La problématique de recherche abordée dans ce mémoire de thèse découle de l'étude approfondie d'une association convertisseur-machine dédiée aux modes traction et recharge d'un véhicule électrique. Il s'agit d'un onduleur triphasé constitué de trois onduleurs monophasés connectés à une machine triphasée à phases indépendantes.Dans le chapitre II, une étude comparative entre deux solutions industrielles montre que l'architecture étudiée offre des caractéristiques compétitives notamment en termes de rendement global du convertisseur, performances mécaniques, et surface de silicium nécessaire.Par ailleurs, outre la possibilité de mutualiser les trois fonctions du véhicule que sont la traction, la recharge (rapide ou lente) et l'assistance du réseau électrique, cette topologie offre plusieurs atouts : des possibilités variées d'alimentation et donc un potentiel intéressant de reconfiguration en marche dégradée. La thématique abordée dans les chapitres III et IV est donc centrée sur l'optimisation des stratégies de contrôle de cette structure vis-à-vis de deux types de défauts : les imperfections intrinsèques du système d'une part et les défaillances accidentelles d'autre part.Dans un premier temps, un travail approfondi sur les méthodes de modulation de largeur d'impulsion a permis de synthétiser une stratégie offrant une faible sensibilité vis-à-vis des imperfections de la commande et de la non-linéarité du convertisseur. Dans un second temps, il a été montré qu'en cas de défaillance d'un composant à semi-conducteur, il était obligatoire de recourir à la reconfiguration matérielle de la topologie. L'architecture permettant la continuité de service a été étudiée du point de vue de sa commande. Son analyse nous a amenés à proposer une structure de contrôle basée sur des solutions automatiques simples et efficaces. Finalement, le principe du fonctionnement en marche dégradée a été étendu au fonctionnement normal dans le but d'en améliorer le rendement sur cycle.

Avec l'apparition des systèmes PV en toiture et des véhicules électriques, le nouveau contexte énergétique au sein du bâtiment pose, sous un nouvel angle, la question de la distribution en courant continu au sein des bâtiments. Mais comment évaluer objectivement l'intérêt d'un réseau DC ? Dans un contexte où l'énergie et les impacts environnementaux prennent chaque jour plus d'importance, la quantification des performances d'un tel système selon sa seule phase d'usage ne répond pas complètement à la question son impact global. C'est pourquoi nous proposons d'aborder la question via l'éco-dimensionnement des composants constituant ce système. Pour simplifier un problème fondamentalement complexe (multi-critères), nous avons choisi d'effectuer ces dimensionnements sur la base de la minimisation de leur consommation d'énergie primaire sur l'ensemble de leur cycle de vie (pertes + énergie grise = Gross Energy Requirement GER). L'un des objectifs étant d'apporter à la fois une méthodologie mais aussi les premiers éléments qui permettront de déterminer un optimum du niveau de tension d'une distribution en courant continu dans les bâtiments.

Depuis ces années, le développement de systèmes de stockage d'énergie pour la mobilité électrique avec davantage d'autonomie de durabilité est au cœur des contraintes de développement des véhicules électriques ou hybrides entraînant une émergence de l'utilisation des systèmes de management ainsi que des circuits d'équilibrage. Les travaux de thèse portent sur la conception et la réalisation d'une nouvelle structure d'équilibrage à base du réseau de micro-convertisseurs (RµC) utilisant les matrices de connections ainsi que les stratégies de commande appropriées. L'objectif principal est de concevoir un équilibreur actif forcé de haute performance, intégrable à base de technologies d'aujourd'hui et avec une stratégie de contrôle simple à mettre en œuvre. Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres : approche du RµC versus l'équilibrage des batteries, conception de la structure et des stratégies d'équilibrage à base du RµC, conception et dimensionnement du système de contrôle intégrée, version intégrée de l'équilibreur-perspectives. Les premiers prototypes de l'équilibreur utilisant des composants discrets ont été mis en place afin de valider notre structure ainsi que les solutions de contrôle proposées. La réalisation des versions intégrées en se basant sur l'utilisation les technologies disponible au sein du laboratoire ouvre un avenir promettant pour les systèmes de management de batterie.

Le test industriel des Convertisseurs Analogique-Numérique (CAN) consiste à évaluer les paramètres fonctionnels du composant testé afin de les comparer aux limites de tolérance fixées par le cahier des charges. On distingue ainsi les circuits sains des circuits défectueux. Les paramètres caractéristiques d'un CAN sont de deux types : statiques et dynamiques. Chaque type de paramètre nécessite une procédure de test dédiée (en général une analyse statistique et une analyse spectrale respectivement), si bien que le coût du test devient prépondérant dans le prix de revient des CAN, et plus généralement des circuits mixtes analogiques et numériques. Ainsi, réduire le coût du test des CAN est un point critique dans le contexte du test des circuits mixtes. L'objectif de cette thèse est d'étudier la faisabilité d'une procédure de test uniquement basée sur l'analyse spectrale, permettant de tester l'ensemble des performances d'un CAN. A cette fin, nous avons fait une investigation des corrélations qui existent entre les paramètres statiques et dynamiques. L'étude repose sur la simulation d'un modèle d'environnement de test des CAN. Tout d'abord, nous montrons que l'influence de chaque erreur statique sur les paramètres dynamiques est suffisamment significative pour envisager de détecter les erreurs statiques rédhibitoires à travers la mesure des performances dynamiques. Ensuite, nous évaluons l'efficacité statistique de détection des circuits défectueux pour plusieurs flots de test alternatifs reposant seulement sur l'analyse spectrale. Nous avons enfin développé un outil qui permet d'adapter l'évaluation de l'efficacité statistique de chaque flot à un contexte de test réel.

La tendance de l'intégration en électronique de puissance accentue naturellement les effets électromagnétiques parasites. Tout système d'énergie électrique devient alors source de perturbations EM aussi bien conduites que rayonnées. Mais dans le cadre de ces travaux, nous nous sommes focalisé sur l'organe de filtrage des perturbations conduites : le filtre CEM. En haute fréquence, il s'avère que ce type de système voit son comportement dégradé en raison des différents phénomènes parasites apparaissant au sein même du dispositif. Seuls les aspects magnétiques du problème ont néanmoins été traités (i.e. inductances partielles & couplages magnétiques parasites). Différentes méthodes ont été mises au point par le passé dans le but d'améliorer facilement la réponse du filtre. Cependant, il s'agit de procédés empiriques ne pouvant garantir l'optimalité de la solution de filtre construite. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont donc consisté à développer une nouvelle méthode d'optimisation d'un filtre CEM, et plus précisément de son routage. L'objectif est alors d'exploiter les différents phénomènes magnétiques parasites intrinsèques au montage. Calculer ce type d'éléments a donc nécessité l'utilisation d'un outil de modélisation PEEC ; méthode numérique permettant des calculs rapides en raison d'un maillage relativement limité.

Le projet SACER vise à répondre aux demandes d'Airbus qui ont besoin de disposer de données décrivant le comportement d'un avion ou d'un satellite avant commercialisation ou lancement. Pour mieux répondre à cette demande, un réseau de capteurs sans fil remplacerait les équipements de test filaires existants. Le but est d'apporter des avantages tels qu'une réduction de poids, de coût et de connectique. Pour notre part, nous n'avons travaillé que sur l'application aéronautique. Pour alimenter les capteurs autonomes sans fil embarqués, dans le cadre de cette thèse, il faut concevoir une architecture de récupération d'énergie, un système de stockage de l'énergie ainsi que un circuit de gestion de ces énergies. La principale contrainte pour le système est qu'il doit pouvoir fonctionner de -50C à 100°C, tout en délivrant une puissance de sortie de 3 watts. De plus, l'épaisseur du système doit être inférieure à 3,2 mm. Pour notre travail, nous avons cherché, dans un premier temps, la meilleure solution possible sur le choix du type de cellules solaires. Le résultat sur les tests des cellules à différentes températures et irradiations dans les conditions de notre application est présenté. Dans un second temps, nous avons testé plusieurs types de systèmes de stockage d'énergie aux températures extrêmes. Enfin, la conception de l'architecture pour la gestion de l'énergie (vue d'ensemble des panneaux photovoltaïques, d'un circuit MPPT, des super condensateurs, et d'un régulateur) est présentée.

Les circuits intégrés mixtes développés pour les nouvelles applications multimédias et télécommunications sont constitués de blocs analogiques et de blocs numériques. Le coût du test de ces circuits mixtes est un facteur critique pour leur prix de revient. En particulier, en production industrielle, les Convertisseurs Analogique/Numérique (CAN) sont testés en mode fonctionnel (histogramme, FFT) en utilisant des ressources de test externes extrêmement coûteuses. Dans ce contexte, une solution attractive pour réduire le coût du test consiste à intégrer directement sur la puce tout ou une partie des ressources nécessaires au test.<br /><br />L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est donc la conception et le développement de structures d'auto-test intégré (BIST) permettant le test par histogramme des CAN. L'implantation directe sur silicium de cette technique de test ne serait pas possible car elle nécessiterait un surcoût de silicium important. Pour rendre cette intégration viable nous avons donc été amenés à envisager des solutions originales basées sur la décomposition et l'analyse par histogramme. Cette approche, associée à la mise en place d'un certain nombre de simplifications des calculs d'extraction nous a permis de réduire considérablement les ressources matérielles (mémoires, module de calcul) à intégrer. Enfin, pour compléter cette structure BIST, nous avons conçu une architecture originale de générateur de rampe et de générateur de signaux triangulaires. Ces générateurs utilisent un système d'auto-calibration qui leur permet de générer un signal précis et insensible aux variations des paramètres technologiques tout en impliquant une surface de silicium minimale.

Ce mémoire de thèse présente deux nouvelles approches pour l'analyse et la commande des systèmes non-linéaires complexes, comme les systèmes dynamiques à commutation de la classe des convertisseurs d'énergie électrique. Ces systèmes ont plusieurs modes de fonctionnement et ont un point de fonctionnement désiré qui, en général, n'est le point d'équilibre d'aucun des modes. Dans cette classe de systèmes, la commutation d'un mode de fonctionnement à un autre est commandée selon une loi qui doit être synthétisée. Par conséquent, la synthèse de commande implique l'étude des conditions qui permettent à un cycle limite stable de s'établir au voisinage du point de fonctionnement désiré, puis de la trajectoire de commande qui permet de l'atteindre en respectant les contraintes physiques de comportement (courant maximum supporté par les composants,. . .) ou les contraintes de temps (durée minimum entre deux commutations,. . .). Le cycle limite sera qualifié d'hybride car il est composé de plusieurs dynamiques(deux dans ces travaux).La première méthode développée s'appuie sur les propriétés géométriques des champs de vecteurs et est une extension d'une partie des travaux de thèse de Manon au LAGEP. Une condition nécessaire et suffisante d'existence et de stabilité d'un cycle limite hybride composé d'une séquence de deux modes de fonctionnement dans IR2 est présentée. Ce cycle définit la région finale à atteindre par le système depuis son état initial, par une trajectoire déterminée de manière optimale selon un critère donné (durée totale, énergie dépensée, . . .). La méthode proposée est appliquée aux convertisseurs d'énergie Buck et Buck-Boost alimentant une charge résistive. Une extension à IRn a été proposée et démontrée. Elle est illustrée sur un système non-linéaire dans IR3.La deuxième méthode est développée dans IR2 et basée sur la théorie de Lyapunov, bien connue en automatique pour étudier la stabilité des systèmes non-linéaires et concevoir des commandes stabilisantes.Il s'agit de déterminer par une approche géométrique, une fonction de Lyapunov quadratique commune aux deux modes de fonctionnement du système, qui permette d'obtenir un cycle limite hybride stable le plus proche possible du point de fonctionnement désiré et une commande stabilisante directe des interrupteurs

Les accords internationaux pour la réduction des émissions polluantes dans l’environnement imposent l’insertion de plus en plus importante d’énergies renouvelables intermittentes dans le réseau électrique. De plus, l’intégration de dispositifs de stockage est envisagée dans les réseaux électriques du futur afin de résoudre le problème de l’intermittence et d’optimiser la consommation des utilisateurs. Cependant, du fait des caractéristiques différentes des signaux électriques mis en jeu (courant continu pour les sources renouvelables et les batteries, courant alternatif pour le réseau électrique), les structures actuelles reposent sur plusieurs convertisseurs connectés en cascade. Ceci engendre un coût pour le convertisseur en termes de volume et de pertes. De plus, les différents niveaux de tensions (tensions du pack batterie, des sources de production renouvelables et du réseau électrique) ainsi que des contraintes en termes de sécurité nécessitent souvent l’utilisation de transformateurs pour assurer l’isolation galvanique et l’adaptation des tensions.Cette thèse se focalise sur la conception d’une structure innovante à trois ports permettant les échanges de flux de puissances entre une source de production renouvelable, un pack de batteries et le réseau électrique (monophasé ou triphasé) avec un seul étage de conversion. La structure de type TAB (Triple Active Bridge) a été choisie à cet effet en raison de ses nombreux avantages comme l’isolation galvanique, la commutation douce (ZVS) de tous ses ponts actifs (permettant de travailler à haute fréquence de commutation) et la possibilité de contrôler aisément l’échange de puissance entre les différentes sources. L’analyse réalisée se compose d’une méthodologie pour le dimensionnement, d’une structure TAB DC/DC, d’une structure TAB DC/AC monophasée, d’une structure TAB DC/AC monophasée avec un filtre actif mis en série afin de filtrer la puissance fluctuante et, finalement, d’une structure TAB DC/AC triphasée. / International agreements for the reduction of polluting emissions to the environment require the use of renewable energies in the electricity grid. In addition, the integration of storage devices is envisaged in the future electrical networks in order to solve the intermittence problems and to optimize the consumption of the users. However, due to the different characteristics of the electrical signals involved (DC current for renewable sources and batteries, AC current for the electrical network), the current structures consist on several cascaded converters. This results in a low energy density, higher costs and reduced efficiency for the system. In addition, the different voltage levels (battery voltages, renewable sources and power grid) and safety constraints often require the use of transformers to provide galvanic isolation and match the voltages.This thesis focuses on the design of an innovative three-port structure for the bidirectional power flows control between a renewable power source, a battery pack and the power grid (single phase or three-phase) with a single conversion stage. The TAB (Triple Active Bridge) structure has been chosen for this purpose, due to its many advantages such as galvanic isolation, soft switching (ZVS) in all of its active bridges (allowing to work at high switching frequency) and the possibility of an easy power flow control between the different sources. In this way, the analysis has established a methodology for the design of a TAB DC / DC structure, a single-phase TAB DC / AC structure, a single-phase TAB DC / AC structure with a series connected active filter in order to achieve a "single phase power decoupling" and finally, for the design of a three-phase TAB DC / AC structure.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne le prototypage virtuel 3D des composants électromagnétiques d’électronique de puissance, par la technique des éléments finis. La démarche correspond à la volonté de disposer d’outils de simulation multiphysiques 3D toujours plusperformants, notamment dans le contexte de l’intégration en électronique de puissance. Il s’agit de mettre au point des méthodes et desprocédures adaptées à la caractérisation d’inductances, de transformateurs ou de coupleurs multiphasés haute fréquence, dans unenvironnement de conversion statique, avec des formes d’onde de tension et de courant non sinusoïdales. Cela nécessite de connaître le comportement harmonique des composants électromagnétiques sur une large gamme de fréquence, et de tenir compte des spécificités de réalisation comme l’utilisation de bobinages en technologie feuillard ou planar et de noyaux magnétiques en matériaux ferrite. Dans le premier chapitre de ce mémoire, une analyse des limitations actuelles des modèles analytiques et numériques des composants magnétiques HF en électronique de puissance est faite afin de définir les besoins les plus importants qui seront par la suite abordés. Dans cette optique, le choix de la plateforme ouverte de simulation multiphysique en 3D, par éléments finis, COMSOL Multiphysics, a été fait. En effet, l’objectif ici n’est pas de développer un nouveau code de calcul mais de mettre au point un outil de simulation adapté aux problématiques rencontrées en électronique de puissance. Le deuxième chapitre aborde le point très important de la détermination des pertes cuivre HF en tenant compte des effets fréquentiels tels que les effets de peau et de proximité. La problématique des bobinages feuillards ou planars est résolue par l’utilisation d’éléments coques spécifiques. Le troisième chapitre traite de la détermination despertes fer, à haut niveau d’excitation et pour des formes d’onde de champ non sinusoïdales. Sur la base d’abaques de densités de pertesfournies par les constructeurs de matériaux, deux méthodes de calcul sont proposées, l’une en cours de traitement et l’autre en posttraitement. La prise en compte de la non-linéarité est analysée ainsi que la problématique de l’existence localisée de champs tournants. Le quatrième chapitre aborde l’extraction virtuelle des paramètres électriques des composants électromagnétiques multiphasés et la définition de matrices d’impédances (inductances et résistances propres et mutuelles), en fonction de la fréquence. A l’exception des pertes fer non prise en compte ici, cette formalisation permet de traduire finement le comportement harmonique large bande des composants multiphasés. Finalement, le cinquième chapitre propose trois exemples d’utilisation de ce nouvel outil. Le premier exemple aborde ledimensionnement optimal et la caractérisation virtuelle d’un coupleur triphasé de forte puissance. Le deuxième exemple montre l’intérêt dela modélisation harmonique sous la forme de matrices impédances pour simuler le comportement d’un coupleur hexaphasé in-situ dans unconvertisseur de puissance. Enfin le troisième exemple montre la possibilité de lancer des campagnes d’études paramétriques automatisées pour étudier l’évolution d’un ou plusieurs paramètres dimensionnant afin de calculer des tables de réponses d’aide au dimensionnement. / The work presented in this thesis deals with the 3D virtual prototyping of electromagnetic components used in power electronics thanks to the finite element method. The approachfollows the desire to have an always more and more powerfull 3D multiphysics simulation tools, especially in the context of power electronics integration. It consists indeveloping adapted methods and procedures to characterize inductors, transformers or multiphase highfrequency InterCell Transformers (ICT), in a static conversion environment, in which voltage and current waveforms are non-sinusoidal. This requires the knowledge of the harmonic behavior of electromagnetic components over a wide frequencyrange, and to take into account the realization specificities such as the use of foil or planar windings technology and the use of ferrite magnetic cores. In the first chapter of this thesis, an analysis of today's analytical and numerical models limitations of HF power electronics magnetic components is made in order to identify the most important needs that will be addressed later. In this context, the choice of the open platform for multiphysics simulation in 3D finite element, COMSOL Multiphysics, has been done. Indeed, the aim here is not to develop a new calculation code but to offer an appropriate simulation tool to face the problems encountered in power electronics. The second chapter broaches the very important issue of determining the HF copper losses by taking into account frequency phenonema such as skin and proximity effects. The problem of foils planar windings is resolved by the use of specific shell elements. The third chapter concerns the determination of iron losses under high level supply and non-sinusoidal waveforms. Based on losses densities charts provided by the materials manufacturers, we propose two calculation methods: one in ongoing-processing and another in post-processing. The consideration of the nonlinearity is analyzed and the problem of the existence of localized rotating fields. The fourth chapter discusses the virtual extraction of the electrical parameters of multiphase electromagnetic components and the definition of frequency depedant impedance matrices (self and mutual inductances and resistances). Except for iron losses that are not taken int account here, this formalization can fine translate the broadband harmonic behavior of multiphase components. Finally, the fifth chapter presents three examples of practical application of this new tool. The first example discusses the optimal design and virtual characterization of a high power three-phased ICT. The second example shows the interest of modeling harmonic impedances in the form of matrices to simulate the behavior of a six-phased ICT in situ in a power converter. Finally, the third example shows the ability to run automated parametric study campaigns to study the evolution ofone or more sizing parameters to calculate response tables to help the designing.