parallel and the other in serial. The study is produced in two ranges of capacitors. The study is conducted on two capacitors ranges. The first case, the relative permittivity does not depend on the frequency while in the second case the frequency dependence is taken into account. For this, an original method which allows to extract the permittivity εr(f) variation in high-frequency was developed. The method is mainly based on the use of measurement results of the relative permittivity of low-frequency capacitor, and the results of resonance frequency value obtained by 3D HFSS electromagnetic simulation. Finally, to improve the operating frequency of the buried capacitors, design rules allowing understand the influence of the vias and geometry of electrodes on the resonant frequency of the structures are studied.

Aujourd’hui, les exigences croissantes en termes de compétitivité requièrent la conception de systèmes électronique de puissance ayant un encombrement minimal tout en gardant une bonne fiabilité. La combinaison de ces deux caractéristiques est absolument requise au niveau d’un système aussi bien qu’au niveau d’un composant. On cite notamment le cas des condensateurs d’aluminium à électrolyte liquide, qui sont largement utilisés comme réservoir de stockage de l’énergie électrostatique. Cette fonction est nécessaire dans les systèmes électroniques de puissance pour fournir l’énergie aux différentes parties à chaque appel de courant. D’après la littérature, l’étude et l’évaluation de la fiabilité de ces systèmes reposent fortement sur celle des condensateurs d’aluminium à électrolyte liquide ainsi que sur d’autres composants identifiés comme critiques (Transistors MOS de découpage, isolants dans les transformateurs, …etc.). Le premier chapitre débute par une présentation de la technologie des condensateurs est détaillée en indiquant les différents paramètres qui les caractérisent et les différents travaux réalisés dans la littéraire sur l’étude et l’évaluation de la fiabilité de ces composants. Dans le deuxième chapitre, les essais de vieillissement sont élaborés en se basant sur le profil de mission du système. Ensuite, les évolutions des caractéristiques ayant une dégradation significative sont modélisées. Le troisième chapitre porte sur la caractérisation physico-chimique du condensateur afin de comprendre et expliquer les modes de défaillance enregistré pendant les essais de vieillissement. Le dernier chapitre est consacré à la réalisation des essais de vieillissement sur système simulant la dissipation de la chaleur des composants adjacents aux condensateurs. Des mesures électriques sont faites en temps réel afin de superviser la tension à leurs bornes. Enfin, un essai de stress mécanique est réalisé afin de permettre d’évaluer l’impact des vibrations sur la connectique des condensateurs neufs et vieillis. / Today, the increasing demands in terms of competitiveness require the design of electronic power systems having a minimal bulk while maintaining a good reliability. The combination of these two features is required at a system level as well as at a component level. It is particularly the case of liquid electrolyte aluminum capacitors, which are widely used as storage tanks forelectrostatic energy. This function is necessary in electronic power systems to provide energy to the different parts with each current draw. According to the literature, the study and the evaluation of the reliability of these systems rely heavily on that of liquid electrolyte aluminum capacitors as well as on other components identified as critical (MOS switching transistors, insulators in transformers, etc.). The first chapter begins with a detailed presentation of the technology of capacitors by indicating the various parameters that characterize them and the different work done in the literary on the study and evaluation of the reliability of these components. In the second chapter, aging tests are developed based on the mission profile of the system. Then, the evolutions of characteristics having a significant degradation are modeled. The third chapter deals with the physico-chemical characterization of the capacitor in order to understand and to explain the failure modes recorded during the aging tests. The last chapter is devoted to performing aging tests on a system which is simulating the heat dissipation of components adjacent to capacitors. Electrical measurements are realized in real time to monitor the voltage at their terminals. Finally, a mechanical stress test is carried out to evaluate the impact of vibrations on the connection of new and aged capacitors.

L’amélioration des systèmes électroniques pour le déploiement de l'avion tout électrique dépend de la capacité des composants passifs, tels que les condensateurs, à réduire leur volume, leur masse et leur coût, et augmenter leurs performances et leur fiabilité, particulièrement dans l’environnement aéronautique. Dans ce contexte, cette thèse a eu pour objectif l’étude et le développement de nouvelles technologies de condensateurs pour des applications avioniques. Dans la première partie des travaux, nous abordons l’évaluation de condensateurs céramique de puissance. La technologie céramique constitue, en effet, l’une des rares solutions matures capables de répondre aux exigences des équipementiers. La caractérisation, l’analyse des mécanismes de défaillance, de leurs effets et de leur criticité (AMDEC) ainsi que l’étude de fiabilité et de robustesse de composants commerciaux présentant des architectures originales (condensateurs multi-chips) ont été réalisées. Ces résultats ont été complétés par une étude plus amont sur la caractérisation de céramiques frittées par frittage flash (SPS). Les permittivités colossales de ces matériaux permettraient d’accroitre la fiabilité et la miniaturisation des condensateurs tout en conservant de fortes valeurs de capacité et de tension nominale. La seconde partie, plus fondamentale, a été consacrée au développement de nanoparticules céramique/polymère coeur-écorce pour des applications de condensateurs enterrés, opérant aux radiofréquences. La synthèse et les caractérisations physico-chimiques des nanocomposites ainsi que les procédés de fabrication de condensateurs en couches épaisses sont, en premier lieu, décrits. Une méthode de caractérisation électrique large bande a été mise au point pour permettre l’analyse des propriétés diélectriques et des mécanismes de conduction des nanoparticules. Les performances des dispositifs ont été recherchées en fonction de la température et des procédés de mise en forme. En outre, la durabilité en température de ces derniers a été évaluée. / The improvement of electronic systems for the deployment of all-electric aircrafts depends on the ability of passive components, such as capacitors, to reduce their volume, weight and cost, and to increase their performance and reliability, particularly in the aeronautical environment. In this context, the objective of this thesis was to study and develop novel capacitor technologies for avionics. In the first part of this work, the evaluation of power ceramic capacitors has been discussed. Indeed, the ceramic technology appeared to be one of the few mature solutions meeting the requirements of OEMs. The characterization, the failure mode, effects and criticality analysis (FMECA) and reliability and robustness assessment of commercial components using original architectures (multi-chip capacitors) have been performed. These results have been completed by a more advanced study on the characterization of new ceramics sintered by spark plasma sintering (SPS). The colossal permittivity of these materials could allow to increase reliability and miniaturization of capacitors while maintaining high values of capacitance and voltage rating. The second part, more fundamental, is devoted to the development of core-shell ceramic/polymer nanoparticles for embedded capacitors operating at radiofrequencies. The synthesis and the physicochemical characterization of the nanocomposites as well as the manufacturing processes of the thick film capacitors are first described. A new broadband electrical characterization methodology has been developed to analyze the dielectric properties and the conduction mechanisms of the nanoparticles. The effects of the temperature and the manufacturing process on the device performance have been investigated. In addition, the durability was evaluated.

Le domaine aéronautique connait de nos jours un engouement sans précédent autour de l’avion plus électrique. L’importance du nombre d’équipements électriques est à un tel point que l’amélioration de leur fiabilité devient incontournable. Actuellement, les composants passifs occupent 75 % des éléments électroniques utilisés en avionique dont la moitié correspond à des condensateurs. Ces derniers doivent donc répondre aux exigences environnementales avioniques assez contraignantes. C’est dans ce contexte que nous nous sommes intéressés particulièrement à l’étude des condensateurs à technologie film utilisant le polypropylène ou le polyester comme diélectrique. Afin de mieux comprendre le comportement fréquentiel de cette technologie, deux modèles fins de condensateurs films ont été développés, permettant ainsi de suivre les évolutions de leurs grandeurs électriques dans des conditions cohérentes avec l’application. Dans un deuxième temps, l’effet des contraintes en tension et en température constantes a été étudié sous la forme de facteurs d’accélération du vieillissement. Cela a été établi par l’intermédiaire de plusieurs essais, permettant d’établir les lois d’évolutions temporelles des paramètres électriques des condensateurs. Comme ces contraintes constantes ne sont pas toujours représentatives des conditions réelles d’utilisation, les cinétiques de dégradation ont été comparées à celles où les condensateurs sont sollicités par de fortes ondulations de courant, seules ou associées à une tension continue. Enfin, la dernière partie de notre travail expose l’utilisation des données expérimentales issues des essais de vieillissement dans un objectif de diagnostic en ligne. Les techniques utilisées assurent l'analyse de la dégradation de ces composants, étape essentielle dans la prédiction de l’état de santé des condensateurs en ligne / Nowadays, aeronautic research field is moving towards a more electric aircraft. Although this evolutionary path offers many advantages from a financial and ecological point of view, the increased power source usage sets additional constraints on the different electrical systems used onboard. Currently, passive components occupy 75% of the overall electronic equipments used in avionics, whose 50% corresponds to capacitors. Consequently, these latter must be able to withstand the harsh avionic operating conditions. In this thesis we were particularly interested in the study of metallized film capacitors technology using polyester or polypropylene as dielectric. A first approach consisted on the modeling of these components as function of frequency in order to study the evolution of their electrical parameters under consistent avionic stresses. These models were also developed on the purpose of tracking the degradation of the capacitors parameters over time. This operation was done by the means of accelerated floating ageing tests, where capacitors were subjected to different constant voltages and temperatures. Original capacitance ageing laws were thus proposed based on the identification of voltage and temperature degradation kinetics. However, since traditional floating ageing tests, do not reflects the normal ageing of the component, degradation kinetics of metallized films capacitors under high ripple currents, alone or combined with a DC voltage across the devices terminals where also studied, and the associated failure mechanisms were identified. A final step consisted on the health monitoring of metallized film capacitors online based on the experimental ageing data

Les travaux de cette thèse visent à apporter des éléments de solutions au problème de la durée de vie des systèmes pile à combustible (FCS – Fuel Cell System) de type à « membrane échangeuse de protons » (PEM – Proton Exchange Membrane) et se décline sur deux champs disciplinaires complémentaires :Une première approche vise à augmenter la durée de vie de celle-ci par la conception et la mise en œuvre d'une architecture de pronostic et de gestion de l'état de santé (PHM – Prognostics & Health Management). Les PEM-FCS, de par leur technologie, sont par essence des systèmes multi-physiques (électriques, fluidiques, électrochimiques, thermiques, mécaniques, etc.) et multi-échelles (de temps et d'espace) dont les comportements sont difficilement appréhendables. La nature non linéaire des phénomènes, le caractère réversible ou non des dégradations, et les interactions entre composants rendent effectivement difficile une étape de modélisation des défaillances. De plus, le manque d'homogénéité (actuel) dans le processus de fabrication rend difficile la caractérisation statistique de leur comportement. Le déploiement d'une solution PHM permettrait en effet d'anticiper et d'éviter les défaillances, d'évaluer l'état de santé, d'estimer le temps de vie résiduel du système, et finalement, d'envisager des actions de maîtrise (contrôle et/ou maintenance) pour assurer la continuité de fonctionnement. Une deuxième approche propose d'avoir recours à une hybridation passive de la PEMFC avec des super-condensateurs (UC – Ultra Capacitor) de façon à faire fonctionner la pile au plus proche de ses conditions opératoires optimales et ainsi, à minimiser l'impact du vieillissement. Les UCs apparaissent comme une source complémentaire à la PEMFC en raison de leur forte densité de puissance, de leur capacité de charge/décharge rapide, de leur réversibilité et de leur grande durée de vie. Si l'on prend l'exemple des véhicules à pile à combustible, l'association entre une PEMFC et des UCs peut être réalisée en utilisant un système hybride de type actif ou passif. Le comportement global du système dépend à la fois du choix de l'architecture et du positionnement de ces éléments en lien avec la charge électrique. Aujourd'hui, les recherches dans ce domaine se focalisent essentiellement sur la gestion d'énergie entre les sources et stockeurs embarqués ; et sur la définition et l'optimisation d'une interface électronique de puissance destinée à conditionner le flux d'énergie entre eux. Cependant, la présence de convertisseurs statiques augmente les sources de défaillances et pannes (défaillance des interrupteurs du convertisseur statique lui-même, impact des oscillations de courant haute fréquence sur le vieillissement de la pile), et augmente également les pertes énergétiques du système complet (même si le rendement du convertisseur statique est élevé, il dégrade néanmoins le bilan global). / This thesis work aims to provide solutions for the limited lifetime of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Systems (PEM-FCS) based on two complementary disciplines:A first approach consists in increasing the lifetime of the PEM-FCS by designing and implementing a Prognostics & Health Management (PHM) architecture. The PEM-FCS are essentially multi-physical systems (electrical, fluid, electrochemical, thermal, mechanical, etc.) and multi-scale (time and space), thus its behaviors are hardly understandable. The nonlinear nature of phenomena, the reversibility or not of degradations and the interactions between components makes it quite difficult to have a failure modeling stage. Moreover, the lack of homogeneity (actual) in the manufacturing process makes it difficult for statistical characterization of their behavior. The deployment of a PHM solution would indeed anticipate and avoid failures, assess the state of health, estimate the Remaining Useful Lifetime (RUL) of the system and finally consider control actions (control and/or maintenance) to ensure operation continuity.A second approach proposes to use a passive hybridization of the PEMFC with Ultra Capacitors (UC) to operate the fuel cell closer to its optimum operating conditions and thereby minimize the impact of aging. The UC appear as an additional source to the PEMFC due to their high power density, their capacity to charge/discharge rapidly, their reversibility and their long life. If we take the example of fuel cell hybrid electrical vehicles, the association between a PEMFC and UC can be performed using a hybrid of active or passive type system. The overall behavior of the system depends on both, the choice of the architecture and the positioning of these elements in connection with the electric charge. Today, research in this area focuses mainly on energy management between the sources and embedded storage and the definition and optimization of a power electronic interface designated to adjust the flow of energy between them. However, the presence of power converters increases the source of faults and failures (failure of the switches of the power converter and the impact of high frequency current oscillations on the aging of the PEMFC), and also increases the energy losses of the entire system (even if the performance of the power converter is high, it nevertheless degrades the overall system).

Dans le cadre de l'ouverture des marchés de l'électricité à la concurrence, de nouvelles règles doivent régir les relations entre producteur et transporteur d'électricité pour ce qui concerne les services au système tels que la fourniture de puissance réactive. Xu, Kundur et da Silva ont développé une méthode permettant d'évaluer le service rendu, et donc la valeur, d'un MVAr fourni par un générateur en calculant le nombre de MVAr qui doivent être fournis aux nœuds de charge pour maintenir leur tension lorsque le générateur réduit sa production. Nous avons amélioré cette méthode en optimisant l'emplacement et en minimisant la capacité de moyens de compensation permettant de remplacer la production réactive d'un générateur tout en maintenant la tension de chaque nœud dans sa plage acceptable. De plus les capacités de production réactives disponibles auprès d'autres générateurs sont mises à contribution, ce qui permet de prendre en compte la pénurie ou l'abondance de capacités de production. Cette méthode a été appliquée sur un réseau à deux nœuds, puis sur un réseau de test IEEE à 118 nœuds et enfin sur une partie du réseau électrique français. Les résultats obtenus permettent de valoriser chaque MVAr généré en fonction de la localisation du générateur sur le réseau, de l'état de charge du réseau, de la disponibilité des autres producteurs et du niveau de production du générateur. Ainsi les premiers MVAr fournis par un générateur sont difficilement remplaçables par des moyens de compensation et ont donc une valeur plus grande que les derniers qui eux sont facilement remplaçables.

Ce mémoire est consacré à la modélisation des condensateurs électrolytiques aluminium dédiés à des applications à hautes températures ainsi qu’à la compréhension de leur vieillissement lors d’utilisations réalistes. En effet, dans le cas d’onduleur de traction de véhicule électrique, les sollicitations, notamment en température, peuvent être parfois très variables. Or, il se trouve que pour ce type d’applications, ces derniers sont la plupart du temps de type électrolytiques aluminium, technologie étant parmi les plus fragiles. Par conséquent, ce manuscrit propose tout d’abord une nouvelle modélisation électrique s’appuyant des phénomènes de diffusion permettant d’obtenir une représentation très précise de l’impédance de ces condensateurs. Compte-tenu de leur forte dépendance en température, la modélisation thermique couplée au modèle électrique est également traitée. Le but premier est de développer un outil permettant d’estimer précisément les pertes à chaque instant pour permettre au contrôleur d’ajuster la température de ce dernier par une modification de la stratégie MLI. Une méthode d’identification en ligne est alors proposée par l’utilisation de filtres de Kalman conjoints avec de très bons résultats obtenus en simulation. Le dimensionnement ainsi que la création d’un banc de cyclage accéléré est développé et une comparaison du vieillissement obtenu après 12 000 heures entre des composants cyclés thermiquement et d’autres non cyclés est donnée. Les résultats montrent une très bonne tenue dans le temps des condensateurs étudiés que ce soit au niveau de l’impédance ou bien visuellement avec néanmoins un impact du cyclage thermique non négligeable / This thesis is devoted to the modeling of aluminum electrolytic capacitors dedicatedto high temperatures. The purpose is also to understand their ageing while submitted to realistic use. Indeed, in the case of electric vehicle traction inverter, solicitations like temperature can vary a lot. This type of stress has already been studied for active components, but not yet on passive ones such as decoupling capacitors. However, it turns out that for this kind of application, they are most of the time aluminum electrolytic capacitors which is among the weakest technology. Consequently, this manuscript proposes at first a new electric model based on a diffusion phenomena which leads to a very accurate impedance description. It permits also a better understanding of the physical phenomena involved in these components. Because of their important temperature dependence, thermal modeling coupled to the electric model is also discussed. The very first purpose is to develop a tool that is able to estimate losses accurately at every moment. Thanks to it, the controller could so change the PWM strategy in order to act on the temperature. An online identification method is then proposed with the use of joint Kalman filters which led to very good results in simulation. The design and the creation of an accelerated cycling bench is developed and comparisons about the ageing obtained after 12 000 hours between thermally cycled components and others non-cycled are given. Results show a very good stability over time of the studied capacitors (PEG225MF470Q Kemet©) either on the impedance or visually. Nevertheless a significant impact can be observed on the cycled ones.

Dans le cadre du transport de marchandises par voie ferroviaire, un certain nombre de verrous limitent les efforts consentis pour un fret plus "propre". Des améliorations doivent être faites afin de limiter le nombre de locotracteurs assurant les charges/décharges de marchandises en bout de ligne. Dans cette perspective, FEMTO-ST et Alstom Transport ont pour objectif de concevoir et développer un système de gestion d'énergie pour locomotive électrique hybride. Composée d'un groupe électrogène couplé à des accumulateurs électrochimiques et des super-condensateurs, la locomotive électrique hybride permet d'accroître la souplesse et l'efficacité du transport ferroviaire électrique, tout en réduisant encore son impact environnemental. Cette étude a consisté dans un premier temps à développer une modélisation macroscopique de la chaîne de traction électrique hybride et à proposer une structuration de la commande avec l'identification des capteurs matériels et logiciels nécessaires au contrôle optimal de la chaîne de traction. La caractérisation expérimentale des moyens de stockage a permis l'amélioration comportementale et dynamique des modèles correspondant. Dans un second temps, le contrôle de la tension de sortie d'un hacheur dévolteur a permis d'étudier l'application de la logique floue de type-2 (intervalle et générale) dans le cas d'applications industrielles (relativement simples). Enfin, une gestion innovante des flux d'énergie au sein d'un système plus complexe: locomotive électrique hybride, a été développée. Mettant en œuvre la logique floue de type-2 et des algorithmes s'inspirant de la théorie de l'évolution, cette gestion d'énergie optimale opère en temps réel et sans connaissance à priori du cycle de conduite. La gestion fréquentielle ainsi que le contrôle des états de charge des sources secondaires du véhicule contribuent également à leur bon fonctionnement. / To achieve a "greener" freight transport, efforts are still needed to overcome some technological barriers. New improvements must be carried at to limit the shunting locomotives' use intended for the goods' load/unload. Considering this aim, FEMTO-ST and Alstom Transport decided to conceive and develop an energy management strategy system for hybrid electric locomotives. Such locomotives include a diesel driven generator set which is coupled with batteries and ultra-capacitors. The architecture aims at improving the flexibility, the effectiveness of the electrical railway transport and at reducing the environmental impact of these activities again. Firstly, the study consists in implementing a macroscopic modelling of the hybrid electric powertrain. Then, the control is optimally designed by identifying the hardware and software sensors of the powertrain. The dynamics and the behavior of the secondary sources' models are improved thanks to their experimental characterizations. Secondly, the use of Type-2 Fuzzy Logic (interval and general) controllers permits to study their efficiency in the control of a very simple industrial system: the output voltage of a buck converter. Lastly, based on the obtained results, an innovative management of the system's energy flows is developed in the case of the hybrid electrical locomotive. The use of the type-2 fuzzy logic and evolutionary algorithms permit to optimally perform a real time energy management strategy without a priori knowledge of the duty cycle. The frequency approach and the secondary sources' state of charge control contribute to their efficient use.