Les commutations des interrupteurs dans les convertisseurs statiques sont à l’origine des principales perturbations faisant l’objet de la compatibilité électromagnétique (CEM). La réduction de ces perturbations se fait, entre autre, à l’aide de filtres CEM qui nécessitent l’utilisation de noyaux magnétiques. Ces noyaux doivent posséder des propriétés physiques adaptées pour assurer le bon fonctionnement du filtre CEM dans la gamme des hautes fréquences (HF), et ce, quel que soit les contraintes d’utilisation. Ainsi, dans ce travail, des méthodologies et des modèles sont développés afin de dimensionner le filtre CEM dans les conditions réelles de fonctionnement. Tout d’abord, le noyau magnétique est étudié pour de faibles signaux d’excitation en proposant une méthode de caractérisation de la perméabilité magnétique complexe en HF. Deux modèles, l’un analytique et l’autre en circuit équivalent, sont développés. Dans un second temps, le matériau est considéré saturable. C’est pourquoi, une approche non-linéaire est développée pour représenter le matériau, avec et sans hystérésis, tout en y incluant le comportement capacitif du matériau en HF. De plus, une méthode expérimentale, basée sur l’utilisation d’une spire plate, est proposée pour caractériser l’hystérésis magnétique.Enfin, une amélioration de la méthode d’injection de courant est proposée, notamment par l’utilisation de nouvelles sondes, pour caractériser l’impédance d’entrée d’un convertisseur. Cette impédance, combinée avec les modèles précédents de matériaux, sont utilisée pour déterminer la perte d’insertion d’un filtre CEM. Les résultats de simulations sont validés par la mesure expérimentale. / The switching semiconductor devices in static-converters are the main source of electromagnetic interference (EMI). Reduction of these emissions can be achieved by different techniques including the use of EMI filters which design requires the use of magnetic cores. These must have adequate physical properties allowing the EMI filter to fulfill its task within a specified frequency range whatever the operating conditions (saturation, temperature…). Therefore, in the present work, some methodologies and models are developed in order to be able to design the EMI filter within its real conditions of operation. First, the magnetic core is considered in small-signal conditions and a method is proposed to measure the complex magnetic permeability in high frequency (HF). Two models, analytical and lumped-circuit network, are developed to account for the HF characteristics. In a second step, the material is considered saturable as the EMI filter can be subjected to more important currents, leading to the modification of its main characteristics. Then, a non-linear modeling approach, with and without hysteresis effect, including a material capacitance is considered for modeling the magnetic core. Additionally, a technique is proposed to characterize in HF the magnetic hysteresis loop from a single turn flat coil configuration.Finally, an improved current injection method, with new designed current probes, is used to characterize the input impedance of a converter. The impedance, combined with the developed small-signal and high-signal material models, is used to predict the insertion loss of an EMI filter. Simulation results are validated by the experiment.

Un enjeu majeur de l’industrie aéronautique de demain est de concevoir et développer un avion « plus » électrique. En effet, sur un avion de ligne, les principaux systèmes utilisent des types d'énergies différents tels que l'énergie hydraulique ou pneumatique. La tendance actuelle est à la conversion de ces systèmes à l'énergie électrique car elle présente de nombreux avantages et permettrait des économies de masse, d’énergie, et de coûts de maintenance. Avec l’augmentation croissante des systèmes électriques dans l’avion se posent par conséquent des problèmes d’interférences et de compatibilité électromagnétique entre ces différents dispositifs. Par ailleurs ces systèmes électriques sont soumis à des conditions de travail très sévères, notamment des températures extrêmes. Dans le cadre du projet FEMINA (Filtrage Electromagnétiques et Matériaux pour l’INtégration en Aéronautique), l’objectif de notre équipe était d’étudier un filtre électrique soumis à des conditions de températures extrêmes. Ce filtre composé d’éléments passifs (condensateurs et inductances) est destiné à éliminer les interférences provoquées par le convertisseur électrique placé à proximité de la source d’énergie et de chaleur (le propulseur). Dans le cadre de mes travaux de thèse, je me suis intéressé plus particulièrement à l’effet de la température sur le comportement des inductances au travers des matériaux magnétiques qui les composent. J’ai ainsi déterminé les matériaux magnétiques que j’estimais capable de remplir leur rôle de filtrage en hautes températures, puis j’ai élaboré un modèle de comportement magnétique dynamique, tenant compte de l’effet de peau et de l’effet de la température et enfin j’ai testé ce nouveau modèle en l’incluant dans un simulateur circuit, afin de modéliser un filtre de mode commun répondant au cahier des charges de nos partenaires industriels. / A major challenge in the aviation industry is to design and develop “more” electric aircraft. Indeed, the main systems use different types of energy such as hydraulic or pneumatic energy. The current trend is to convert these systems to electric power because it has many advantages and would allow economies of mass, energy and maintenance costs. With the increasing electrical systems in the aircraft, arise problems of interference and electromagnetic compatibility between these systems. Moreover, these power systems are subjected to severe working conditions, including extreme temperatures. As part of the FEMINA project (Filtrage Electromagnétiques et Matériaux pour l‟INtégration en Aéronautique), the goal of our team was to study an EMC filter subjected to extreme temperature conditions. This filter is composed of passive elements (capacitors and inductors) and designed to remove interference caused by electrical converter located close to the source of energy and heat (the propeller). As part of my thesis work, I focused on the effect of temperature on the behavior of inductors through the magnetic materials that compose them. I have thus determined the magnetic materials that I felt able to fulfill their role at high temperatures, then I developed a dynamic model of magnetic behavior, taking into account the skin effect and the effect of temperature and finally I tested this new model by including it in a circuit simulator to model a common mode filter that meets the specifications of our industrial partners.

Dans le domaine de l'électronique de puissance, afin d'améliorer l'efficacité du fonctionnement des associations convertisseurs-machines, les semi-conducteurs utilisés fonctionnent à des fréquences de plus en plus élevées, ceci engendre des perturbations électromagnétiques très contraignantes.Durant cette étude, nous nous intéressons particulièrement aux perturbations conduites de mode commun (MC) qui est le mode le plus pénalisant dans ce genre de système. Ces perturbations vont d'une part dégrader les roulements du moteur et d'autre part se propager vers l'alimentation et engendrer des perturbations rayonnées qui peuvent créer des dysfonctionnements dans les appareils environnants, notamment les systèmes électroniques bas niveau. Ces perturbations, qui font partie des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM), attirent de plus en plus l'attention des industriels, notamment dans le domaine aéronautique qui s'oriente vers une génération d'avions « plus électriques ». Pour assurer la sûreté de fonctionnement, il convient de respecter des normes de CEM strictes (ex. DO-160D en aéronautique). La modélisation du système constitue le point de départ de ce travail. L'approche choisie, dite « quadripolaire », est basée sur des mesures spécifiques de la tension de MC générée par l'onduleur, et des impédances équivalentes de MC de chaque constituant du système qui est représenté par un quadripôle associé à une matrice d'impédance [Z]. Ce modèle simple, efficace et surtout versatile nous permet d'estimer ou de calculer directement dans le domaine fréquentiel les courants et les tensions de MC aux différents points du circuit. La confrontation aux résultats expérimentaux montre la validité du modèle sur une large gamme de fréquences. Ce modèle est ensuite exploité à des fins d'études de sensibilité et de dimensionnement de solutions de réduction des perturbations conduites de MC. Enfin, un modèle, tenant compte du courant circulant dans le plan de masse, propose une modélisation proche d'un système d'entraînement réel installé en secteur industriel ou à bord d'un avion.

Les commutations au sein des convertisseurs statiques, base même du transfert d'énergie sont à l'origine des perturbations électromagnétiques. En effet des fronts raides engendrent des signaux en mode commun qui excitent les câblages, les structures métalliques ou encore les composants passifs. Ces éléments, de par leurs dimensions importantes jouent alors le rôle d'antennes émettrices rayonnant l'énergie perturbatrice dans l'environnement immédiat du produit et susceptible de produire des dysfonctionnements au sein d'autres équipements. L'objet de cette travail de thèse est de quantifier et de modéliser les différentes sources d'énergie en fonction de leur intensité vis-à-vis d'une gamme de fréquences donnée dans un premier temps, puis dans un second temps de montrer que des actions astucieuses et peu onéreuses notamment sur les câblages ou les routage astucieux peuvent permettre de diminuer grandement les perturbations engendrées par l'écoulement des courants de mode commun en mode conduit mais surtout en mode rayonné. L'impact des blindages est aussi étudié en tout dernier ressort quand l'effort de réduction à la base n'est pas suffisant compte tenu des contraintes technologiques.

Un enjeu majeur de l'industrie aéronautique de demain est de concevoir et développer un avion " plus " électrique. En effet, sur un avion de ligne, les principaux systèmes utilisent des types d'énergies différents tels que l'énergie hydraulique ou pneumatique. La tendance actuelle est à la conversion de ces systèmes à l'énergie électrique car elle présente de nombreux avantages et permettrait des économies de masse, d'énergie, et de coûts de maintenance. Avec l'augmentation croissante des systèmes électriques dans l'avion se posent par conséquent des problèmes d'interférences et de compatibilité électromagnétique entre ces différents dispositifs. Par ailleurs ces systèmes électriques sont soumis à des conditions de travail très sévères, notamment des températures extrêmes. Dans le cadre du projet FEMINA (Filtrage Electromagnétiques et Matériaux pour l'INtégration en Aéronautique), l'objectif de notre équipe était d'étudier un filtre électrique soumis à des conditions de températures extrêmes. Ce filtre composé d'éléments passifs (condensateurs et inductances) est destiné à éliminer les interférences provoquées par le convertisseur électrique placé à proximité de la source d'énergie et de chaleur (le propulseur). Dans le cadre de mes travaux de thèse, je me suis intéressé plus particulièrement à l'effet de la température sur le comportement des inductances au travers des matériaux magnétiques qui les composent. J'ai ainsi déterminé les matériaux magnétiques que j'estimais capable de remplir leur rôle de filtrage en hautes températures, puis j'ai élaboré un modèle de comportement magnétique dynamique, tenant compte de l'effet de peau et de l'effet de la température et enfin j'ai testé ce nouveau modèle en l'incluant dans un simulateur circuit, afin de modéliser un filtre de mode commun répondant au cahier des charges de nos partenaires industriels.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont dédiés à l'étude des composants passifs pour l'électronique de puissance à haute température. Des condensateurs et des matériaux magnétiques sont sélectionnés et caractérisés jusqu'à environ 250°C. Les caractéristiques électriques et électromagnétiques montrent, pour certains de ces composants et matériaux, des dépendances significatives en fonction de la température, mais également des non-linéarités et des phénomènes d'hystérésis. Les caractérisations sont ensuite exploitées pour la conception d'un filtre CEM d'entrée d'un onduleur de tension de 2kW. Une démarche et des considérations liées au dimensionnement d'un filtre sont détaillées. Un démonstrateur de filtre CEM est testé en charge et à haute température (200°C). Les résultats montrent une dépendance relativement faible des perturbations conduites entre 150kHz et 30MHz en fonction de la température (environ +6dBµA entre 25°C et 200°C selon la norme DO-160F). Le fonctionnement à haute température de composants passifs au sein d'un filtre CEM pour l'électronique de puissance a été démontré. En complément du filtre à composant discret et pour répondre aux besoins d'atténuation à haute fréquence qui seront accrus pour les convertisseurs à base de semi-conducteurs à grand gap (SiC et GaN) qui commutent plus rapidement que des interrupteurs de type IGBT en Si, nous avons proposé l'intégration de condensateurs de mode commun au sein d'un module de puissance. Les résultats simulés et expérimentaux ont montré une réduction des perturbations conduites grâce à l'intégration de ces condensateurs. Cette solution, compatible avec un fonctionnement à haute température, est positionnée comme une solution alternative à un filtre d'entrée complexe (multi-niveaux) et s'inscrit dans la tendance actuelle des IPEM (Intelligent/Integrated Power Electronics Module) qui recherche l'intégration de fonctions dans le module de puissance. L'ensemble de ces travaux souligne par ailleurs l'importance du packaging pour l'électronique de puissance à haute température.

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

Les filtres CEM sont largement utilisés dans les systèmes électroniques de puissance pour la suppression des interférences électromagnétiques. Ils sont en général composés d'une succession de condensateurs et de selfs. En haute fréquence, on est amené à compléter le modèle des composants par des éléments parasites. Ce travail de thèse est consacré à l'étude de l'influence du couplage inter composants sur la performance du filtre CEM. Une étude mathématique a été réalisée sur un filtre LC de type Γ. Cette dernière nous a permis de déduire qu'un meilleur comportement du filtre est obtenu quand le couplage magnétique inter-composants annule l'inductance parasite du condensateur (ESL=M). Pour atteindre cet objectif, une méthodologie permettant d'optimiser les emplacements des composants a été développée en se basant sur des modèles 3D simplifiés des composants du filtre. Dans ce travail de thèse, un condensateur film métallisé est présenté par un modèle 3D constitue d'un volume unique de conducteur. Les bobines avec ferrite sont modélisées en 3D en prenant en compte les propriétés physiques et géométriques. Ces modèles de condensateurs et de bobines ont été étudiés dans le cas de plusieurs configurations pour différents positionnements des composants. Les résultats obtenus ont montré leurs capacités de prédire à la fois les paramètres intrinsèques (Inductance parasite ESL pour le condensateur, Inductance L pour la bobine) et l'inductance mutuelle M inter-composants. Finalement, la méthodologie d'optimisation a été validée expérimentalement sur un filtre CEM de type Γ (condensateur film et bobine bâtonnet avec ferrite) intégré dans un moteur d'essuie-glace / EMC filters are widely used in power electronic systems for electromagnetic interference suppression. They usually consist of a series of capacitors and inductors. At high frequencies, it is necessary to complete the model of component with parasitic elements. This work is devoted to the study of the influence of inter-component coupling on the performance of the EMC filter. A mathematical study was performed on an LC filter in type Γ. The latter allowed us to deduce a better behavior of the filter can be obtained when the magnetic coupling inter-component cancels the parasitic inductance of the capacitor (ESL = M). To achieve this goal, a methodology to optimize the locations of components has been developed based on their 3D models simplified. In this thesis, a metalized film capacitor is presented by a 3D model constituting a single volume conductor. The inductor with ferrite is modeled by taking into account the physical and geometrical properties. These models of capacitors and inductors have been studied in several configurations for different positions of the components. The results have shown their ability to predict both the intrinsic parameters (parasitic inductance ESL for the capacitor, inductance L for the inductor) and mutual inductance M inter-components. Finally, the optimization method was validated experimentally with an EMC filter type Γ (film capacitor and ferrite-rod inductor) built in a wiper motor

La tendance de l'intégration en électronique de puissance accentue naturellement les effets électromagnétiques parasites. Tout système d'énergie électrique devient alors source de perturbations EM aussi bien conduites que rayonnées. Mais dans le cadre de ces travaux, nous nous sommes focalisé sur l'organe de filtrage des perturbations conduites : le filtre CEM. En haute fréquence, il s'avère que ce type de système voit son comportement dégradé en raison des différents phénomènes parasites apparaissant au sein même du dispositif. Seuls les aspects magnétiques du problème ont néanmoins été traités (i.e. inductances partielles & couplages magnétiques parasites). Différentes méthodes ont été mises au point par le passé dans le but d'améliorer facilement la réponse du filtre. Cependant, il s'agit de procédés empiriques ne pouvant garantir l'optimalité de la solution de filtre construite. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont donc consisté à développer une nouvelle méthode d'optimisation d'un filtre CEM, et plus précisément de son routage. L'objectif est alors d'exploiter les différents phénomènes magnétiques parasites intrinsèques au montage. Calculer ce type d'éléments a donc nécessité l'utilisation d'un outil de modélisation PEEC ; méthode numérique permettant des calculs rapides en raison d'un maillage relativement limité. / The actual trend to integrate the power electronic devices naturally increases the stray electromagnetic phenomena. Every electrical system becomes thus an EM disturbances source. But as part of this work, we especially focused on the filtering device of conducted disturbances : the EMC filter. For high frequencies, degradations can be observed over the filter transfer function due to the different stray electromagnetic phenomena occurring within the device. But only the magnetic aspects have nevertheless been treated (i.e. partial inductances & stray magnetic couplings). Different methods have been worked out in the past in order to easily improve the filter response. However, these are empirical processes that could not guaranty the built filter solution optimality. The works done throughout this PhD have consisted in developing a novel EMC filter optimization method, and more precisely of its routing. The aim has been to use the different stray magnetic phenomena. All of these elements can only be obtained by using a PEEC modeling tool. The PEEC method allows having fast numerical calculations thanks to a quite light meshing.

L'autonomie moyenne des voitures électriques commercialisées actuellement reste limitée par rapport aux véhicules thermiques. Pour pallier ce problème, la capacité de la batterie peut être augmentée ou bien la charge peut être facilitée en réduisant le temps de charge et ceci en augmentant la puissance de charge.L'infrastructure de charge rapide de type DC étant encore limitée, un progrès considérable consiste à embarquer le chargeur dans le véhicule en réutilisant tout, ou une partie de l'électronique de puissance déjà disponible pour propulser le véhicule. Le chargeur est alors nommé chargeur intégré.Au cours des dernières années, plusieurs chargeurs intégrés ont été proposés, mais peu d'entre eux ont été industrialisés vue qu'ils présentent des inconvénients que l'on cherchera à surmonter ou réduire.Dans le cadre de cette thèse notre objectif principal est donc de concevoir une nouvelle topologie de convertisseur permettant la charge de la batterie à moindre coût.Plusieurs idées permettant l'innovation sont proposées et une solution répondant au mieux au cahier de charges est retenue. Cette topologie est étudiée en détails (contrôle, dimensionnement, harmoniques, CEM, etc.). Finalement un prototype est réalisé pour valider le concept proposé. / To date, the range autonomy of most electric vehicles is still lower than conventional fuel based vehicles and charging times are significantly longer. To overcome this problem, battery capacity could be increased but more importantly high power fast charging should be accessible everywhere.The widespread deployment of public DC fast charging stations is still difficult to achieve. So, in order to have a better spreading of the charge spots and a better coverage, it is also necessary for the vehicle to be charged from an on-board charger that could be plugged into three-phase AC power outlets.Furthermore, because the battery is charged only when the car is parked -except for regeneration at braking-, using the on-board traction system components to form an integrated charging device is possible. This kind of topology is called an integrated charger which allows designing a charger small enough to be embedded in a vehicle at an affordable cost.Several non-isolated on-board integrated charging topologies are proposed in this thesis and the one that best meets some predefined specifications is selected. This topology is studied in details and validated by simulation software. A laboratory prototype is also built to verify the performance of this multi-purpose traction/charger converter.