L’électricité prend une place de plus en plus importante dans les systèmes énergétiques embarqués. L’électricité est une forme d’énergie très malléable, facile à transporter et réglable ou transformable avec un très faible taux de pertes. L’énergie électrique, associée à des convertisseurs statiques, est plus facile à maîtriser que, par exemple, l’énergie hydraulique et/ou pneumatique, permettant un réglage plus fin et une réduction des coûts de maintenance. L’évolution de la puissance dans les modèles avioniques est marquante. Avec le nombre croissant de charges électroniques, un avion plus électrique avec un réseau à courant alternatif inclurait un grand nombre de redresseurs AC/DC qui devront respecter les normes de qualité secteur. Une solution pour la réduction de la masse serait de préférer un réseau HVDC (High Voltage DC Bus). Sur les futurs modèles avioniques plus électriques, les concepteurs envisageront des conversions HVDC/DC à partir de l’unité appelée BBCU (Buck Boost Converter Unit). Dans ce cas d’étude, un réseau de distribution en tension continue (±270Vdc) est connecté à un réseau de sécurité basse tension (28Vdc) avec un échange bidirectionnel de puissance pouvant atteindre 10kW. Le convertisseur statique assurant cette liaison représente de nouveaux défis pour l’électronique de puissance en termes de fiabilité, sûreté, détection de panne, rendement et réduction de masse et de coût. Le dimensionnement du convertisseur doit prendre en compte une conception optimale, en aéronautique ce critère est la masse. Dans le processus de dimensionnement et d’optimisation du convertisseur, il est donc impératif de prendre en compte trois facteurs principaux : 1) l’évolution des topologies de conversion, 2) l’évolution des composants actifs et passifs et 3) l’intégration de puissance. La réunion de ces trois facteurs permettra ainsi la miniaturisation des convertisseurs statiques. Dans un premier temps, nous préciserons la démarche adoptée pour le dimensionnement d’un convertisseur en prenant en compte : les topologies actives, les filtres différentiels et le système de refroidissement. Les différents éléments qui composent le convertisseur sont décrits dans un langage informatique orienté objet. Des facteurs de performances seront également introduits afin de faciliter le choix des semi-conducteurs, des condensateurs et du dissipateur pour un convertisseur statique. Dans un deuxième temps, nous présenterons le fonctionnement d’une topologie multicellulaire DC/DC, isolée pour l’application proposée. Nous présenterons les avantages du couplage de différentes phases de ce convertisseur. Nous introduirons les différentes associations des cellules et leurs avantages, possibles grâce à l’isolement, comme la mise en série et en parallèle. Puisque la caractérisation des pertes des semi-conducteurs est essentielle pour le dimensionnement du convertisseur statique, nous proposerons deux approches : un modèle de simulation relativement simple et paramétré à l’aide de seules notices constructeurs ; et une méthode de mesure des pertes dans les semi-conducteurs qui est à la fois précise et compatible avec les composants les plus rapides. En ce qui concerne les composants magnétiques, une surface de réponse des matériaux ferrites sera présentée. Nous allons décrire, par le biais analytique et de simulation, des modèles pour la détermination du champ magnétique à l’intérieur du noyau et des ondulations de courant engendrés. Finalement, en profitant des modèles et des résultats obtenus dans les sections précédentes, nous montrerons le dimensionnement et la réalisation de chaque partie du convertisseur BBCU 100kHz / 10kW. Une perspective d’un design idéal est également présentée. / The electricity is taking a more important place in the embedded systems. The electricity is a very moldable form of energy, easy to transport and adjustable or transformed with a very low losses. The electrical energy, associated with power converters, is easier to control than hydraulic and/or pneumatic energies for example, allowing a finer regulation and a cost cutting of maintenance. The installed power in the avionic models is growing fast. With the increasing number of electronic loads, a more electrical aircraft with an AC network would include a large number of rectifiers AC/DC which will have to respect the quality standards. A solution for the reduction of the mass would be to prefer a HVDC network (High Voltage DC BUS). On the future more electrical aircrafts, the designers will be facing a HVDC/DC power conversion. This is the role of the unit called BBCU (Buck Boost Converter Unit). In our case of study, a distribution network in DC voltage (± 270Vdc) is connected to a security low-voltage network (28Vdc) which includes a bidirectional power exchanges achieving 10kW. The power converter for this connection gives new challenges for the power electronics in terms of reliability, safety, failure detection, efficiency and reduction of mass and cost. The design of the power converter needs to take into account for an optimal design. It is thus imperative to take into account three main factors: 1) the evolution of the power topologies 2) the evolution of the active and passive devices and 3) the power integration. The meeting of these three factors will allow the miniaturization of the power converters. At first, the adopted approach for designing power converters, taking into account the power topology, the differential filters and the cooling system are presented. The various elements which compose the power converter are described in an Object-Oriented Programming. The performance factors will be introduced to facilitate the choice of semiconductors, capacitors and heat-sinks. Secondly, the operation phases of a multicellular isolated DC/DC topology for the proposed application are presented. A discussion of the advantages of the magnetic coupling is also introduced. Thanks to the isolation, different associations of switching cells, series or/and parallel connection, are possible. Knowing the losses of power semiconductors is an essential step to design a power converter, thus two approaches are proposed: 1) a simulation model using a relatively simple model with the datasheets information; and 2) a losses measurement method which is precise and compatible with the fastest devices. As regards the magnetic components, a response surface of ferrite materials will be presented. Some models for the determination of the magnetic field inside the core and the current ripple are also described. Finally, by taking advantage of models and results obtained in the previous sections, the design and the realization of each party of the BBCU power converter 100kHz / 10kW is showed. A perspective of an ideal design is also presented.

Les évènements climatiques de ces dernières années ont encouragé de nombreux pays à augmenter la part des énergies renouvelables et non génératrices de gaz à effets de serre. Cependant, pour faciliter leur intégration à grande échelle, le besoin d’un super réseau européen se fait sentir. Ce nouveau réseau, principalement basé sur du courant continu sous haute tension (HVDC) nécessitera l’utilisation de convertisseurs DC-DC. Par conséquent, ce mémoire propose et étudie des topologies basées sur l’association de convertisseurs DC-DC élémentaires isolés. Il est organisé en une introduction, 3 chapitres et une conclusion. Dans l’introduction, un état de l’art est réalisé sur les technologies actuellement mises en oeuvre dans les applications HVDC. Le contexte de l’étude, lié au développement des réseaux DC interconnectés et maillés est ensuite développé. Dans le premier chapitre, des solutions basées sur l’association de convertisseurs DC DC élémentaires isolés sont étudiées puis comparées en termes de dimensionnement des éléments réactifs et de rendement. Cette étude nous a permis de sélectionner trois topologies pour la suite de notre travail. Dans le deuxième chapitre, nous évoquons tout d’abord les différentes problématiques pouvant apparaitre lors de la mise en oeuvre des solutions proposées. Dans un second temps, en prenant une ferme éolienne offshore comme cas d’application, les solutions proposées sont comparées en termes de pertes et de nombre de composants avec une topologie basée sur une association de convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC) utilisés dans les réseaux HVDC. Le troisième chapitre présente l’étude et la mise en oeuvre de deux prototypes de convertisseur DC-DC isolés, d’une puissance de 100 kW et fonctionnant sous une tension de 1,2 kV. Ces prototypes ont permis de valider expérimentalement les performances des topologies étudiées dans le premier chapitre. Finalement, la dernière partie propose une conclusion des travaux présentés dans cette thèse. Ces travaux nous ont permis de montrer que les solutions proposées présentent un intérêt pour le cas d’application sélectionné. / The catastrophic environmental effects seen in the last couple of decades have encouraged many countries to increase the proportion of C02-free energy from renewable sources. However, for the easier integration of these energies on a large scale, the need of a European SuperGrid has emerged. This new grid, mainly based on High-Voltage- Direct-Current (HVDC) will require the use of DC-DC converters. Therefore, this manuscript proposes and studies topologies based on the association of isolated elementary DC-DC converters. It is organized in one introduction, 3 chapters and one conclusion. In the introduction, a state-of-the-art of the technologies currently used in HVDC applications is proposed. The context of the study, linked to development of the meshed DC grids, is developed afterwards. In the first chapter, solutions based on the association of elementary isolated DC-DC converters are studied and then compared in terms of reactive components sizing and efficiency. This study permitted the selection of three topologies for the rest of our work. In the second chapter, we mention the issues which may appear during the implementation of the solution. Then, by taking an offshore wind farm as application case, the solution is compared, in terms of loss and component number, with a topology based on the association of Modular Multilevel Converters (MMC) currently used in HVDC grids. The third chapter presents the study and the implementation of two 100 kW DC-DC converter prototypes, operating at 1.2 kV. These prototypes allowed the experimental validation of the performances of the topologies studied in the first chapter. Finally, the last part proposes a conclusion of the work achieved in this thesis. This work allowed it to be shown that the proposed solutions are interesting for the selected application case.

Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La compatibilité électromagnétique (CEM) est l’une des contraintes majeures de la conception des structures de l’électronique de puissance. Pour le cas des convertisseurs statiques, la commutation des semi-conducteurs et leurs interactions avec les éléments parasites liés à l’environnement sont la source principale des perturbations conduites. Cette interaction ne cesse d’augmenter notamment avec l’industrialisation des nouvelles générations de semi-conducteurs à grand gap qui deviennent de plus en plus impressionnantes grâces à leurs faibles pertes en commutation et à leur rapidité croissante. Malheureusement, l’étude de ces perturbations est souvent considérée comme le dernier obstacle à la commercialisation et elle n’est pas prise comme contrainte de conception. L’estimation a priori de ces perturbations par la simulation peut permettre un gain considérable tant sur le plan économique que sur le temps de traitement. Dans ce mémoire, nous mettons l’accent sur les modèles de composants semi-conducteurs et leurs effets sur les perturbations conduites dans les convertisseurs statiques. Cette étude mettra aussi en évidence les problèmes liés aux simulations temporelles ou fréquentielles et l’utilité de chacune. Ensuite, nous proposons des modèles pour le MOSFET et pour la diode Shottky en technologie carbure de silicium et nous analysons l’influence de leurs paramètres sur les perturbations conduites dans un circuit de hacheur. Nous exposons aussi une approche permettant d’obtenir des temps de simulation plus raisonnables en introduisant le principe de contrôle des signaux parasites et des cycles de fonctionnement. Finalement, nous introduisons une nouvelle méthode de description des commutations par des sources équivalentes. Nous montrons qu’il est possible à partir de l’étude de la loi de commande de proposer une méthode de synthèse d’une cellule de commutation permettant de reconstruire ses grandeurs électriques de sortie. / Electromagnetic compatibility (EMC) is one of the major constraints involved in the design of power electronics structures. In the case of static power converters, the switching of semiconductors and their interactions with the parasitic elements related to the environment are the main source of conducted disturbances. This interaction is increasing especially with the industrialization of new generations of wide band gap semiconductors that become increasingly impressive thanks to their low switching losses and their rapidity. Unfortunately, the study of the disturbances is often considered as the last obstacle to the marketing and it is not taken as a design constraint. An early estimation of these disturbances by simulation can provide a reduction in processing time and a considerable economic gain. In this manuscript, we focus on semiconductors models and their effects on conducted interference in static converters. This study will also reveal problems related to time or frequency simulations and usefulness of each one. Then, we propose models for silicon-carbide MOSFET and Schottky diode and we analyze the influence of their parameters on the conducted disturbances in a chopper circuit. We also expose an approach to obtain more reasonable simulation time by controlling parasitic signals and operating cycles. Finally, we introduce a new method to describe switching’s by using equivalent sources. We show that by studying the command law, it is possible to propose a synthesizing method of a switching cell able to rebuild its electrical outputs.

La conception d'un convertisseur est un travail pluridisciplinaire reposant sur effort un humain, un coût et une durée importants. Le développement des convertisseurs serait moins contraignant s'il existait une solution générique. C'est dans ce contexte que l'approche « Réseau de micro-convertisseurs » (RµC) a vu le jour. Un réseau de micro convertisseurs est composé d'un seul type de composant universel appelé aussi « cellule élémentaire » à partir duquel il est possible de répondre à n'importe quel cahier de charges par diverses associations. Les travaux de cette thèse portent sur le principe et les moyens de réalisation du réseau de micro-convertisseurs qui pourrait aboutir à une rupture technologique. Une partie importante de cette thèse est consacrée à l'optimisation de la cellule élémentaire des points de vue fonctionnels mais aussi et surtout assemblage et mise en œuvre. La réalisation d'un réseau de micro-convertisseurs reste l'objectif principal à développer pour démontrer le potentiel de cette approche. L'étude menée sur la réalisation d'un démonstrateur pour application photovoltaïque va nous montrer que cette nouvelle approche peut être compétitive par rapport aux structures existantes d'électronique de puissance pour les applications solaires et surtout que son industrialisation est possible. / For the creation of one converter in power electronics, a qualified staff in the field of the conception, the design, the production, the tests and validation has to be involved. The development of the converters would be much easier if there is one generic solution. Thus, the « network of micro-converters » is proposed. This approach is based on one universal device called “elementary cell” which represents a micro-converter. One matrix of elementary cells could be configured in such a way to correspond to every electrical specification. This thesis highlights the state of art of the network of micro-converters and focalizes on its development which could be a technological breakthrough. At first, the optimization of the elementary cells according to the standard technologies for the realization is issued. The development of one network of micro-converters remains the main objective of this work in order to demonstrate the benefits of this approach. The realization of one prototype for distributed photovoltaic system shows that it could be a competitive solution in comparison with the existing power electronics structures dedicated to solar systems.

L’introduction des systèmes électriques notamment des dispositifs d’électronique de puissance « embarqués » dans le domaine de transport aérien, requiert une forte compacité et une forte intégration des systèmes de conversions électriques ainsi des fonctionnalités électroniques a des hautes t ambiantes dépassant les 200°C.Mais pour répondre à ces besoins, le silicium a atteint ses limites d'où le recours à des nouveaux matériaux semi-conducteurs comme ceux à grand gap.Dans le cadre de ses recherches, Thales, en collaboration avec le laboratoire SATIE , mènent des investigations sur les performances des semi-conducteurs en technologie sic pour développer des convertisseurs aéronautiques de nouvelle génération.Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre d'une étude des potentialités des premiers composants SiC disponibles sur le marché. Cette étude permet de comparer les principales performances de ces dispositifs ainsi que les contraintes spécifiques induites lors de leur intégration dans les convertisseurs aéronautiques. / The potential of wide band gap transistors based on silicon carbide are remarkable and open new prospects for improvement (high efficiency, high breakdown voltage, high switching frequency and high operating temperature ...). This leads to volume and weight reduction for future converters. In order to improve new generation of power converters for future needs, Thales, in cooperation with SATIE and LTN IFSTTAR laboratories, performs investigations on the performances, advantages and disadvantages of SiC technology semiconductors. This comparative study will assess the strengths and weaknesses as well as the stresses induced during integration into aircraft converters of commercially available devices.

Ces travaux de thèse préparés au laboratoire SATIE, s’inscrivent dans la promotion de l’énergie solaire photovoltaïque (PV). Dans ces travaux, nous nous intéressons particulièrement au dimensionnement et au contrôle-commande du système PV connecté au réseau dans un contexte d’utilisation au Tchad où l’on doit tenir compte des problématiques du coût, du rendement, de fiabilité du système et de la qualité de l’énergie. Le réseau considéré est un réseau basse tension BT (220 V) avec une fréquence égale à 50 Hz mais susceptible de varier, auquel on injecte une puissance de 5,2 kW. Une méthode de dimensionnement des éléments passifs du filtre, a été préposée en premier lieu. Dans le but de réduire le coût de fabrication et le volume du filtre passif, une technique de fragmentation en plusieurs petites inductances en série a été adoptée. Cette technique optimise le volume et le coût du système PV classique. Ensuite, nous avons proposé une nouvelle architecture du système PV connecté au réseau utilisant un onduleur multi-niveaux. L’adaptation de cet onduleur à structure innovante a permis de réduire le coût de fabrication du filtre passif d’environ 40 % par rapport au système classique optimisé, tout en augmentant le rendement. Enfin, une commande PQ découplée, utilisant une boucle à verrouillage de phase PLL pour synchronisation, a été conçue et appliquée aux deux systèmes PV. Elle est bien adaptée au système avec onduleur multi-niveaux. / This PhD work, prepared at SATIE laboratory, is part of the promotion of solar photovoltaic (PV) energy. In this work, we are particularly interested in design and control of the grid-connected PV system in a context of use in Chad where cost, reliability, efficiency, and energy quality issues of the system should be taken into account. The considered grid is a low voltage grid (220 V) with a frequency equal to fifty hertz (50 Hz) but likely to vary, in which a power of five point two ( 5.2 kW) is injected. A design method of the filter passive to reduce the filter elements is proposed firstly. In order to reduce manufacturing cost and volume of the passive filter, we apply a technique consisting of dividing each inductance value and making it in several small inductances in series. This technique optimizes the conventional PV system. Then, we proposed a new grid-connected PV system architecture using a multi-level inverter. The adaptation of this innovative structure has reduced the manufacturing cost of passive filter by nearly 40 % compared to the classical optimized system. Finally, a decoupled PQ control, using a phase locked loop for sysnchronization, has been designed and applied for both systems. It is well adapted to the system with multilevel inverter.

Ce travail de recherche présente l’étude, conception et validation d’une topologie de convertisseur de puissance pulsé qui compense la chute de tension pour des modulateurs de type klystron de haute performance. Cette topologie est capable de compenser la chute de tension du banc de condensateur principal et, en même temps, de faire fonctionner le modulateur avec une consommation de puissance constante par rapport au réseau électrique. Ces spécifications sont requises par le projet Compact Linear Collider (CLIC) pour les modulateurs klystron de son Drive Beam. Le dimensionnement du système est effectué à partir d’un outil d’optimisation globale développé à partir des modèles analytiques qui décrivent les performances de chaque composant du système. Tous les modèles sont intégrés dans un processus optimal intermédiaire de conception qui utilise des techniques d’optimisation afin de réaliser un dimensionnement optimal du système. Les performances de cette solution optimale intermédiaire sont alors évaluées à l’aide d’un modèle plus fin basé sur des simulations numériques. Une technique d’optimisation utilisant l’approche «space mapping» est alors mise en oeuvre. Si l’écart entre les performances prédites et les performances simulées est important, des facteurs de correction sont appliqués aux modèles analytiques et le processus d’optimisation est relancé. Cette méthode permet d’obtenir une solution optimale validée par le modèle fin en réduisant le nombre de simulations. La topologie finale sélectionnée pour le cahier des charges du modulateur CLIC est validée expérimentalement sur des prototypes à échelle réduite. Les résultats valident la méthodologie de dimensionnement et respectent les spécifications. / This research work presents the study, design and validation of a pulsed power converter topology that performs accurate voltage droop compensation for high performance klystron modulators. This topology is capable of compensating the voltage droop of the intermediate capacitor bank and, at the same time, it makes possible a constant power consumption operation of the modulator from the utility grid. These two main specifications are required for the Compact Linear Collider (CLIC) Drive Beam klystron modulators. The dimensioning of the system is performed by developing a global optimization design tool. This tool is first based on developed analytical models describing the performances of each system subcomponent. All these models are integrated into an intermediate design environment that uses nonlinear optimization techniques to calculate an optimal dimensioning of the system. The intermediate optimal solution performances are then evaluated using a more accurate model based on numerical simulation. Therefore, an optimization technique using «space mapping» is implemented. If differences between predicted performances and simulated results are non-negligible, correction factors are applied to the analytical models and the optimization process is launched again. This method makes possible to achieve an optimal solution validated by numerical simulation while reducing the number of numerical simulation steps. The selected final topology for the CLIC klystron modulator is experimentally validated using reduced scale prototypes. Results validate the selected methodology and fulfill the specifications.

Ce mémoire présente une étude sur la simulation en temps réel des réseaux électriques comportant des convertisseurs électronique de puissance, en utilisant deux pas de calcul différents. L'impact du double pas de calcul sur la précision de la simulation est d'abord étudié à l'aide de SimPowerSystems (MATLAB) puis validé en temps différé avec Hypersim, le logiciel de simulation temps réel d'Hydro-Québec. L'impact est étudié par l'observation des formes d'onde, par l'analyse harmonique, ainsi que par les mesures de puissance au point de découplage, entre les deux parties du réseau. La méthode de simulation à double pas de calcul pourrait être implantée, en temps réel, par l'utilisation d'une unité de calcul rapide dans Hypersim. La technologie FPGA « Field Programmable Gate Array » est considérée pour remplir cette fonction et ses caractéristiques sont passées en revue.

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