Th. univ.--Sci. phys.--Paris 6, 1987.

L’électronique de puissance a pénétré depuis quelques décennies les applications à forte puissance dans de nombreux domaines de l’industrie électrique. Au-delà de l’apparition des technologies d’interrupteur à forte puissance commutable en moyenne tension, ces applications imposaient également des avancées dans le domaine des topologies de convertisseurs statiques : les principaux défis à affronter concernaient l’atteinte de niveaux de tension compatibles avec le domaine de puissance des applications, l’augmentation de la fréquence de commutation apparente en sortie afin d’augmenter la bande passante de la commande, de réduire la taille des éléments de filtrage et de limiter les harmoniques de courant injectés dans le réseau d’alimentation. Les topologies de convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC) sont issues de cette problématique de recherche : elles permettent grâce à l’association de cellules de commutation d’atteindre des niveaux de tension exploitables en grande puissance avec les technologies d’interrupteurs existantes, de limiter les fréquences et les pertes de commutation des interrupteurs élémentaires tout en maîtrisant la distorsion harmonique totale (THD). La modularité, la redondance, les degrés de liberté et les fonctionnalités des MMC leur permettent aussi d’augmenter la tolérance aux défauts. Ils pénètrent à présent une large gamme d'applications comme le transport à courant continu en haute tension (HVDC), les systèmes d'énergie renouvelable, les entraînements à vitesse variables de grande puissance, la traction ferroviaire et maritime ainsi que des applications spécifiques très contraignantes en matière de performance dynamique comme les systèmes d’alimentation des électro-aimants dans les accélérateurs de particules. Les topologies MMC sont composées de cellules de commutation élémentaires utilisant des interrupteurs électroniques tels que le Thyristor à Commande Intégrée (IGCT) standard ou les dernières génération d’IGBT. Les convertisseurs MMC ont fait l’objet de nombreux travaux de recherche et de développement en ce qui concerne les topologies, la modélisation et le calcul du fonctionnement en régime permanent et transitoire, le calcul des pertes, le contenu harmonique des grandeurs électriques et les systèmes de commande et de régulation. Par contre le dimensionnement de ces structures est rarement abordé dans les travaux publiés. Comme la grande majorité des topologies de convertisseurs statiques, les convertisseurs MMC sont composés non seulement d’interrupteurs mais aussi d’organes de stockage d’énergie de type composants diélectriques (condensateurs) et magnétiques (inductances, coupleurs) qui sont essentiels pour assurer la conversion des grandeurs électriques en entrée et en sortie. Ces composants ont une forte influence sur la taille, le volume et le rendement des convertisseurs et le dimensionnement optimal de ces derniers résulte souvent de compromis entre la taille des composants passifs, la fréquence et la puissance commutable par les interrupteurs élémentaires. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire concerne le développement d’une méthodologie de dimensionnement optimal et global des MMC intégrant les composants actifs et passifs, respectant les contraintes des spécifications de l’application et maximisant certains objectifs de performance. Cette méthodologie est utilisée pour analyser divers compromis entre le rendement global du convertisseur et sa masse, voire son volume. Ces divers scénarios peuvent être également traduits en termes de coût si l’utilisateur dispose du prix des composants disponibles. Diverses solutions concurrentes mettant en œuvre un nombre de cellules spécifique adaptées à des interrupteurs de caractéristiques différentes en termes de calibre de tension, de courant et de pertes associés peuvent ainsi être comparées sur la base de spécifications d’entrée-sortie identiques. La méthodologie est appliquée au dimensionnement d’un convertisseur MMC utilisé comme étage d’entrée (« Active Front-end » : AFE) d’une alimentation d’électro-aimant pulsée de grande puissance. Dans une première partie, une méthode de calcul rapide, précise et générique du régime permanent du convertisseur MMC est développée. Elle présente la particularité de prendre en compte la fréquence de commutation contrairement aux approches conventionnelles utilisant la modélisation en valeurs moyennes. Cet outil se révèle très utile dans l’évaluation du contenu harmonique qui est contraint par les spécifications, il constitue le cœur de l’environnement de conception du convertisseur. Contrairement aux convertisseurs conventionnels, il existe des courants de circulation dans les convertisseurs MMC qui les rendent complexe à analyser. Les inductances de limitation incorporées dans les bras de la topologie sont généralement volumineux et pénalisants en termes de volume et de masse. Il est courant d’utiliser des inductances couplées afin de réduire l'ondulation , la THD et la masse. Dans le travail présenté, un circuit équivalent des inductances couplée tenant compte de l'effet de saturation est développé et intégré à l’environnement. L’utilisation d’inductances couplée augmente la complexité de l'analyse du fonctionnement et la précision de leur méthode de dimensionnement est critique pour l’optimisation globale du convertisseur. Un modèle analytique de dimensionnement de ces composants a été développé et intégré dans l’environnement ainsi qu’un modèle de complexité supérieure qui utilise le calcul des champs par éléments finis. La méthodologie de conception optimale et globale proposée utilise une procédure d’optimisation non linéaire avec contraintes qui pilote l’outil de calcul de régime permanent, le modèles de dimensionnements à plusieurs niveaux de complexité des composants passifs ainsi que d’autres modules permettant de quantifier les régimes de défaut. Pour pallier à la précision réduite des modèles analytiques, une approche d'optimisation hybride est également implantée dans l’environnement. Dans la boucle d'optimisation hybride, le modèle de dimensionnement des inductances peut être corrigé par le modèle de complexité supérieure qui utilise le calcul des champs. On obtient ainsi un meilleure compromis entre la précision de la solution optimale et le temps de convergence de la méthode itérative d’optimisation globale. / In the last decades, power electronics has penetrated high power applications in many areas of the electrical industry. After the emergence of high-voltage semiconductor switch technologies these applications also required advances in the field of static converter topologies: The main challenges were to achieve voltage levels compatible with the application power domain, to increase the apparent switching frequency at the output, to increase the control bandwidth, to reduce the size of the elements of filtering and of limiting the current harmonics injected into the supply network. The topologies of multi-level modular converters (MMC) are based on this research problem: they enable the use of switching cells to achieve high power levels that can be used with existing switch technologies, frequencies and switching losses of the elementary switches while controlling the total harmonic distortion (THD). Modularity, redundancy, degrees of freedom and MMC functionality also allow them to increase fault tolerance. They now penetrated a wide range of applications, such as high-voltage DC (HVDC), renewable energy systems, high-speed variable speed drives, rail and marine traction, and very specific applications in terms of dynamic performance such as electromagnet power systems in particle accelerators. MMC topologies are composed of elementary switching cells using electronic switches such as the standard Integrated Control Thyristor (IGCT) or the latest generation of IGBTs. MMC converters have been the subject of extensive research and development work on topologies, modeling, and calculation of steady-state and transient operation, loss calculation, the harmonic content of electrical quantities and systems control and regulation functions. On the other hand, the dimensioning methodology of these structures is rarely addressed in the published works. Like most static converter topologies, MMC converters are composed not only of switches but also passive components of energy storage devices (capacitors) and magnetic (inductors, couplers) that are essential to ensure the conversion of the input and output electrical quantities. These components have a strong influence on the size, the volume and the efficiency of the converters and the optimal dimensioning of the latter often result from a compromise between the size of the passive components, the frequency and the power switchable by the elementary switches. The research presented in this thesis concerns the development of an optimal and comprehensive design methodology for MMCs integrating active and passive components, respecting the constraints of the application specifications and maximizing certain performance objectives. This methodology is used to analyze the various trade-off between the overall efficiency of the converter and its mass, or even its volume. These various scenarios can also be translated into cost if the user has the price of the available components. Various competing solutions using a specific number of cells adapted to switches with different characteristics in terms of voltage, current, and associated losses can thus be compared on the basis of identical input-output specifications. The methodology is applied to the dimensioning of an MMC converter used as an active front-end (AFE) input of a high-power pulsed solenoid power supply. In the first part, a fast, precise and generic method for calculating the steady-state model of MMC converter is developed. It has the particularity of taking into account the switching frequency as opposed to conventional approaches using modeling in mean values. This tool is very useful in evaluating the harmonic content that is constrained by the specifications, it is the heart of the design environment of the converter. Unlike conventional converters, there are circulation currents in MMC converter structure that make it complex to analyze. The inductors which are used in the arms of the topology are generally bulky and expensive in terms of volume and mass. It is common to use coupled inductors to reduce ripple, THD, and mass. In the presented work, an equivalent circuit of coupled inductances considering the saturation effect is developed and integrated. The use of coupled inductors increases the complexity of the analysis and the precision of its sizing method is critical for the overall optimization of the converter. An analytical model for the dimensioning of these components has been developed and integrated as well as a higher complexity model which uses the finite element method calculation. The proposed optimal and global design methodology uses a nonlinear optimization procedure with constraints that drive the steady-state computing tool, multi-level design models of passive component complexity, and other modules to quantify the fault state. To compensate the low precision of the analytical models, a hybrid optimization approach is also implemented. In the hybrid optimization loop, the inductance-sizing model can be corrected by the higher complexity model that uses finite element computation. A better compromise is thus obtained between the precision of the optimal results and convergence time of the iterative global optimization method.

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 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.

Ce travail de thèse s'inscrit dans la démarche engagée depuis quelques années et concernant l'intégration monolithique en électronique de puissance avec pour objectif de faire émerger une nouvelle structure de bras d'onduleur plus compacte, plus fiable et plus performante. En s'appuyant sur des technologies à base de transistors " complémentaires " sur substrat N et P, la nouvelle structure étudiée présente de nombreux avantages vis-à-vis de la CEM conduite, de la simplification de commande rapprochée et de la mis en œuvre. Ces aspects sont abordés et validés de manières "théoriques" et expérimentales. Le point pénalisant concernant le rendement de la structure par l'introduction du transistor sur substrat P est également analysé et de nouvelles topologies sont proposées afin d'améliorer cette limitation. Des techniques d'alimentation pour la commande bipolaire offrant un niveau maximal intégration sont ainsi développées.

Ce travail de thèse propose d'utiliser Fanalyse fonctionnelle dans le processus de conception des structures de convertisseurs statiques. L'analyse fonctionnelle permet d'obtenir un niveau de raisonnement relativement détaché d'une technologie de réalisation. Ainsi, elle permet de guider le concepteur vers l'obtention de plusieurs structures à partir d'un même cahier des charges. L'approche présentée ici est restreinte aux convertisseurs statiques mais peut être étendue aux entraînements électriques. Un modèle est proposé pour représenter les fonctions et les agencer sous forme de graphes fonctionnels. En complément, une analyse de cohérence de ces derniers a été élaborée afin d'aider le concepteur tout au long de sa démarche de conception, en lui signalant des problèmes éventuels de construction des graphes et en lui proposant même parfois des éléments de solution. A partir de là, nous avons mis en œuvre un prototype informatique afin de valider tous ces concepts. Cet outil ne réalise que la vérification de la cohérence et laisse à la charge du concepteur le choix des fonctions et le passage fonction-structure.

Dans ce mémoire nous proposons une méthode d'analyse a priori des perturbations conduites dans les convertisseurs statiques d'électronique de puissance. Le premier chapitre introduit à la problématique de la compatibilité électromagnétique (CEM). Quelques méthodes classiques pour calculer les perturbations conduites dans les convertisseurs statiques sont passées en revue. Le deuxième chapitre présente l'approche qui est basée sur des modèlès simples de composants semiconducteurs qui permettent une représentation du système pour chaque configuration avec un système d'équations différentielles linéaire. Ceci entraîne un calcul plus aisé du régime permanent et une déduction directe de la décomposition fréquentielle pour les variables électriques intéressantes. L'approche est validée et située par rapport aux méthodes basées sur des simulations temporelles suivies de FFT. Une représentation graphique des perturbations conduites pour une fréquence donnée est proposée afin de faciliter la réflexion du concepteur de convertisseurs statiques en tenant compte des contraintes CEM. Le troisième chapitre est consacré à l'analyse avec la technique proposée de trois cas : un onduleur monophasé, un convertisseur à absorption sinusoïdale et un flyback résonant. La dernière partie de la thèse présente l'application de la méthode à l'optimisation des paramètres d'un filtre ayant comme objectif le respect des normes CEM pour une structure hacheur série.

Les composants semiconducteurs de puissance sont depuis toujours à la base des développements des convertisseurs statiques. Le rôle d'interrupteur qu'ils jouent, conditionne l'évolution des structures. Avec l'apparition au début des années quatre vingt des IGBT, le monde des composants de puissance a été bouleversé. Issu des structures MOS, ce nouveau composant a ouvert à la famille des composants à grille isolée les applications de moyennes et de fortes puissances. Deux raisons expliquent cette évolution. D'une part, les progrès effectués par les fabricants de semiconducteurs (Front End) ont permis d'obtenir des tenues en tension de plusieurs kilovolts, et, d'autre part les progrès effectués sur l'encapsulation (Back End) ont autorisé de forts pouvoirs d'évacuation de la chaleur et donc de fortes intensités. Au cours de nos dix années de recherche, nous nous sommes attachés à participer au développement de ces nouveaux composants. Sur le plan électrique, avec une approche de concepteur de convertisseur, nous avons mis en évidence l'apport des IGBT en électronique de puissance en participant, entre autres, à des développements d'associations de composants pour répondre aux applications de la traction électrique. Nous avons rapidement montré, l'importance des assemblages sur lesquels ces composants sont reportés et particulièrement de leurs caractéristiques thermiques. La seconde partie de notre travail a concerné l'étude thermique de ces assemblages. L'étude des stratégies de refroidissement par microthermie a été initiée pour repousser les limites des structures classiques de refroidissement. Enfin, pour répondre à la fois à des considérations thermiques et électriques, une action a été engagée sur la connectique interne aux composants. Un nouveau concept de boîtier a été réalisé et breveté. Dans une démarche d'intégration système, nous avons initié des travaux d'intégration de micro refroidisseurs dans le semiconducteur pour concevoir, de manière cohérente, la fonction interrupteur. Pour assurer une approche fonctionnelle sécurisée, des travaux sont aussi engagés sur l'intégration monolithique d'éléments de commande et de protection. Dans notre projet de recherche, en prospective, nous développons l'idée que l'électronique de puissance doit, comme l'électronique l'a fait, évoluer vers une intégration pour répondre tant aux besoins des utilisateurs que des concepteurs.

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.

Ce travail présente une nouvelle méthode de détermination des perturbations conduites générées par les convertisseurs statiques à plusieurs cellules de commutation. Cette méthode permet de faciliter la prise en compte des contraintes de Compatibilité Electromagnétique le plus tôt possible lors de la conception. La méthode proposée consiste en une étude conjointe des perturbations conduites en mode commun et en mode différentiel, en décomposant les circuits en blocs élémentaires, puis en superposant les perturbations dues aux différentes sources de pollution. Les performances CEM des circuits sont alors déterminées directement dans le domaine fréquentiel. Cette méthode vient en complément des méthodes de simulation des perturbations dans le domaine temporel qui sont plus précises, mais plus coûteuses en temps de calcul. Notre démarche a été rendue possible par l'utilisation d'un nouveau type de condensateurs dont les performances en découplage des hautes fréquences ne sont pas limitées par l'inductance série de leurs connexions, ceci grâce à une structure originale de réalisation des connexions en forme de quadripôles. Les cellules de commutation découplées au moyen de ces condensateurs forment des sources de perturbations indépendantes qui permettent l'étude des circuits complexes en effectuant une décomposition en "cellules CEM élémentaires".