Face aux enjeux énergétiques d'aujourd'hui et de demain, le développement des énergies renouvelables semble inéluctable. Cependant, la production électrique de sources renouvelables prometteuses comme le photovoltaïque ou l'éolien est intermittente et difficilement prévisible du fait de la dépendance de ces sources aux conditions météorologiques. Afin de s'affranchir du caractère discontinu de la production d'électricité et de l'inadéquation de la production avec la consommation, un moyen de stockage de l'énergie électrique est nécessaire. Dans ce contexte, la batterie hydrogène est une des solutions envisagées. Lors de périodes de surproduction d'énergie renouvelable, un électrolyseur produit de l'hydrogène par électrolyse de l'eau. Lorsque cela est nécessaire, une pile à combustible fournit de l'électricité à partir du gaz stocké. Couplé avec des sources d'énergie renouvelable, la batterie produit de l'énergie électrique non carbonée, c'est-à-dire non émettrice de gaz à effet de serre. L'intérêt majeur de cette technologie est le découplage entre l'énergie et la puissance du système. Tant que la pile est alimentée en gaz, elle fournit de l'électricité, l'énergie dépend des réservoirs de gaz. La puissance quant à elle, dépend des caractéristiques des composants électrochimiques et du dimensionnement des chaînes de conversions de puissance. Les chaînes de conversions de puissance relient les composants électrochimiques au réseau électrique. Dans le cas de la chaîne de conversion sans transformateur qui est envisagée ici, la présence d'un convertisseur DC-DC à haut rendement est rendue nécessaire de par la caractéristique basse tension fort courant des composants électrochimiques. Avec pour but principal l'optimisation du rendement, deux axes de recherches sont développés. Le premier axe de recherche développe un convertisseur multicellulaire innovant à haut rendement à fort ratio de conversion. Les résultats expérimentaux du convertisseur appelé 'miroir' obtenu dans deux expérimentations ont démontré la supériorité de cette topologie en terme d'efficacité énergétique par rapport aux convertisseurs conventionnels. Le deuxième axe de recherche porte sur de nouveaux composants de puissance au nitrure de gallium (GaN) annoncés comme une rupture technologique. Un convertisseur buck multi-phases illustre les défis technologique et scientifique de cette technologie et montre le fort potentiel de ces composants.

Les convertisseurs multicellulaires parallèles permettent de traiter des puissances importantes et de profiter d'une certaine standardisation des équipements. Ces dernières années, ces structures ont connu un regain d'intérêt lié notamment à la possibilité de couplage magnétique des inductances. Ce couplage aboutit à un composant magnétique aux propriétés très différentes appelé Transformateur Inter-Cellules (ICT) ; il ne modifie pas le courant de sortie, par contre il réduit l'ondulation de courant dans les bobines et l'ondulation de flux dans certaines parties du noyau. On peut montrer que ce couplage entraîne une réduction des pertes Joules dans les conducteurs et des pertes magnétiques dans le noyau. La réduction de l'ondulation de courant diminue également le courant efficace dans les semiconducteurs ce qui réduit les pertes par conduction, et la différence entre le courant à l'amorçage et au blocage des interrupteurs, ce qui permet la diminution des pertes dans les semiconducteurs lorsque les pertes au blocage sont supérieures aux pertes à l'amorçage. Le dimensionnement d'un ICT n'est pas fondamentalement différent de celui fait pour d'autres composants magnétiques en ce sens qu'il est basé sur le respect de certaines valeurs limites (induction, température) ce qui suppose une évaluation des différentes pertes et l'élaboration d'un modèle thermique. Par contre, la manière d'évaluer ces différentes grandeurs est tout à fait spécifique et n'a que quelques points communs avec les méthodes de calcul des inductances et des transformateurs Dans ce travail de thèse, on montre comment dimensionner ces ICTs en considérant plusieurs topologies et méthodes différentes, correspondant à différents niveaux de sophistication et de complexité. L'explication de ce dimensionnement est divisée en quatre parties : Pertes Cuivre, Pertes Fer, Densité de Flux de Saturation et Aspects Thermiques. L'évaluation des pertes cuivre liées aux composantes alternatives des ICTs constituent un point particulièrement délicat dans la mesure où elles résultent de la combinaison de deux facteurs eux-mêmes difficiles à évaluer ; l'inductance de fuite qui détermine l'amplitude des courants alternatifs mais dépend des flux principalement non canalisés et circulant dans l'air (volume d'étude important, effets 3D…), et la résistance équivalente des bobinages qui en haute fréquence est sujette à des phénomènes complexes comme les effets de peau et de proximité. En se basant sur l'utilisation d'un logiciel simple mais néanmoins robuste et fiable pour calculer précisément les résistances en haute fréquence et les inductances de fuite des ICTs, plusieurs astuces permettant de réduire les pertes cuivre non seulement des ICTs mais aussi des transformateurs et des inductances sont suggérées. Des tableaux simples sont développés pour aider le concepteur de transformateurs à identifier la meilleur configuration de conducteurs dans une fenêtre de bobinage en prenant en compte la forme d'onde du courant, le nombre de tours des enroulements, la fréquence des courants et les paramètres géométriques. Des formules analytiques et des outils de calcul adéquats ont ensuite été utilisés pour développer des routines d'optimisation ayant pour but la réduction de la masse, du volume, des pertes ou du coût des ICTs. Des interpolations multidimensionnelles des valeurs présimulées des résistances et inductances de fuite en haute fréquence sont utilisées afin de réduire le temps d'exécution de la routine d'optimisation. Plusieurs dimensionnements des ICTs ont été comparées vis-à-vis des matériaux du noyau et des conducteurs, du nombre de cellules de commutation et de la fréquence de découpage. Des comparaisons avec des selfs ont également été faites afin de montrer les avantages de ces ICTs. Des aspects de la commande des convertisseurs multi-niveaux triphasés ont également été étudiés vis-à- is du flux circulant dans les ICTs. Des homopolaires, spécifiques pour chaque stratégie MLI et chaque topologie convertisseur/charge, sont créées afin de minimiser le flux dans les ICTs et par conséquent de réduire davantage la masse et la taille de ces composants. Des comparaisons entre différentes méthodes de MLI sont effectuées et vérifiées expérimentalement. / In recent years, the interest for parallel multicell converters has grown, which is partially due to the possibility of coupling the inductors used to connect the different commutation cells together. Coupling the inductors to form an InterCell Transformer (ICT) does not usually modify the output current, but it reduces the current ripple in the windings and the flux swing in some regions of the core. It can be shown that this brings a reduction of copper and core losses in the magnetic component. The reduction of the phase current ripple also reduces the difference between turn on and turn off current in the switches, which brings a reduction of switching losses for devices generating more losses at turn off than at turn on. The design of an ICT is not that different from any other magnetic component but it is very specific and inherent features must be taken into account. Taking full benefit of the potential advantages of ICTs requires the development of special tools and methods which are the focus of the study. We show how to design ICTs considering several topologies and different methods, from the most precise and time-consuming to the less accurate but more quickly calculated. The explanation of the ICT design is divided in four main parts: Copper Losses, Core Losses, Flux Density Saturation and Thermal Aspects. Further attention is given to high frequency copper losses since complex phenomena such as skin and proximity effects highly influence the ICT design. Based on Finite Element Method simulations, smart practices are suggested to reduce high and low frequency copper losses, not only in ICTs but also in inductors and transformers. Simple tables are developed to help transformer designers to identify the best configuration of conductors inside a given core window, depending on the current waveform and frequency, number of turns and geometrical parameters. Optimization routines to reduce the ICT total mass, volume, losses or cost are developed and multidimensional interpolation of pre-simulated values of AC resistance and leakage inductance is used to speed up the optimization routine. Comparison of ICT designs with regard to core and conductor material, number of cells and switching frequency is performed. Comparison with regular inductors is also made in order to verify the benefits of this kind of magnetic component. Multilevel converter control aspects applied to three- hase systems is also investigated in terms of the ICT flux. Zero sequence signals, specific for a PWM strategy and converter/load topology, are created in order to minimize the flux in ICTs and consequently reduce even further the mass and size of these components. Comparison between several PWM methods are performed and experimentally verified.

Depuis des années, les avionneurs sont engagés pour la réduction de l’empreinte environnementale à travers le développement de nouveaux concepts. Ainsi, le remplacement des systèmes hydrauliques (hydraulicless) et pneumatiques (bleedless) de l’avion par des systèmes électriques sont envisagés d’où l’apparition du concept d’avion « plus électrique ». Toutefois, les gains espérés (diminution du coût, de la consommation de carburant ou de la masse) suite à cette substitution ne sont pas si faciles à obtenir, car les technologies précédentes ont bénéficié de plusieurs dizaines d’années de développement et d’optimisation. Les solutions électriques nouvellement proposées doivent donc elles aussi être très abouties pour être véritablement concurrentielles ; tous les degrés de liberté doivent être envisagés, qu’il s’agisse des technologies ou des architectures. En particulier, l’usage d’un nouveau réseau HVDC (540 V) semble être une solution prometteuse. A partir de ce réseau HVDC, les différentes charges AC triphasées sont alimentées par une série d’onduleurs génériques. Compte tenu de la disparité des consommations pendant les différentes phases de vol, le même onduleur peut servir à alimenter plusieurs charges. La connexion entre les onduleurs et les charges est gérée par une matrice de contacteurs. Cette solution innovante considère également des cas de redondance pour augmenter la robustesse de la solution. La conception de ce nouveau système est présentée dans ce rapport de thèse. Le compromis optimal entre le nombre d’onduleurs et la puissance nominale de chaque onduleur doit être obtenu. Ce choix déterminera fortement la taille de la matrice de contacteurs. Cependant, pour adresser cette problématique, il est nécessaire de connaître la masse des différents composants en fonction de la puissance requise. Un environnement de conception est ainsi créé dans le but de réaliser le dimensionnement optimal de convertisseurs de puissance. Les différents composants sont décrits utilisant une approche « directe » et sont codés sous le formalisme « orienté-objet ». Ces modèles sont ensuite validés expérimentalement ou par simulation numérique. Les différents modèles sont couplés à un environnement d’optimisation et à un solveur fréquentiel qui permet une résolution rapide des formes d’ondes du régime permanent. L’environnement d’optimisation réalise le dimensionnement précis des différentes parties de l’onduleur : dissipateur, module de puissance, filtre côté continu et inductance de couplage. Un onduleur est proposé pour différentes puissances nominales et fréquences de découpage. L’optimisation adresse également le choix des différentes technologies. Finalement, les résultats sont utilisés pour déterminer le meilleur compromis entre nombre d’onduleurs et puissance de l’onduleur à partir d’un algorithme heuristique. / In recent years, aircraft manufacturers have been making progress in the design of more efficient aircrafts to reduce the environmental footprint. To attain this target, aircrafts manufactures work on the replacement of the hydraulic and bleed systems for electrical systems leading to a “More Electrical Aircraft”. However, the expected mass gain is a challenge, as previous technologies have been developed and optimized for decades. The new electrical solutions need to be look into detail to be competitive with previous technologies. All degrees of freedom must be considered, that is, new technologies and architectures. In particular, an HVDC network that reduces the number of rectifier stages seems a promising solution. From the HVDC network, the different three phase AC loads will be supplied by a series of power generic inverters. As the power consumption of the different loads change during the flight mission, the same inverter is used to supply different loads. The connection between the inverters and the loads is managed by a matrix of contactors. The proposed solution also considers redundant configurations, thus increasing system robustness. The design of the innovative system is presented in this document. That is, determining the optimal trade-off between the number of power inverters and the nominal power of each generic inverter that will also impact the size of the matrix of contactors. However, to assess the combinatory problem, the mass of the different components as a function of the nominal power needs to be calculated. A design environment is therefore created to perform automatic and optimized design of power converters. The different components are described using a “direct modelling” approach and coded using “object-oriented” programming. The components are validated experimentally or by numerical simulations. The different models are coupled to an optimization environment and to a frequency solver allowing a fast calculation of the steady-state waveforms. The optimization environment performs the precise design of the different parts of the power inverter: heatsink, power module, DC filter and coupling inductor. The power inverter is designed for different values of nominal power and switching frequency. The optimization assesses as well the usage of different technologies. Finally, the results are used to determine the optimal trade-off between the number of inverters and the nominal power of each inverter using a heuristic algorithm.

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).

Dans notre travail de thèse nous nous intéressons à la caractérisation de l'environnement électromagnétique des convertisseurs de l'électronique de puissance. Pour ce faire, nous proposons d'utiliser des formalismes analytiques de calcul du champ électromagnétique émis par les dispositifs de l'électronique de puissance en domaine fréquentiel et aussi directement en domaine temporel. Après une analyse par résolution directe des équations de Maxwell par FDTD, nous avons étendu notre travail à une approche simplifiée et plus accessible à l'ingénieur de recherche. Cette approche consiste à réaliser le travail en deux étapes. Dans une première étape, nous commençons par le calcul de la répartition des courants et tensions et en deuxième étape, nous abordons le calcul analytique du champ électromagnétique émis. Afin de compléter notre travail, nous avons aussi abordé la question de la réduction de l'émission électromagnétique des convertisseurs de l'électronique de puissance. Pour cette problématique, nous proposons de réduire le champ magnétique rayonné en introduisant des boucles conductrices passives au sein même du dispositif.

Dans le cadre du programme de croissance Européen 2020, la commission européenne a mis en place officiellement un chemin à long terme pour une économie à faible émission de carbone, en aspirant une réduction d’au moins 80% des émissions de gaz à effet de serre, d’ici 2050. Répondre à ces exigences ambitieuses, impliquera un changement majeur de paradigme, et notamment en ce qui concerne les infrastructures du réseau électrique. Les percées dans la technologie des semi-conducteurs et les avancées avec les nouvelles topologies d’électronique de puissance et leurs contrôle-commandes, ont contribué à l’impulsion donnée au processus en cours de réaliser un tel SuperGrid. Une percée technologique majeure a eu lieu en 2003, avec le convertisseur modulaire multi-niveaux (MMC ou M2C), présenté par le professeur Marquardt, et qui est actuellement la topologie d’électronique de puissance la plus adaptée pour les stations HVDC. Cependant, cette structure de conversion introduit également un certain nombre de défis relativement complexes tels que les courants “additionnels” qui circulent au sein du convertisseur, entrainant des pertes supplémentaires et un fonctionnement potentiellement instable. Ce projet de thèse vise à concevoir des stratégies de commande “de haut niveau” pour contrôler le MMC adaptées pour les applications à courant continue-haute tension (HVDC), dans des conditions de réseau AC équilibrés et déséquilibrés. La stratégie de commande optimale identifiée est déterminée via une approche pour la conception du type “de haut en bas”, inhérente aux stratégies d’optimisation, où la performance souhaitée du convertisseur MMC donne la stratégie de commande qui lui sera appliquée. Plus précisément, la méthodologie d’optimisation des multiplicateurs de Lagrange est utilisée pour calculer le signal minimal de référence du courant de circulation du MMC dans son repère naturel. / Following Europe’s 2020 growth program, the Energy Roadmap 2050 launched by the European Commission (EC) has officially set a long term path for a low-carbon economy, assuming a reduction of at least 80% of greenhouse gas emissions by the year 2050. Meeting such ambitious requirements will imply a major change in paradigm, including the electricity grid infrastructure as we know it.The breakthroughs in semi-conductor technology and the advances in power electronics topologies and control have added momentum to the on-going process of turning the SuperGrid into a reality. Perhaps the most recent breakthrough occurred in 2003, when Prof. Marquardt introduced the Modular Multilevel Converter (MMC or M2C) which is now the preferred power electronic topology that is starting to be used in VSC-HVDC stations. It does however, introduce a number of rather complex challenges such as “additional” circulating currents within the converter itself, causing extra losses and potentially unstable operation. In addition, the MMC will be required to properly balance the capacitive energy stored within its different arms, while transferring power between the AC and DC grids that it interfaces.The present Thesis project aimed to design adequate “high-level” MMC control strategies suited for HVDC applications, under balanced and unbalanced AC grid conditions. The resulting control strategy is derived with a “top-to-bottom” design approach, inherent to optimization strategies, where the desired performance of the MMC results in the control scheme that will be applied. More precisely, the Lagrange multipliers optimization methodology is used to calculate the minimal MMC circulating current reference signals in phase coordinates, capable of successfully regulating the capacitive arm energies of the converter, while reducing losses and voltage fluctuations, and effectively decoupling any power oscillations that would take place in the AC grid and preventing them from propagating into the DC grid.

Dans l’objectif d’une augmentation en puissance des piles à combustible pour satisfaire les besoins énergétiques des applications embarquées, une solution consiste à augmenter la taille des assemblages. Dès lors, des problèmes de disparités fluidique, thermique et électrique peuvent survenir dans le cœur des piles et conduire ainsi à l’apparition de défaut. La pile à combustible, de par sa nature de source électrique basse tension – fort courant, requiert d’être couplée au réseau électrique embarqué par l’intermédiaire d’un convertisseur statique. Ce dernier peut alors être employé pour agir de façon corrective sur la pile et aussi de corriger les défaillances qui en sont liées. Dans cette perspective, le convertisseur doit avoir en permanence un retour sur l’état de santé de la pile. Pour cela, une méthode de détection et d'identification de défaut de type noyage et d’assèchement pour une pile du type PEMFC a été approfondie. Cette méthode simple, économique en capteurs, se base sur la mesure de 3 tensions de cellule judicieusement sélectionnées et localisées sur la pile. Ainsi, l’utilisation de l’information « spatiale », qui correspond à la position de la mesure de tension dans la pile permet d’identifier les défauts. Le principe de la détection localisée nous amène alors à considérer le concept de pile segmentée qui consiste à séparer électriquement la pile en 3 parties de façon à ce que des convertisseurs associés puissent agir électriquement sur chaque segment. L’action peut être du type tout ou rien, ou contrôlée. Cette dernière offre davantage de degrés de liberté, et est moins contraignante pour la pile d’un point de vue électrique. Pour choisir comment réaliser cette action, une étude comparative de plusieurs topologies de convertisseur est effectuée. Les structures alimentées en courant répondent au mieux aux contraintes électriques d’une PEMFC et sont donc privilégiées, de même que la nécessité d’une isolation galvanique imposée par la segmentation de la pile. Au final, une topologie de BOOST isolé résonant est apparue comme étant la topologie répondant au mieux à l’ensemble des critères (plage de fonctionnement, performances énergétiques, nombre de composants). L’ensemble convertisseur global intègre ainsi trois structures unitaires qui permettent d'offrir une modularité, une action indépendante sur chaque segment et de garantir une disponibilité du système grâce à un fonctionnement dégradé. Pour cela, la stratégie de commande de l’ensemble convertisseur intègre les informations issues de la méthode de détection. La thèse se termine avec le dimensionnement complet d’un pré-prototype du convertisseur avec le choix des composants actif et passifs, et du système de refroidissement associé. / In the objective of fuel cell power increase in order to satisfy energetic requirements for embedded applications, a solution consists in increasing the size of fuel cell stack assemblies. As possible consequence, fluidic or thermal disparity problems may occur in the fuel cell core and lead to the appearance of faults. The fuel cell, which is a low voltage-high current electrical source, needs to be connected to the on-board electrical network thanks to a static converter. This latter can be used in order to perform a corrective action in the aim of reducing disparities in the stack and also correcting resulting faults. In this perspective, the converter should permanently get information about fuel cell state of health. Hence, a fault detection and identification method for PEMFC has been explored. This method which is simple and requires only few sensors is based on 3 voltage measurements judiciously selected and localized over the stack. Using “spatial” information which corresponds to the position of the sensors, allows to identify some characteristic faults. The principle of the localized fault detection leads to consider the segmentation concept for the fuel cell, which in our case is electrically split into three parts and allows an independent control of each segment by the power converter. Electrical action can be “all or nothing” or moderated ones. The latter offers more degree of freedom, and is less constraining from an electrical point of view. In order to execute the action, study of multiple power converter topologies have been done. Among the candidate topologies, current structures are preferred, as well as the necessity of a galvanic isolation required by the segmentation concept. The resonant isolated boost is the adopted structure; as it meets at best the whole criteria. Thus the global converter assembly is composed of three single structures which offer modularity, independent action on each segment, and continuity of service thanks to degraded modes. The detection method is hence implemented in the converter control strategy. This Ph.D. thesis ends with the complete sizing of a power converter pre-prototype together with technological choices for the active, passive and associated cooling components.

Les convertisseurs de puissance sont largement utilisés de nos jours dans des applications qui demandent une grande autonomie énergétique, comme par exemple ceux qui sont alimentés par des batteries. En particulier, les amplificateurs de type Class-D sont fréquemment utilisés dans les applications audio. Ces amplificateurs commutés ont une architecture ressemblante à celle d'un convertisseur DC-DC, ce qui les permet d'avoir une efficacité énergétique élevée. Cependant, leur inconvénient majeur est la forte émission en perturbations électromagnétiques (EM). Cela peut causer des problèmes de conformité avec les normes de compatibilité électromagnétique (CEM), ou bien perturbé le bon fonctionnement des applications électroniques qui l'entour. Pour cela, ils existent de nombreuses études qui permettent de réduire les émissions d'un amplificateur de Class D. Cependant, cela n'est pas suffisant pour retirer le filtre de CEM. Il est donc nécessaire d'optimiser ces filtres et de faciliter leurs conceptions. Ceci est le but de la présente thèse et il est divisé en quatre grandes parties. La première partie commence par développer une technique de modélisation dans le domaine fréquentiel. Cette technique qui est basée sur la détermination et la manipulation des matrices d'impédances a comme but de simuler et prédire les perturbations EM générées par un amplificateur de Class D. Tous les aspects théoriques de la méthode ont été développés. Ensuite, une application pratique sur un système de Class D dédié à la téléphonie mobile nous a permis de valider la méthode jusqu'à une fréquence de 100 MHz. Un amplificateur de Class D est une source de perturbation aussi bien sur les rails d'alimentation que sur les rails de sortie. Pour cela, le filtre de CEM est nécessaire sur les rails de l'alimentation comme il y est en sortie. Néanmoins, un filtre correctement construit doit être conçu en prenant en compte l'impédance de la charge qui est la batterie dans ce cas. Pour cela, la deuxième partie a pour objectif la mesure de l'impédance de la batterie sur la gamme de fréquence considérée. Ainsi, une technique de mesure d'impédance de batterie en utilisant un impédance mètre est développée. Ensuite, une application expérimentale sur un convertisseur DC-DC et une batterie nous a permis de valider la procédure de mesure. La troisième partie s'est focalisée sur l'optimisation du filtre de CEM. Le modèle fréquentiel développé dans la première partie est intégré dans une boucle d'optimisation basée sur un algorithme génétique. L'optimisation inclus plusieurs critères dans sa fonction objective qui sont l'augmentation de la capacité du filtre à réduire les émissions EM, la diminution des pertes supplémentaires due à l'utilisation du filtre et finalement le gain du filtre dans la bande de fréquence du signal audio. Cette étude est poursuivie par une validation expérimentale. La quatrième et la dernière partie étudie et quantifie les impacts du filtre de CEM sur la qualité audio de l'amplificateur. En effet, le filtre de CEM est l'un des chemins propagation du signal audio. Par suite, tout comportement non linéaire du filtre conduit à la distorsion du signal audio. Pour cela, cette partie est dédiée à la modélisation et la simulation des composants passifs contenant un matériau magnétique. En particulier, l'étude s'est focalisée sur la modélisation des perles de ferrite en utilisant le modèle de matériaux magnétiques Jiles-Aterthon. Les résultats de simulations sont comparés avec la mesure dans le domaine temporel et fréquentiel. En plus, le calcul du taux de distorsion harmonique nous a permis de valider le modèle sur une large plage d'amplitude. / Switching power management circuits are widely used in battery powered embedded applications in order to increase their autonomy. In particular, for audio applications, Class-D amplifiers are a widespread industrial solution. These, have a similar architecture of a buck converter but having the audio signal as reference. The switching nature of these devices allows us to increase significantly the power efficiency compared to linear audio amplifiers without reducing the audio quality. However, because of the switching behavior, Class-D amplifiers have high levels of electromagnetic (EM) emissions which can disturb the surrounding electronics or might not comply with electromagnetic compatibility (EMC) standards. To overcome this problem much architecture appeared in the state of the art that reduces the emissions, however, this has never been enough to remove electromagnetic interference (EMI) filters. It is then useful to optimize these filters, thus, it has been set as the goal of this PhD thesis. The latter has been divided to four main axes which can be resumed by the following. First, this work started by developing a frequency domain modeling method in order to simulate and predict the EMI of Class-D amplifiers in the final application. The method is based on system to block decomposition and impedance matrix modeling and manipulation. After providing all the theoretical background, the method has been validated on integrated differential Class-D amplifier. The experimental measurements have permitted to validate the method only up to 100MHz. However, this is sufficient to cover the conducted EMC frequency band. Second, the EMI at the supply rails of Class-D amplifiers has been treated. As the battery is often the same power supply for all applications in an embedded system, an EMI filter or a decoupling capacitor is needed to prevent the noise coupling by common impedance. Designing this filter needs the knowledge of the battery impedance at the desired frequencies. Therefore the present work dealt also with measuring the high frequency impedance of a battery. Afterwards, an experimental validation has been carried on with a DC-DC converter and a Class-D amplifier. The developed model allows a virtual test of the switching device in the final application. However, it is more useful if the model is able to help the system integrator in designing filters. Thus, third, the model has been implemented in an optimization loop based on a genetic algorithm in order to optimize the filter response, and also, reduce the additional power losses introduced by an EMI filter. The optimization search space has been limited to the components available on the market and the optimization result is given as component references of the optimal filter referring to the optimal solution found. This procedure has been validated experimentally. Finally, EMI filters often are constituted by magnetic components such as ferrite beads or inductors with magnetic cores. Thus, introducing the EMI filter in the audio path, adds a nonlinear behavior in the audio frequency band. Designing a high quality EMI filter require taking into account this phenomenon and studying its impact of the original amplifier audio performance. Therefore, the Jiles-Atherton model for magnetic materials has been used for ferrite bead modeling. Hereafter, the impact on the time and frequency domain signals has been simulated and compared to measurements. Finally, the total harmonic distortion (THD) has been computed for different signal amplitudes and compared to the THD measured using an audio analyzer. Accurate results have been obtained on a wide range of signal amplitudes. As a conclusion, this work aimed to design optimal EMI filters for Class-D amplifiers. Thus, we dealt with improving their EMI response, reducing their additional power losses and evaluating their impact on the audio quality.

Les structures de conversion multi-niveaux parallèles permettent de faire transiter de fortscourants tout en gardant une bonne puissance massique ; celles-ci sont réalisées en parallélisantdes cellules de commutation. Cette parallélisation permet de réduire le courant dans chaquecellule et ainsi de revenir dans des gammes plus standard de composants de puissance. Laparallélisation, en utilisant une commande adaptée, améliore les formes d’onde en sortie duconvertisseur. Ce manuscrit se focalisera sur une structure de conversion multiniveaux parallèlespécifique constituée de bras de hacheur dévolteur en parallèles couplés magnétiquement. Eneffet du fait de la commande entrelacée mise en place, l’ondulation du courant de sortie se voitréduite mais en contrepartie l’utilisation d’inductances séparées sur chaque bras entraine uneaugmentation de l’ondulation des courants de bras, directement liée au nombre de cellules decommutation, en fonction de l’ondulation du courant de sortie. Afin de palier à ce problème cesinductances sont remplacées par un (ou plusieurs) coupleur(s) magnétique(s) qui permet(tent) deréduire l’ondulation de courant dans chaque bras. Cependant dans le but de garantir la nonsaturation ainsi qu’une bonne intégration des coupleurs il est nécessaire de s’assurer del’équilibrage des courants de chaque bras malgré une différence entre les paramètres. Ainsi cemanuscrit s’est axé vers la détermination de différentes méthodes de modélisation découplant lesystème permettant le maintien de l’égale répartition des courants en utilisant des différences derapports cycliques. Ces méthodes de modélisation ont été généralisées afin de réaliser unalgorithme permettant de générer des lois de commande quel que soit le nombre de cellules enparallèle. Dans une dernière partie ces lois de commande ont été testées sur un prototype en lesimplémentant sur FPGA afin de procéder à une vérification expérimentale

L’identification de systèmes est un sujet très utilisé à la fois dans le monde académique et industriel. Des nombreuses méthodes d’identification de systèmes invariants dans le temps existent dans la littérature et beaucoup d’algorithmes sont utilisés dans la modélisation pratique des systèmes. Ces outils offrent des résultats satisfaisants, mais ils ne sont pas capables de reproduire le caractère non linéaire présent dans les comportements des systèmes physiques. Ce besoin a conduit à l’apparition de la classe des systèmes linéaires à paramètres variants (LPV), capable de modéliser les aspects non linéaires des systèmes. Dans le cadre de cette thèse, différentes méthodes d’identification « classiques » ont été étudiées et modifiées pour prendre en compte le cas des modèles LPV.Dans un premier temps une étude sur les représentations et discrétisations des systèmes LPV a été réalisée. Ensuite, les méthodes à erreur de prédiction ont été étudiées et appliquées en vue d’identifier le comportement latéral d’un véhicule, en considérant la vitesse du véhicule comme paramètre variant. Les méthodes à erreur de prédiction ont été également appliquées afin de modéliser un convertisseur de puissance Buck, dont le comportement est sensible au changement de la résistance de charge, considérée comme paramètre variant. L’étude a été poursuivie avec la conception d’une loi de commande H_∞ de type LPV, appliquée au cas du convertisseur.Finalement, les méthodes des sous-espaces classiques ont été abordées et modifiées pour identifier les modèles LPV et appliquées au cas du comportement latéral d’un véhicule. / The identification system is a topic widely used both in the academic world and industry. Several methods of identification of time invariant systems exist in literature and many algorithms are used in practice for modeling real systems. These tools offer satisfactory results, but they are not able to reproduce the non-linearity occurring in the behavior of physical systems. The necessity of more has led to the occurrence of the class of linear systems parameter varying (LPV), able to model the nonlinear system aspects. In this thesis, different classical identification methods have been studied and their structures were modified, in order to take into account the LPV models. First, a study of representations and discretization of LPV models was performed. In the sequel, the prediction error methods have been studied and modified in order to take into account LPV models. This method was used to identify the lateral behavior of a vehicle, considering the speed of the vehicle as varying parameter. The prediction error method has also been applied to model a Buck converter, the behavior of which is sensitive to the changes of load resistance, the considered varying parameter. The study was continued with the design of a H_∞ LPV control law, applied to the converter. Finally, subspace methods were studied, modified for LPV models and applied to identify the lateral behavior of a vehicle.