Ces travaux de thèse portent sur l'intégration hétérogène des fonctions de commande pour des transistors de puissance verticaux à grille isolée. Ce travail a consisté en la conception des fonctions de commande pour un transistor de type MOSFET en technologie CMOS planar, puis en la conception du composant de puissance lui-même, incluant des fonctions spécifiques pour l'auto-alimentation de sa commande. Le deuxième aspect de ce travail est l'étude et la réalisation technologique de métallisations épaisses en surface de puces silicium pour l'hybridation en chip on chip de la partie commande et de la partie puissance. Ce mémoire de thèse comporte trois chapitres équivalents : études théoriques et présentation des concepts, conception et validation expérimentale de la partie commande puis conception de la partie puissance et développements technologiques. Les champs d'application de ces travaux sont variés car ils couvrent un large domaine de l'électronique de puissance (convertisseurs hybrides). / The work presented in this PhD manuscript deals with heterogeneous integration of the control functions for driving a vertical power MOSFET. This work consisted in the design of the driving functions for a vertical power MOSFET in a planar CMOS technology, then in the design of the power transistor itself, including specific functions for the self powering of its driving circuitry. The second aspect of this work was the technological study and realization of thick metallization at the surface of silicon dies for the chip on chip assembly of the control and the power parts. This manuscript is composed of three equal chapters: the theoretical study and concepts presentation, the design and experimental validation of the driver part, and the design of the power part and the technological realizations. The field of application of this work covers a large spectrum as it concerns every hybrid converter

L’intégration croissante de la Génération Distribuée basée sur des sources d’énergies renouvelables présente de nouveaux défis pour le réseau électrique centralisé actuel. Le micro-réseau est une des alternatives envisagées afin d’augmenter le taux de pénétration d’énergie renouvelable et d’améliorer la qualité de l’énergie. La stabilité d’un micro-réseau est fortement sensible aux variations de puissance venant des sources d’énergie ou des charges. Dans ce contexte, un système de stockage d’énergie joue un rôle essentiel et doit satisfaire deux conditions : disposer d’une capacité de stockage importante pour adapter la production à la demande et être capable de fournir rapidement une puissance instantanée suffisante pour pallier les problèmes de qualité d’énergie. L’objectif principal de cette thèse est de concevoir et valider expérimentalement un système de conversion de puissance et l’algorithme de contrôle associé pour la gestion du stockage dans un micro-réseau afin de satisfaire les deux conditions. Suite à l’analyse de différentes technologies de stockage, on peut conclure qu’il n’y a pas de système de stockage capable de satisfaire les conditions d’énergie et de puissance en même temps. Par conséquent, l’association d’un supercondensateur et d’une batterie Redox au Vanadium dans un Système de Stockage Hybride est utilisée pour satisfaire les conditions mentionnées. Le travail de recherche est axé sur la gestion du flux d’énergie et de puissance du Système de Stockage Hybride proposé à l’aide d’un système de conversion de puissance innovant et son algorithme de commande. Un convertisseur multi-niveaux 3LNPC a été choisi pour commander en même temps les deux systèmes de stockage, en raison de faibles pertes de puissance et de distorsions harmoniques réduites en comparaison avec d’autres topologies existantes. Un algorithme de commande capable d’exploiter les limites de fonctionnement du convertisseur sur toute sa plage de fonctionnement a été conçu afin de satisfaire de manière optimale les critères spécifiés. Le fonctionnement du système de conversion et la stratégie de commande proposée ont été validés d’abord en simulation et ensuite expérimentalement en utilisant le micro-réseau installé à l’ESTIA. / The increasing penetration of Distributed Generation systems based on Renewable Energy Sources is introducing new challenges in the current centralised electric grid. The microgrid is one of the alternatives that is being analysed in order to increase the penetration level of renewable energy sources in electrical grids and improve the power quality. The microgrid stability is highly sensitive to power variations coming from the energy sources or loads. In this context, an energy storage system is essential and it must satisfy two criteria: to have a high storage capacity to adapt the generation to the demand and to be able to supply fast power variations to overcome the power quality problems that may arise. The main objective of this thesis has been to design a power conversion system and the associated control algorithm for a storage system management in order to satisfy the defined requirements, as well as to experimentally validate the proposed solution. After an analysis of different storage system technologies, it can be concluded that there is not any storage system capable of offering the energy and power requirements at the same time. Consequently, the association of a SuperCapacitor bank and a Vanadium Redox Battery is used to satisfy the mentioned requirements. This thesis has been focused on the power and energy flow management of the proposed Hybrid Energy Storage System through an innovative power conversion system and its control method. A Three-Level Neutral Point Clamped converter has been used to control at the same time the two storage systems, due to the reduced power losses and harmonic distortion compared to other existing topologies. A control algorithm that uses the operational limits of the converter in its entire operation range has been designed in order to allow selecting the best operation point according to the specified criteria. The operation of the power conversion system and the proposed control method have been first validated in simulations and then experimentally using the microgrid installed in ESTIA.

Les convertisseurs de puissance sont de plus en plus utilisés, notamment avec l’explosion des objets nomades/connectés, certes de faibles puissance (<100 W), mais où les contraintes de volume, d’épaisseur ou de rendement sont forte. Dans ce contexte, l’utilisation des matériaux piézoélectriques constitue une excellente alternative aux convertisseurs à base d’inductances. Ces matériaux possèdent en effet de nombreux avantages comme des densités de puissances élevées, une géométrie fine et plane et sont notamment plus faciles à intégrer comparé aux inductances magnétiques classiquement utilisées. Un nouveau type de convertisseurs piézoélectrique, sans inductance, est présenté dans lequel le résonateur piézoélectrique assure une fonction de stockage d’énergie. À chaque période de résonance, le résonateur piézoélectrique prélève de l’énergie à la source d’entrée, la stocke provisoirement sous forme mécanique et la redistribue à la charge permettant ainsi la conversion de puissance. Des commutations à zéros de tension sont également garanties pour assurer des rendements élevées à fréquences élevées. Une première topologie (chapitre 2 et 3) intégrant ces principes est présentée. Un modèle analytique incluant les pertes mécaniques décrivant le comportement du convertisseur ainsi qu’un modèle de simulation sont élaborés. Le concept est validé expérimentalement et l’on obtient des rendements très élevés (jusqu’à 98%) sur une grande plage de puissance (de quelques mW à 1,8 W) pour plusieurs gains en tension (1,5 à 3). L’étude de cinq résonateurs de dimensions différentes renseigne sur l’influence de la géométrie sur les performances des convertisseurs et permet de concevoir une méthodologie de dimensionnement de ce résonateur. D’autres topologies plus complexes (chapitre 4) sont explorées et des perspectives d’améliorations et de mises sur le marché sont présentées. / The increasing demand for power convertors in various application fields implies specific constraints and specific technological solutions. In this context, working with piezoelectric material constitutes an excellent alternative of classical inductor-based converter. Indeed, these materials enable a high-power density, thin and planar geometry and can be integrated on silicon more easily than popular wire-wound magnetic components. A new kind of piezoelectric inductorless converter, in which the piezoelectric material acts as an energy storage element, is presented. At each resonant period, the piezoelectric resonator takes energy from the input source, stores it temporarily and releases it to the load (and therefore enabling the power conversion). Soft switching is assured to maintain very high efficiencies for high frequencies. A first topology (chapter 2 and 3) in which those principles are applied is introduced. An analytical model which integrates the mechanical losses and a simulation model are developed enabling a good understanding of the converter behavior. The concept is experimentally validated and very high efficiency conversions (up to 98 %) are achieved for a large range of output power (from mW to 1.8 W) and for different output gains. The study of five different-size piezoelectric resonators enables to understand the impact of geometric parameters of the resonator on the converter performances and therefore to propose a resonator design methodology. More complex topologies are also described (chapter 4) and a discussion on improvement possibilities and perspectives to have a complete and industrialized converter concludes the thesis.

Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre de l’électrification des sous-systèmes embarqués notamment pour des véhicules électriques/hybrides. Dans ce domaine, un des objectifs permanents est la réduction des coûts et des délais lors de la conception de chaînes d’actionnement mécatroniques. Pour y parvenir, il est nécessaire de doter le concepteur de méthodologies et d’outils adaptés lui permettant de fiabiliser sa démarche de conception et de lever le maximum de risques avant de réaliser les premiers prototypes. Ces systèmes mécatroniques embarqués mobilisent des briques technologiques essentielles dont fait partie le convertisseur d’électronique de puissance. Les performances de ce système reposent sur la capacité des méthodologies de conception à considérer les contraintes pluridisciplinaires liées à son environnement, l’adéquation des technologies, des topologies et des lois de commandes. Ces travaux de thèse montrent comment nous pouvons répondre à ces exigences et besoins à travers le développement d’une méthodologie de conception multi-physique et multi-niveau de convertisseurs multicellulaires (entrelacés) prédisposés par essence à une reconfiguration aisée. Cette méthodologie, basée sur une optimisation sous contraintes multi-physiques, permet des choix systématiques d’architecture optimale et des technologies de composants à partir d’une base de données constructeurs. Elle intègre l’aspect fiabilité dans la conception dès la phase de pré-dimensionnement au même niveau que les autres contraintes (électriques, rendement, thermiques, encombrement, compatibilité électromagnétique). Afin de bien profiter des avantages de ce type de convertisseurs entrelacés, cette intégration de la fiabilité dans la conception «fiabilisation par conception» est parachevée par l’élaboration d’une architecture de commande tolérante aux défauts «fiabilisation par la commande» permettant, une fois le convertisseur conçu, d’augmenter sa disponibilité par reconfiguration matérielle ou logicielle (loi de commande). / This PhD thesis work is in the context of electric/hybrid vehicle embedded subsystems electrification. In mechatronic design field, the permanent objectives are costs and delays reducing. To achieve this, there is need of design methodologies and appropriate tools to perform a reliable design approach and leave maximum of risks before making the first prototypes. Embedded mechatronic systems mobilize technological brick keys which include the power electronic converter. Their performances are based on the capacity of the design methodologies to consider the environment multi-disciplinary constraints, the adequacy of the technologies, topologies and control laws. This thesis work shows how we can meet these requirements and needs through the development of multi-physics and multi-level design methodology for multi-level converters (interleaved) predisposed to an easy reconfiguration. This methodology, based on optimization under multi-physics constraints allows systematic choice of optimal architecture and component technologies from manufacturer database. It integrates the reliability aspect in the design since the pre-sizing process in the same level as the other constraints (electric, efficiency, thermal, volume, electromagnetic compatibility). In order take advantages of such interleaved converters, the integration of reliability in the design "reliability by design" is completed by the development of fault tolerant control architecture "reliability by control" which increase the availability by reconfiguring hardware or software (control law) of the designed converter.

Dans les dernières années, le respect de l’environnement est devenu une des grandes préoccupations des clients du secteur automobile. Les constructeurs cherchent à réduire les émissions carbones de ses produits et les véhicules hybrides ou purement électriques apparaissent comme une alternative viable aux véhicules thermiques. Un des éléments importants de la réussite de la commercialisation des véhicules électriques est la recharge de la batterie qui peut être effectuée par différents moyens, avec des chargeurs embarqués/débarqués, à domicile ou sur la voie-publique. Dans ce domaine un système de charge performant doit notamment être robuste vis-à-vis des contraintes extérieures( perturbations réseaux, impédances de ligne, charges de plusieurs véhicules en même temps), avoir un bon rendement entre la puissance puisée à la prise et celle délivrée à la batterie, maitriser les courants harmoniques rejetés sur le réseau électrique (respect des différentes contraintes réglementaires liées aux perturbations émises). Pour répondre à ces exigences les travaux de cette thèse proposent des commandes innovantes des convertisseurs de puissance contenus dans les chargeurs électriques. Dans un premier temps, la modélisation des convertisseurs de puissance est réalisée en moyenne à la période de commutation et en moyenne généralisée pour d´écrire le processus de génération des harmoniques des courants et tensions des convertisseurs. Des lois de commande non-linéaire fondées sur la théorie de stabilité au sens de Lyapunov sont proposées de fac¸on à induire un comportement en boucle fermée satisfaisant les exigences souhaitées pour les convertisseurs de puissance. La partie commande est complétée par une partie d’observation nécessaire pour l’estimation des signaux non-mesurés et pour l’extraction harmonique. Enfin dans la dernière partie de la thèse, les différentes stratégies de commande sont validées par rapport aux exigences via une co-simulation en reproduisant l’architecture de logiciel model in the loop utilisée dans l’industrie / In the last few years the question of respecting the environment became a central concern of car users. The electric cars respond to the public trend of reducing the toxic emissions of conventional cars. The success of electric cars depends on the charging of the batteries, charging done either at home or on the public domain.The charging system has to respond to the following performance criteria:-robustness to exterior constraints: network perturbations, line impedance, multiple simultaneous charging of vehicles.-a good efficiency for the power transfer between the received power and the power delivered to the battery.-respecting the power distributer constrains for network harmonic pollution.These three points impose the need for efficient control laws for the battery charger. In this context, the power converters (AC / DC - DC / DC) are key components in electrical chargers , an improved control law of these elements can provide a better level of performance for the charger.This work is a continuation of previous work that resulted in several theses with CIFRE funding, in collaboration with Renault in the context of the electric car (but not only):- From an industrial viewpoint, the doctoral student will draw on the expertise, experience and Renault's test facilities in the field of electric traction in the automotive transport.- From an academic point of view the work will benefit from the skills of the working group 'System control’ within the L2S laboratory, in the field of multi-physics modelling, design of control laws and optimization.Supervision will be provided by:- Emmanuel Godoy (Professor, HDR, advisor) and Dominique Beauvois (professor, co-director) of the academic point of view.- Pedro Kvieska (Engineer, Doctor, Ecole Centrale de Nantes) for industrial management within Renault.Objectives of the thesisThe first two years of thesis work will focus on methodological studies of dedicated control laws. During the third year the work will be focused on the implementation of the proposed architectures and control strategies by: implementing of the new control strategies as prototypes on test bench and on the transferability of the proposed control approaches.A big part of the last year will naturally be devoted to the writing of the doctoral thesis and the preparation of the defence.

La présente étude porte sur l'optimisation d'un générateur thermoélectrique inclus dans un échangeur de chaleur à écoulements croisés. Un générateur thermoélectrique est un appareil constitué de semi-conducteurs qui génère de l'électricité lorsqu'il est traversé par un flux de chaleur, de là son implementation dans un échangeur de chaleur. L'objectif principal sera d'utiliser un outil d'optimisation, en l'occurrence un algorithme génétique, afin de déterminer les designs optimaux qui satisferont un ensemble de critères. Préalablement aux optimisations, un modèle complet a d'abord dû être créé avec l'aide du logiciel Matlab. Il s'agit de modéliser numériquement l'échangeur de chaleur ainsi que le générateur thermoélectrique qui en est partie intégrante. La modélisation considère plusieurs facteurs dont le nombre d'étages de l'échangeur, le courant traversant les modules thermoélectriques, le nombre de modules thermoélectriques et la géométrie de l'échangeur. Le code est ensuite validé numériquement avec des exemples théoriques ou des résultats issus de la littérature. Une fois la modélisation effectuée, il faut définir les objectifs à minimiser ou maximiser. Il sera utile de maximiser la puissance électrique produite par le système, minimiser le volume de l'échangeur, minimiser la puissance de pompage requise, minimiser le nombre de modules thermoélectriques requis ainsi que maximiser les profits générés par le système sur une période de temps donnée. Initialement, nous ne considérerons que la maximisation de la puissance électrique fournie par le système selon différentes contraintes physiques (différence de température ou débit capacitif fixés). Nous optimiserons aussi les connections électriques dans le système pour constater si les designs suggérés par l'algorithme d'optimisation sont réalisables. Suite à cela, nous étudierons des cas multi-objectifs. Plusieurs objectifs seront considérés simultanément durant l'optimisation et nous analyserons les fronts de Pareto (ensemble des solutions possibles) selon les différents objectifs qui auront été considérés. Finalement, une optimisation thermoéconomique sera réalisée sur le système afin de valider si ce dernier est rentable ou sinon les correctifs qu'il faudrait y apporter pour rendre le tout profitable.

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Avec l'apparition d'applications grand-public, comme le Wireless-HD, les fréquences millimétriques nécessitent l'utilisation de technologies CMOS faible coût. Cependant, avant d'être commercialisés, les transmetteurs mmW doivent être suffisamment résistants notamment à la désadaptation d'impédance entre l'amplificateur de puissance (AP) et l'antenne qui peut résulter d'un obstacle dans le champ proche de l'antenne. Une telle désadaptation d'impédance se traduit par l'apparition d'ondes stationnaires qui peuvent engendrer des dommages irrémédiables sur l'AP. Cette thèse propose une architecture innovante de régulation qui vise à protéger l'AP de telles dégradations tout en optimisant ses performances. La désadaptation d'impédance peut être évaluée en intégrant plusieurs détecteurs de puissance entre l'AP et l'antenne. Une boucle de régulation numérique peut ensuite établir une stratégie d'optimisation des performances de l'AP. Cette thèse s'intéresse particulièrement aux circuits de détection de puissance qui captent la désadaptation d'impédance de l'antenne. Réalisé en technologie CMOS 65nm de STMicroelectronics, le détecteur de puissance présente 25dB de dynamique à 60GHz et est capable de détecter jusqu'à 3 :1 de TOS. Ces détecteurs de puissance ont ensuite été intégrés dans un second circuit avec un AP et des convertisseurs (CAN & CNA). Une boucle de régulation agissant sur le gain de l'AP permet ainsi de garder une puissance de sortie constante quelle que soit l'impédance d'antenne tandis qu'une seconde boucle protège l'AP de la destruction. Cette thèse couvre également deux projets développés en parallèle de l'architecture de régulation de TOS. D'abord est proposée une nouvelle architecture de convertisseur analogique numérique logarithmique, basée sur l'architecture d'amplificateur logarithmique à compression progressive. Ensuite, une co-simulation sous ADS d'un AP RF/mmW avec sa boucle de régulation numérique permet de simuler l'AP à TOS régulé.

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.

Ce mémoire présente le travail de thèse réalisé auprès des laboratoires LAPLACE et SATIE ainsi que les services EDYNE3 et EDYYLIC d'AIRBUS OPERATIONS. Le sujet porte sur les problèmes CEM apparaissant dans les convertisseurs de puissance embarqués à bord des futurs avions plus électriques. Le manuscrit est composé de cinq parties. La première partie, d'introduction, traite de la problématique CEM avion, la deuxième de la modélisation des éléments de la chaine de conversion DC/AC étudiée. Le troisième est composé d'une étude comparative par simulation des différentes solutions. La quatrième partie traite de la réalisation de la solution choisie et enfin le cinquième et dernier chapitre de l'étude expérimentale de celle-ci. / The studies conducted during this thesis deals with conducted EMC problems of an inverter associated to its actuator. Accurate high frequency models of every element of the DC/AC converter and actuator have been realised from measures. Then a comparative study of different topologies of converters have been led from simulations in order to determine the best solution minimising EMC current. The selected inverter was realised and the experimental results were compared to simulations validating them. Finally, a comparison of EMC filters architecture led to choose a better solution in order to avoid the increasing of mass.