La Non-Linéarité-Différentielle (NLD) et la Non-Linéarité-Intégrale (NLI) sont les performances statiques les plus importantes des Convertisseurs Analogique-Numérique (CAN) qui sont mesurées lors d'un test de production. Ces deux performances indiquent la déviation de la fonction de transfert du CAN par rapport au cas idéal. Elles sont obtenues en appliquant une rampe ou une sinusoïde lente au CAN et en calculant le nombre d'occurrences de chacun des codes du CAN.Ceci permet la construction de l'histogramme qui permet l'extraction de la NLD et la NLI. Cette approche requiert lacollection d'une quantité importante de données puisque chacun des codes doit être traversé plusieurs fois afin de moyenner le bruit et la quantité de données nécessaire augmente exponentiellement avec la résolution du CAN sous test. En effet,malgré que les circuits analogiques et mixtes occupent une surface qui n'excède pas généralement 5% de la surface globald'un System-on-Chip (SoC), leur temps de test représente souvent plus que 30% du temps de test global. Pour cette raison, la réduction du temps de test des CANs est un domaine de recherche qui attire de plus en plus d'attention et qui est en train deprendre de l'ampleur. Les CAN de type pipeline offrent un bon compromis entre la vitesse, la résolution et la consommation.Ils sont convenables pour une variété d'applications et sont typiquement utilisés dans les SoCs destinés à des applicationsvidéo. En raison de leur façon particulière du traitement du signal d'entrée, les CAN de type pipeline ont des codes de sortiequi ont la même largeur. Par conséquent, au lieu de considérer tous les codes lors du test, il est possible de se limiter à un sous-ensemble, ce qui permet de réduire considérablement le temps de test. Dans ce travail, une technique pour l'applicationdu test à code réduit pour les CANs de type pipeline est proposée. Elle exploite principalement deux propriétés de ce type deCAN et permet d'obtenir une très bonne estimation des performances statiques. La technique est validée expérimentalementsur un CAN 11-bit, 55nm de STMicroelectronics, obtenant une estimation de la NLD et de la NLI pratiquement identiques àla NLD et la NLI obtenues par la méthode classique d'histogramme, en utilisant la mesure de seulement 6% des codes.

La mesure de temps de vol de photons et/ou de temps de propagation d’ondes RF et ultra large bande est devenue une technique essentielle et indispensable pour de nombreuses applications telles qu’en géolocalisation en intérieur, en détection LASER et en imagerie biomédicale, notamment en tomographie optique diffuse (TOD) avec des mesures dans le domaine temporel (DT). De telles mesures nécessitent des convertisseurs temps-numérique aptes à mesurer des intervalles de temps très courts avec grande précision, et ce, à des résolutions temporelles allant de quelques picosecondes à quelques dizaines de picosecondes. Les scanners TOD-DT ont généralement recours à des cartes électroniques de comptage de photons uniques intégrant essentiellement des convertisseurs temps-numérique hybrides (un mixte de circuits monolithiques et non-monolithiques). Dans le but de réduire le temps d’acquisition de ces appareils et d’augmenter leur précision, plusieurs mesures à différentes positions et longueurs d’ondes doivent pouvoir être effectuées en parallèle, ce qui exige plusieurs cartes de comptage de photons. L’implémentation de tels dispositifs en technologie CMOS apporte de multiples avantages particulièrement en termes de coût, d’intégration et de consommation de puissance. Cette thèse apporte une solution architecturale d’un convertisseur temps-numérique à 10-bits dédié aux applications de TOD-DT. Le convertisseur réalisé en technologie CMOS 0,13 μm d’IBM et occupant une surface en silicium de 1,83 x 2,23 mm[indice supérieur 2] incluant les plots de connexion, présente une résolution temporelle de 12 ps sur une fenêtre de 12 ns pour une consommation en courant de 4,8 mA. Les avantages de l’architecture proposée par rapport à d’autres réalisations rapportées dans la littérature résident dans son immunité face aux variations globales du procédé de fabrication, l’indépendance de la résolution temporelle vis-à-vis de la technologie ciblée et la faible gigue temporelle qu’il présente. Le circuit intégré réalisé trouvera plusieurs champs d’applications autres que la TOD notamment dans les tomographes d’émission par positrons, les boucles à verrouillage de phase numériques et dans les systèmes de télédétection et d’imagerie 3D.

L'énergie électrique occupe un rôle de plus en plus important au sein des réseaux aéronautiques. Cela occasionne une forte émergence de l'électronique de puissance, qui constitue un domaine technologique crucial pour l'obtention de systèmes performants, fiables et compétitifs. Ce mémoire s'inscrit dans une approche d'aide à la conception des architectures de traitement de l'énergie électrique à partir d'éléments de conversion génériques et modulaires. Un recensement des applications des convertisseurs statiques est établi dans le cadre d'un réseau d'avion "plus électrique" afin de délimiter un périmètre structurel des modules de conversion. La modularité de ces éléments ouvre la voie à la segmentation de la puissance et à la redondance qu'il est proposé d'exploiter par la mise en oeuvre de convertisseurs à tolérance de panne, afin d'améliorer la disponibilité opérationnelle des systèmes. Dans cette perspective, plusieurs topologies d'onduleur sont comparées analytiquement et par simulation sur la base d'un modèle multiphysique d'actionneur électrohydrostatique de commandes de vol. Dans le cadre des études expérimentales, les modules de conversion réalisés comprennent en particulier les fonctionnalités appropriées pour mettre en oeuvre un onduleur reconfigurable, dédié à l'alimentation d'une machine synchrone à aimants permanents. Cet onduleur comporte une redondance mutualisée sous la forme d'une quatrième cellule de commutation connectée au neutre de la machine. Enfin, en vue d'étendre le champ d'application de ce module générique, différentes topologies de conversion alternatif-continu sont proposées pour optimiser la gestion de l'énergie par rapport aux solutions traditionnelles. Une comparaison quantitative sur des critères électriques et thermiques permet d'envisager les bénéfices de chaque structure.

Les travaux de cette thèse portent sur l’analyse de stabilité et la synthèse de commandes robustes pour les systèmes affines à commutation en temps continu en présence d’incertitudes paramétriques constantes. On propose deux méthodes de commande permettant de garantir la stabilité asymptotique globale des systèmes affines à commutation avec paramètres inconnus. La première approche est basée sur l’estimation des paramètres inconnus et la reconstruction de l’état d’équilibre associée pour permettre d’appliquer une commande robuste adaptative. La seconde méthode est basée sur une augmentation d’état par l’ajout d’une action intégrale dans la boucle de commande qui garantit une erreur statique nulle. Pour chaque approche, deux lois de commande sont proposées. Une méthode du type « min switching » qui sélectionne la commutation la plus apte à stabiliser le système et une méthode de type « Embedded » permettant de générer une commande polytopique des différents modes possibles. Les résultats sont appliqués aux convertisseurs de puissance de topologie Flyback avec preuve de stabilité dans les deux modes de conduction (continue et discontinue) / This PhD thesis is focused on stability analysis and robust control synthesis for continuous time switching affine systems in presence of constant parametric uncertainties. Two control methods are proposed to guarantee global asymptotic stability of switching affine systems with unknown parameters. The first approach is based on the estimation of the unknown parameters and the reconstruction of the related equilibrium state to allow the application of a robust adaptive control. The second method is based on a state augmentation by adding an integral action in the control loop that guarantees a null steady state error. For each approach, two control laws are proposed. A "min switching" method that selects the most suitable mode to stabilize the system and an "Embedded" method that generates a polytopic control of the different possible modes. The results are applied to Flyback topology power converters with proof of stability in both conduction modes (continuous and discontinuous)

Ce projet fait l’objet d’une collaboration entre l’équipe EPI du laboratoire SATIE de l’ENS Cachan, le laboratoire LAPLACE et ALSTOM Transport dans le cadre du projet ANR « CONCIGI HT ». Les recherches dans le domaine du ferroviaire visent à réduire toujours plus la taille et le poids de la chaine de traction. Aujourd’hui, la volonté de poursuivre la réduction des temps de parcours est complétée par le souhait de diminuer la puissance consommée, ceci ayant des conséquences importantes sur la conception des chaines de traction. L’objectif de ce projet est de remplacer certaines parties de la chaine de puissance d’une locomotive par des systèmes permettant de diminuer de 30% leur encombrement, donc de diminuer jusqu’à 8,5 % l’énergie électrique consommée et augmenter le nombre de passagers transportés. Le travail présenté dans cette thèse porte sur le dimensionnement et l’étude de l’alimentation des allumeurs de semi-conducteurs SiC HT (pouvant atteindre un transitoire de 10 kV). La particularité de ces semi-conducteurs est leur application : ils constituent des convertisseurs multi-niveaux dont la fonction est de remplacer les transformateurs 25 kV/3 kV-50 Hz actuellement utilisés pour la traction ferroviaire. La principale contrainte porte donc sur la tenue diélectrique qui atteint un maximum de 60 kV liée aux transitoires présents sur la caténaire. Une alimentation à double isolation galvanique (DGIT-Double Galvanic Insulation Transformer) a donc été développée afin de répondre à la nécessité de double tenue diélectrique (10 kV et 60 kV). Dans un premier temps une structure permettant la double isolation galvanique a été développée avec l’objectif de réduire au maximum sa taille et son poids. Sa disposition spatiale et sa géométrique ont également été pris en considération (ainsi que de nombreux paramètre à la fois pertinents et contradictoires). Ceci afin d’obtenir le système optimal et une répartition des capacités de mode commun et différentiel respectant la forte tenue diélectrique. Dans un second temps une étude de l’alimentation adaptée au DGIT a été réalisée et testée. L’association du DGIT qui est un élément très inductif, de la charge qui est un driver à faible puissance et de l’aspect multi-niveau implique un fonctionnement atypique. Pour chacune de ces parties, une étude structurelle, fréquentielle et électrique a été réalisée afin d’obtenir un dispositif optimal du point de vue du volume, du poids et des pertes, tout en respectant la principale contrainte de la tenue à la THT (Très Haute Tension). Enfin, dans un troisième temps nous avons étudié la possibilité de remplacer les fibres optiques utilisées de nos jours pour la commande des allumeurs par un système basé sur la transmission par radio fréquence. / This project is the result of collaboration between the EPI team of the SATIE laboratory at ENS Cachan, the LAPLACE laboratory and ALSTOM Transport in the ANR "CONCIGI HT" project. Research in the railway traction area aims to reduce the increasing size and weight of the power train. Today, the desire to reduce travel time is complemented by the desire to reduce power consumption- it is an important information for the design of traction chains. The objective of this project is to replace parts of the locomotive power supply systems to reduce their size by 30%, thus to reduce the power consumption and increase by 8.5% the number of passengers. The work presented in this thesis focuses on the design and study of the drivers power supply for HV SiC semiconductor (up to a 10 kV transient voltage). The peculiarity of these semiconductors is their application: they are placed in multi-level converters in order to replace the 25 kV / 3 kV, 50 Hz transformers currently used for rail traction. The main constraint is the dielectric strength that reaches a maximum of 60 kV due to transient present on the catenary. So, the Double Galvanic Insulation Transformer (DGIT) has been developed to adapt to the need of holding dual dielectric (10 kV and 60 kV). In a first step, a structure for the dual galvanic insulation has been developed with the objective to minimize its size and weight. Its spatial and geometrical arrangements were also taken into account (as well as many parameters both relevant and contradictory), in order to obtain the optimal system and common and differential mode distributed capacities observing the high dielectric strength. In a second step a study of the DGIT adapted power supply has been completed and tested. The combination of DGIT inductive behavior, the driver low power and the multi-level aspect, involves an atypical work of this power supply converter. For each of these parts, a structural, frequencial and electrical study was performed in order to achieve the maximum optimal device in terms of volume, weight and loss, with respect to the main constraint of VHV (Very High Voltage). Finally, in a third step we studied the possibility of subtituing the optical fibers currently used for the control of lighters with a system based on radio-frequency transmission.

A la recherche de la modularité et de la généricité, notre approche consiste à partir de l'idée qu'une cellule élémentaire peut être conçue, intégrée et réalisée en grand nombre. Ensuite elle va être associée en grand nombre pour pouvoir, au final, couvrir n'importe quelle application de conversion DC-DC en électronique de puissance. Ce travail de thèse a pour but tout d'abord d'introduire notre approche de manière consistante. Ensuite, un bilan de l'état de l'art autour de la même direction et aussi la présentation détaillée de notre approche sont abordés. Le coeur de la thèse se concentre sur l'étude du couplage magnétique entre les cellules élémentaires via la mise en parallèle des enroulements entre les transformateurs de puissance. Ce couplage avec notre commande aléatoire sert à la fois la réduction du filtrage et la possibilité de l'intégration des composants passifs. Enfin, le travail est bouclé par la validation expérimentale d'un réseau de 12 convertisseurs de 10W faisant une conversion DC-DC de 120W.

Les travaux présentés tout au long de ce mémoire ont pour objectif la conception d'un convertisseur destiné à produire, à partir d'une PAC de 2,5 kW, un réseau autonome 230V-50Hz. Ces recherches ont été menées en partenariat avec la société Axane (Air Liquide). L'accent a été plus particulièrement mis sur l'étage DC-DC afin de répondre au mieux aux contraintes spécifiques de la PAC, le rendement et la compacité étant les deux principaux critères à améliorer. Sur la base d'une structure de conversion adaptée aux entrées basse tension, nous avons voulu aborder les principaux aspects qui contraignent le concepteur : les semiconducteurs, les composants magnétiques ainsi que les problèmes thermiques. Ces divers points, modélisés à des degrés variables de finesse, nous permettront d'estimer le rendement, de cerner les points à améliorer mais aussi de tenter une optimisation plus globale en prenant en compte un maximum de variables. L'effort a plus particulièrement porté sur les composants magnétiques qui représentent un point d'achoppement à fort courant, ce qui nous a conduit à établir un processus de dimensionnement optimisé pour les inductances. La mise en oeuvre pratique de ce convertisseur fait l'objet de la dernière partie de ce mémoire. Nous proposons à cette occasion une variante originale à commutation douce qui ouvre des perspectives d'amélioration du rendement.

Dans toute alimentation cohabitent des composants à semi-conducteurs, des circuits de commande et les composants passifs des filtres, inductances et condensateurs. Si les actifs sont réalisés sur silicium, les passifs sont actuellement sous forme discrète. L'étude menée porte sur la conception d'une inductance intégrée sur silicium ainsi que sur la modélisation et la commande des composants de puissance à semi-conducteurs d'un redresseur synchrone, dans le but de réaliser des convertisseurs DC-DC entièrement sur silicium pour de futures applications d'alimentations basse tension de circuits électroniques (téléphones cellulaires, ordinateurs portables, etc...). Ainsi, des outils de choix de dimensionnement du convertisseur et de prédétermination du rendement global sont présentés permettant de dégager des enseignements importants concernant les gammes d'utilisation de tels convertisseurs, ainsi que la recherche d'optimums de performances.

Cette thèse se place dans le contexte d'alimentation des systèmes électroniques nomades fonctionnant sous faible tension et faible courant. Le dimensionnement et la réalisation d'éléments passifs magnétiques intégrés, pour le stockage d'énergie à l'échelle de la commutation y est abordé pour tenir compte de la taille, la position de l'alimentation de puissance par rapport au système à alimenter ainsi que de son rendement et sa densité de puissance. De plus, face à la demande de systèmes rapides, à faible encombrement et finement régulés, les fréquences de commutation tendent naturellement à augmenter. L'intégration monolithique des composants des convertisseurs de puissance est une des solutions plausibles. Toutefois, la réalisation de tels composants pose actuellement un réel défi technologique. De nombreuses équipes travaillent depuis plus de trente ans sur le problème de l'intégration de composants magnétiques sur silicium. Ces réalisations font appel aux techniques de réalisation microélectroniques, tel la croissance électrolytique, pour le dépôt des matériaux avec des épaisseurs contrôlées. L'objectif aujourd'hui est de réaliser une inductance de 12H capable de supporter 1W avec des tensions de l'ordre du volt, dans une gamme de fréquence allant de 1MHz à 10MHz. Pour ces raisons de compacité et pour garantir une plage fréquentielle de fonctionnement suffisante, nous avons travaillé avec des structures inductives planaires spirales, similaires par la forme à celles utilisées dans le domaine de l'intégration pour les radiofréquences (RF). L'étude des phénomènes physiques liés au caractère inductif et résistif de spirales planaires à partir d'équations et d'une définition géométrique normalisée du composant a abouti vers la mise en place d'outils d'étude numérique permettant d'analyser les liens entre les paramètres géométriques et les paramètres électriques du composant. Il est alors apparu que les dimensions géométriques nécessaires à l'accompl issement du cahier des charges précédent (notamment l'objectif de très faible résistance), se heurtaient aux limites des possibilités de réalisation technologiques (facteur de forme des conducteurs, résolution spatiale). Dans le but, de dépasser ces limites, nous nous sommes intéressés à l'association série/parallèle d'inductances magnétiquement couplées. Les simulations ont démontrées qu'une marge de manoeuvre existait, permettant une optimisation des performances électriques des composants. Un procédé technologique basé sur les techniques MEMS de résine épaisse et de croissance électrolytique de cuivre, a été développé pour valider les modélisations précédentes. Ce procédé permet de réaliser de manière générique des inductances planaires classiques ainsi qu'un empilement de plusieurs bobines connectées entre elles ou non, sur un substrat silicium. Le procédé a également été mis au point sur substrat Pyrex® pour supprimer les courants induits dans le substrat, sources de perturbations pour le comportement fréquentiel de l'inductance et de la résistance. Un banc de caractérisation impédance métrique a également été conçu afin de déterminer les limites du fonctionnement fréquentiel des composants réalisés qui ont permis de valider les performances des composants Ce travail ouvre de nombreuses perspectives dans la réalisation de composants magnétiques intégrés, assurant des fonctions électroniques connues et nouvelles, notamment en démontrant la faisabilité de transformateurs avec différents rapports de transformation ainsi que de fonctions de filtrage performant.

De nos jours, les systèmes de communications supportent un nombre croissant de normes radios dont les exigences en termes de bande et de vitesse sont diverses. Ceci rend la conception d'un convertisseur analogique numérique (CAN) unique convenant à toutes ces normes, une tache très problématique. La reconfigurabilité est une solution à ce problème, où la résolution serait échangée contre la bande passante. Les CANs Sigma Delta offrent un moyen facile d'effectuer cet échange en ajustant leur rapport de sur-échantillonnage. Cependant, ils ne sont adaptés pour les applications larges bandes. La parallélisation des CANs Sigma Delta surmonte ce problème et en plus augmente la reconfigurabilité du CAN. Dans ce travail, la conception d'un CAN Sigma Delta reconfigurable et parallèle est présentée. Sa reconfigurabilité permet de faire des échanges entre bande de conversion et résolution ainsi qu'entre consommation de puissance et bande de conversion. Ceci est possible grâce à un contrôle sur le nombre actifs de canaux, sur le rapport de sur-échantillonnage, sur la fréquence d'opération et sur l'ordre des modulateurs. Une nouvelle technique d'interpolation est également proposée. Elle permet de réduire les tailles des capacités et les contraintes sur le filtre anti-repliement. Un prototype du CAN a été fabriquée dans une technologie CMOS 65 nm. Il a été conçu pour satisfaire les exigences des normes GSM, UMTS, EDGE, DVB-T, WiFi et WiMax. Pour le scénario GSM/EDGE, le CAN a une résolution de 13 bits pour une consommation de 1.74 mW. Pour le reste des scénarios, les performances visées ne sont pas atteintes cependant la fonctionnalité a été testée avec succès.