La problématique de recherche abordée dans ce mémoire de thèse découle de l'étude approfondie d'une association convertisseur-machine dédiée aux modes traction et recharge d'un véhicule électrique. Il s'agit d'un onduleur triphasé constitué de trois onduleurs monophasés connectés à une machine triphasée à phases indépendantes.Dans le chapitre II, une étude comparative entre deux solutions industrielles montre que l'architecture étudiée offre des caractéristiques compétitives notamment en termes de rendement global du convertisseur, performances mécaniques, et surface de silicium nécessaire.Par ailleurs, outre la possibilité de mutualiser les trois fonctions du véhicule que sont la traction, la recharge (rapide ou lente) et l'assistance du réseau électrique, cette topologie offre plusieurs atouts : des possibilités variées d'alimentation et donc un potentiel intéressant de reconfiguration en marche dégradée. La thématique abordée dans les chapitres III et IV est donc centrée sur l'optimisation des stratégies de contrôle de cette structure vis-à-vis de deux types de défauts : les imperfections intrinsèques du système d'une part et les défaillances accidentelles d'autre part.Dans un premier temps, un travail approfondi sur les méthodes de modulation de largeur d'impulsion a permis de synthétiser une stratégie offrant une faible sensibilité vis-à-vis des imperfections de la commande et de la non-linéarité du convertisseur. Dans un second temps, il a été montré qu'en cas de défaillance d'un composant à semi-conducteur, il était obligatoire de recourir à la reconfiguration matérielle de la topologie. L'architecture permettant la continuité de service a été étudiée du point de vue de sa commande. Son analyse nous a amenés à proposer une structure de contrôle basée sur des solutions automatiques simples et efficaces. Finalement, le principe du fonctionnement en marche dégradée a été étendu au fonctionnement normal dans le but d'en améliorer le rendement sur cycle.

Les progrès réalisés ces dernières années dans la commande des onduleurs MLI à deux niveaux de tension pilotant en vitesse variable des machines asynchrones de moyenne et grande puissance ont permis d'améliorer sensiblement les performances. L'utilisation récente des onduleurs MLI à trois niveaux de tension est très prometteuse en raison de la capacité de cette nouvelle structure d'onduleur à améliorer la qualité des courants dans la machine et à étendre sa commande à des domaines de puissance supérieurs à 2 MW. Nous définissons le principe de calcul et les limites de validité des principales techniques de modulation sinusoïdales à trois niveaux. Certaines d'entre elles se révèlent être tout à fait adaptées et performantes pour commander la machine dans les zones de faible vitesse. Nous proposons ensuite une méthode systématique de construction d'une commande optimisée. Les signaux sont calculés pour minimiser les harmoniques de courant et les pulsations de couple. Cette méthode est appliquée à un exemple concret, et la commande est implantée sur le microcontrôleur 80C196KC. La simulation des régimes établis permet d'affiner les études qualitatives des signaux. La bonne concordance entre les résultats expérimentaux et les résultats théoriques permet de confirmer la conservation des caractéristiques des signaux par la méthode de génération en temps réel. L'étude de l'association de la commande optimisée et d'une loi de contrôle vectoriel permet enfin de prouver la faisabilité d'un tel contrôle. Elle permet d'envisager l'amélioration des performances des entraînements de grande puissance en régimes permanent et transitoire simultanément.

Afin d'optimiser la mise aux milles au laminage à froid, la thèse consiste à développer un modèle prédictif de variation de largeur à la fois précis et rapide pour des utilisations en temps réel. Des efforts ont commencé en 1960s en développant des formules empiriques. Par la suite, la Méthode des Bornes Supérieures (MBS) est devenue la plus connue. [Oh 1975] utilisant le champ de vitesse 3D "simple" prédit bien la variation de largeur au laminage en conditions d'un tandem finisseur. [Komori 2002] a proposé une combinaison des champs fondamentaux et obtenu une structure informatique peu dépendante aux champs de vitesse. Néanmoins, seuls deux champs fondamentaux ont été introduits qui forment un sous-ensemble de la famille 3D "simple". [Serek 2008] a étudié des champs de vitesse quadratique qui inclue la famille "simple" et donne des meilleurs résultats avec un temps de calcul plus long. Le premier résultat de la thèse est un modèle 2D (MBS) avec des champs de vitesse oscillante. Ce modèle aboutit à une vitesse optimale qui oscille spatialement le long de l'emprise. Les résultats (puissance, vitesse...) sont plus proches des ceux de Lam3-Tec3 que la MBS 2D "simple". Pour une modélisation 3D, nous avons choisi la MBS avec la vitesse 3D "simple" et obtenu un très bon accord avec les expériences réalisées sur des produits étroits à Arcelor Mittal [64]. En outre, un nouveau modèle MBS est développé pour une bande bombée et des cylindres droits. Les résultats montrent que la variation de largeur diminue avec la bombée de la bande et correspondent bien à ceux de Lam3-Tec3. Cependant, la MBS admet un comportement rigide-plastique tandis qu'au laminage des bandes larges les déformations élastique et thermique ont des impacts importants sur la déformation plastique. Les modèles existant prenant en compte ces phénomènes [23,64] sont couteux en temps de calcul. Ainsi, l'idée est de décomposer la variation de la largeur de plastique en trois termes : les variations de largeur totales, élastique et thermique à travers la zone de plastique déterminés par trois nouveaux modèles simplifiés. Les deux premiers permettent d'estimer les variations de largeur élastique et plastique avant et après l'emprise. Ils donnent aussi les conditions aux limites au modèle d'emprise qui est en effet la MBS avec le champ de vitesse 3D "simple" permettant d'estimer la variation de la largeur totale. En outre, avec les puissances de déformation et de dissipation plastique de frottement données par le même modèle, la variation de largeur thermique est également obtenue. Le modèle de variation de largeur est donc appelée UBM-Slab combiné, très rapide (0,05 s) et prédit avec précision la largeur de variation par rapport à Lam3-Tec3 (<6%) / In order to save material yields in cold rolling process, the thesis aims at developing a predictive width variation model accurate and fast enough to be used online. Many efforts began in the 1960s in developing empirical formula. Afterward, the Upper Bound Method (UBM ) became more common. [Oh 1975]'s model with 3D "simple" velocity field estimates well the width variation for finishing mill rolling conditions. [Komori 2002] proposed a combination of fundamental ones to obtain a computer program depending minimally on the assumed velocity fields. However, only two fundamental fields were introduced and formed a subset of the "simple" family. [Serek 2008] studied a quadratic velocity family that includes the "simple" one and leads to better results with a higher computing time. Focusing on UBM , the first result of the thesis is a 2D model with an oscillating velocity field family. The model results to an optimum velocity that oscillates spatially throughout the roll-bite. The optimum power and the velocity field are closer to Lam3-Tec3 results than the "simple" one. For 3D modelling, we chose the 3D "simple" UBM and carried a comparison to the experiments performed at Arcelor Mittal using narrow strips [64]. A very good agreement is obtained. Further, a new UBM model is developed for a crowned strip with cylindrical work-rolls. It shows that the width variation decreases as a function of the strip crown and the results match well those of Lam3-Tec3 . However, the UBM considers only a rigid-plastic behaviour while in large strip rolling, the elastic and thermal deformations have important impacts on the plastic one. There exist some models considering these phenomena [23,64] but they are all time-consuming. Thus, the idea is to decompose the plastic width variation into three terms : total, elastic and thermal width variations through the plastic zone that are determined by three new models. The simplified roll-bite entry & exit models allow estimating the elastic and plastic width variations before and after the roll-bite. They give equally the longitudinal stresses defining the boundary conditions for the roll-bite model which is indeed the 3D "simple" UBM approximating the total width variation term. Moreover, with the plastic deformation and friction dissipation powers given by the same model, the thermal width variation term is also obtained. The width variation model, called UBM-Slab combined is very fast (0.05s) and predicts accurately the width variation in comparison with Lam3-Tec3 (<6%)

Dans nos travaux, nous nous intéressons à la commande des convertisseurs statiques à grand nombre d'interrupteurs. Le développement des topologies multi-niveaux multi-bras a ouvert l'accès aux domaines de la forte puissance et de la haute qualité harmonique. Outre cette montée en puissance, la commande spéciale de ces dispositifs permet de conférer au convertisseur des fonctionnalités avancées de plus en plus nécessaires, comme la possibilité de filtrage actif des harmoniques, la tolérance aux pannes, la gestion du réactif, les liaisons HVDC, etc. Toutefois, un plus grand nombre d'interrupteurs au sein d'une même structure de conversion se traduit par une forte croissance du nombre de variables de commande, des degrés de liberté et par une explosion combinatoire du nombre de configurations possibles. La synthèse de lois de commande suivant les approches traditionnellement conçues pour les topologies classiques, comme les méthodes de modulation vectorielle fondées sur la représentation géométrique du convertisseur, en devient rapidement fastidieuse pour les nouvelles topologies plus complexes. De plus, les interrupteurs présents en surnombre apportent des redondances fortes qui ne sont pas nécessairement exploitées, ou du moins arbitrairement. Nous proposons une nouvelle approche de commande qui se veut moins dépendante du nombre d'interrupteurs, et qui s'affranchit des limitations induites par les méthodes de modulation géométrique. Notre approche consiste dans un premier temps à formuler de manière algébrique des problèmes de commande qui sont généralement sous-déterminés, témoignant de la présence de redondances ou degrés de liberté, et contraints, car tenant compte des limitations propres aux rapports cycliques. De manière intéressante, ces problèmes offrent une similarité avec les problèmes dits d'allocation de commande rencontrés en aéronautique, en marine ou en robotique. Dans un second temps, dans le but de fournir à chaque période de découpage une solution de commande unique et optimisée, nous concevons de nouvelles méthodes d'allocation pour les convertisseurs statiques fondées sur l'optimisation numérique en ligne à partir de techniques d'optimisation linéaire. En conséquence, les rapports cycliques sont automatiquement optimisés pour satisfaire aux références de tension tout en respectant les saturations et en exploitant les redondances disponibles selon l'état actuel du convertisseur. Nous mettons en lumière les propriétés naturellement offertes par nos méthodes. Notamment, toutes nos solutions de modulation étendent de manière maximale la zone de linéarité du convertisseur. Nous proposons des méthodes d'allocation pour la commande en tension ou en courant de topologies variées : l'onduleur quatre bras deux niveaux, l'onduleur multicellulaire à condensateurs flottants, l'onduleur modulaire multi-niveaux. Concernant les convertisseurs multicellulaires, nos méthodes d'allocation utilisent automatiquement les degrés de liberté disponible pour fournir un équilibrage actif très rapide des tensions de condensateurs flottants. Aussi, grâce à la formulation algébrique des contraintes de commande, nos algorithmes peuvent prendre en compte un défaut sur un interrupteur pour conférer au convertisseur une propriété de tolérance aux fautes du point de vue de la commande. / In our works, we are interested in control of high-switch-count power converters. The development of multileg, multilevel converters has opened the access to high power and high harmonic quality. The special control of these devices brings to the converter advanced abilities that are more and more requested nowadays, like active harmonic filtering, fault tolerance, active and reactive power transfer, High Voltage Direct Current (HVDC) links, etc. However, a higher number of switches in a conversion structure leads to a higher number of control variables, as well as more redundancies and a combinatorial explosion of the number of possible configurations. The development of control laws resulting from approaches traditionally designed for classical topologies, as for space vector modulation methods, becomes harder for new, much complex topologies. Moreover, the too many available switches bring strong control redundancies that are not necessarily exploited, at least arbitrarily. We propose a new control approach that is expected to be less dependent on the number of switches, and that does not suffer from limitations proper to geometrical modulation methods. Firstly, our approach consists in the algebraic formulation of control problems that are generally under-determined, highlighting the presence of redundancies and degrees of freedom, and constrained, because control limitations are taken into account. Interestingly, a connection can be highlighted to the so-called control allocation problem in flight control, robotics, or marine applications. Secondly, in order to compute a unique and optimized control solution at each switching period, we develop new control allocation methods for power converters based on on-line numerical optimization using linear programming techniques. Consequently, duty cycles are automatically optimized to satisfy voltage references while respecting saturations and exploiting available redundancies depending on the state of the converter. We highlight the properties naturally offered by our methods. In particular, all modulation solutions yield a maximized extension of the linearity range of the converter. We propose control allocation methods for the voltage or current control of many topologies: the four-leg two-level inverter, the multicellular flying capacitor inverter, the modular multilevel inverter.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'estimation non paramétrique de la densité conditionnelle d'une variable aléatoire réponse réelle conditionnée par une variable aléatoire explicative fonctionnelle de dimension éventuellement fi nie. Dans un premier temps, nous considérons l'estimation de ce modèle par la méthode du double noyaux. Nous proposons une méthode de sélection automatique du paramètre de lissage (global et puis local) intervenant dans l'estimateur à noyau, et puis nous montrons l'optimalité asymptotique du paramètre obtenu quand les observations sont indépendantes et identiquement distribuées. Le critère adopté est issu du principe de validation croisée. Dans cette partie nous avons procédé également à la comparaison de l'efficacité des deux types de choix (local et global). Dans la deuxième partie et dans le même contexte topologique, nous estimons la densité conditionnelle par la méthode des polynômes locaux. Sous certaines conditions, nous établissons des propriétés asymptotiques de cet estimateur telles que la convergence presque-complète et la convergence en moyenne quadratique dans le cas où les observations sont indépendantes et identiquement distribuées. Nous étendons aussi nos résultats au cas où les observations sont de type α- mélangeantes, dont on montre la convergence presque-complète (avec vitesse de convergence) de l'estimateur proposé. Enfi n, l'applicabilité rapide et facile de nos résultats théoriques, dans le cadre fonctionnel, est illustrée par des exemples (1) sur des données simulées, et (2) sur des données réelles. / In this thesis, we consider the problem of the nonparametric estimation of the conditional density when the response variable is real and the regressor is valued in a functional space. In the rst part, we use the double kernels method's as a estimation method where we focus on the choice of the smoothing parameters. We construct a data driven method permitting to select optimally and automatically bandwidths. As main results, we study the asymptotic optimality of this selection method in the case where observations are independent and identically distributed (i.i.d). Our selection rule is based on the classical cross-validation ideas and it deals with the both global and local choices. The performance of our approach is illustrated also by some simulation results on nite samples where we conduct a comparison between the two types of bandwidths choices (local and global). In the second part, we adopt a functional version of the local linear method, in the same topological context, to estimate some functional parameters. Under some general conditions, we establish the almost-complete convergence (with rates) of the proposed estimator in the both cases ( the i.i.d. case and the α-mixing case) . As application, we use the conditional density estimator to estimate the conditional mode estimation and to derive some asymptotic proprieties of the constructed estimator. Then, we establish the quadratic error of this estimator by giving its exact asymptotic expansion (involved in the leading in the bias and variance terms). Finally, the applicability of our results is then veri ed and validated for (1) simulated data, and (2) some real data.

Afin d'optimiser la mise aux milles au laminage à froid, la thèse consiste à développer un modèle prédictif de variation de largeur à la fois précis et rapide pour des utilisations en temps réel. Des efforts ont commencé en 1960s en développant des formules empiriques. Par la suite, la Méthode des Bornes Supérieures (MBS) est devenue la plus connue. [Oh 1975] utilisant le champ de vitesse 3D "simple" prédit bien la variation de largeur au laminage en conditions d'un tandem finisseur. [Komori 2002] a proposé une combinaison des champs fondamentaux et obtenu une structure informatique peu dépendante aux champs de vitesse. Néanmoins, seuls deux champs fondamentaux ont été introduits qui forment un sous-ensemble de la famille 3D "simple". [Serek 2008] a étudié des champs de vitesse quadratique qui inclue la famille "simple" et donne des meilleurs résultats avec un temps de calcul plus long. Le premier résultat de la thèse est un modèle 2D (MBS) avec des champs de vitesse oscillante. Ce modèle aboutit à une vitesse optimale qui oscille spatialement le long de l'emprise. Les résultats (puissance, vitesse...) sont plus proches des ceux de Lam3-Tec3 que la MBS 2D "simple". Pour une modélisation 3D, nous avons choisi la MBS avec la vitesse 3D "simple" et obtenu un très bon accord avec les expériences réalisées sur des produits étroits à Arcelor Mittal [64]. En outre, un nouveau modèle MBS est développé pour une bande bombée et des cylindres droits. Les résultats montrent que la variation de largeur diminue avec la bombée de la bande et correspondent bien à ceux de Lam3-Tec3. Cependant, la MBS admet un comportement rigide-plastique tandis qu'au laminage des bandes larges les déformations élastique et thermique ont des impacts importants sur la déformation plastique. Les modèles existant prenant en compte ces phénomènes [23,64] sont couteux en temps de calcul. Ainsi, l'idée est de décomposer la variation de la largeur de plastique en trois termes : les variations de largeur totales, élastique et thermique à travers la zone de plastique déterminés par trois nouveaux modèles simplifiés. Les deux premiers permettent d'estimer les variations de largeur élastique et plastique avant et après l'emprise. Ils donnent aussi les conditions aux limites au modèle d'emprise qui est en effet la MBS avec le champ de vitesse 3D "simple" permettant d'estimer la variation de la largeur totale. En outre, avec les puissances de déformation et de dissipation plastique de frottement données par le même modèle, la variation de largeur thermique est également obtenue. Le modèle de variation de largeur est donc appelée UBM-Slab combiné, très rapide (0,05 s) et prédit avec précision la largeur de variation par rapport à Lam3-Tec3 (<6%) / In order to save material yields in cold rolling process, the thesis aims at developing a predictive width variation model accurate and fast enough to be used online. Many efforts began in the 1960s in developing empirical formula. Afterward, the Upper Bound Method (UBM ) became more common. [Oh 1975]'s model with 3D "simple" velocity field estimates well the width variation for finishing mill rolling conditions. [Komori 2002] proposed a combination of fundamental ones to obtain a computer program depending minimally on the assumed velocity fields. However, only two fundamental fields were introduced and formed a subset of the "simple" family. [Serek 2008] studied a quadratic velocity family that includes the "simple" one and leads to better results with a higher computing time. Focusing on UBM , the first result of the thesis is a 2D model with an oscillating velocity field family. The model results to an optimum velocity that oscillates spatially throughout the roll-bite. The optimum power and the velocity field are closer to Lam3-Tec3 results than the "simple" one. For 3D modelling, we chose the 3D "simple" UBM and carried a comparison to the experiments performed at Arcelor Mittal using narrow strips [64]. A very good agreement is obtained. Further, a new UBM model is developed for a crowned strip with cylindrical work-rolls. It shows that the width variation decreases as a function of the strip crown and the results match well those of Lam3-Tec3 . However, the UBM considers only a rigid-plastic behaviour while in large strip rolling, the elastic and thermal deformations have important impacts on the plastic one. There exist some models considering these phenomena [23,64] but they are all time-consuming. Thus, the idea is to decompose the plastic width variation into three terms : total, elastic and thermal width variations through the plastic zone that are determined by three new models. The simplified roll-bite entry & exit models allow estimating the elastic and plastic width variations before and after the roll-bite. They give equally the longitudinal stresses defining the boundary conditions for the roll-bite model which is indeed the 3D "simple" UBM approximating the total width variation term. Moreover, with the plastic deformation and friction dissipation powers given by the same model, the thermal width variation term is also obtained. The width variation model, called UBM-Slab combined is very fast (0.05s) and predicts accurately the width variation in comparison with Lam3-Tec3 (<6%)

Ce travail de thèse porte sur la conception, la réalisation et l'étude de sources laser à semi-conducteur de haute cohérence, émettant à 894 nm, pour application aux horloges atomiques Césium compactes pompées optiquement, dans un contexte de développement industriel. Nous nous intéressons plus particulièrement aux lasers à émission par la tranche, dits "Distributed-Feedback" (DFB), pompés électriquement. L'objectif est d'obtenir un laser monomode en fréquence, à faible seuil, à rendement optique élevé et de largeur de raie inférieure à 1 MHz. Nous traitons d'abord de la conception et de la caractérisation au 1er ordre des diodes DFB, jusqu'à leur mise en modules pour horloge, puis nous effectuons une étude approfondie des propriétés physiques de l'émission laser en terme de cohérence temporelle, en introduisant une nouvelle méthode universelle de caractérisation du bruit de fréquence optique. Enfin, nous nous intéressons aux propriétés spectrales de l'émission en configuration d'asservissement sur une raie de fluorescence du Césium ("Dither-Locking"). Nous montrons que les propriétés intrinsèques du composant satisfont aux exigences du système industriel tel qu'il a été défini lors de l'étude. / This PhD work deals with the design, the fabrication and the study of high-coherence semiconductor laser sources emitting at 894 nm, for application to compact, optically-pumped cesium atomic clocks in an industrial context. We are particularly interested in the electrically pumped "Distributed-Feedback" in-plane laser diodes (DFB). The aim is to obtain a low-threshold, single-mode laser with high optical efficiency and a linewidth of less than 1 MHz. We first deal with the design and first-order characterization of the DFB diodes until they are put into modules for the clock. We then carry out an in-depth study of the physical properties of the laser emission in terms of coherence time. For that purpose, a new universal method for characterizing the optical frequency noise is introduced. Finally, we look further into the spectral properties of the emission in a servo configuration on a fluorescence line of the cesium ("Dither-Locking"). We show that the intrinsic properties of the component satisfy the requirements of the industrial system as defined in the study.

Les surfaces cristallines jouent un rôle essentiel dans grand nombre d'applications des nanotechnologies, une surface étant souvent un support nécessaire pour des nano-objets. La surface support peut être à son tour nano-structurée, et intervenir ainsi directement dans les propriétés du matériau réalisé. Ainsi, parmi les défis à relever pour maîtriser la morphologie de la surface et donc contrôler les nanostructures, il y a la compréhension des mécanismes moteurs à l'origine des instabilités de surface. Ce travail de thèse constitue une étude théorique accompagnée par des simulations Monte-Carlo de la dynamique des instabilités de croissance. C'est une contribution à la compréhension des mécanismes microscopiques gouvernant ces instabilités. Deux démarches ont été suivies dans cette étude : la première est une étude statistique qui consiste à analyser la morphologie de la surface instable, puis de proposer des modèles numériques (barrière Ehrlich-Schwoebel, impuretés) et des équations analytiques capables de décrire ces instabilités et remonter enfin aux mécanismes atomistiques sous-jacents. La deuxième, est une étude de la dynamique des marches qui a pour but de prévoir puis de déterminer les mécanismes atomistiques exacts gouvernants le mouvement de ces marches et les échanges de matière entre elles à l'aide de mesures de la distribution de largeur des terrasses (TWD). Les résultats de ce travail ont abouti à la mise en évidence de nouveaux mécanismes de nanostructuration spontanée [impuretés], ainsi que sur le développement et la validation numérique de nouveaux outils mathématiques [approche de Fokker-Planck] pour décrire les fluctuations des séparations entre les marches (TWDs) sur les surfaces loin de l'équilibre.

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.

Le travail effectué au cours de cette thèse consiste à étudier et développer des techniques innovantes de modulation de largeurs d'impulsions (MLI) qui visent à optimiser les chaînes de traction électriques embarquées dans des véhicules hybrides ou électriques. La MLI joue un rôle stratégique au coeur des variateurs de vitesse, elle influe sur le comportement général de la chaîne de traction et sur sa performance. La MLI présente des degrés de liberté qui peuvent contribuer avantageusement à redimensionner les composants du variateur tels que le circuit de refroidissement, le filtre EMI et le condensateur du bus continu. Les véhicules hybrides constituent une étape naturelle dans la transition énergétique entre les véhicules thermiques et les véhicules électriques. Notre étude contribue à l'optimisation des variateurs de vitesse en général et ceux au coeur des véhicules hybrides ou électriques en particulier. Notre apport consiste à proposer une MLI performante afin de rendre le variateur plus léger et plus compacte tout en garantissant les fonctionnalités traditionnelles. La compétitivité de ces variateurs et par conséquent des véhicules hybrides ou électriques devient alors accessible. Les véhicules hybrides ou électriques utilisent généralement une machine de traction à courant alternatif en raison de nombreux avantages que celle ci présente par rapport à une machine à courant continu. La source d’alimentation au bord d'un véhicule est une batterie, il est donc nécessaire d'utiliser un onduleur pour transformer la tension continue en tension alternative à amplitude et fréquence variables. Le contrôle de cet onduleur est réalisé par des techniques de modulation de largeurs d'impulsions (MLI) ce qui permet ainsi de réguler le couple de la machine. Les techniques MLI produisent une composante basse fréquence, le fondamental qui est le signal désiré et des composantes hautes fréquences appelées harmoniques de commutation qui sont indésirables. Dans les véhicules modernes, il y a de plus en plus de charges mécaniques pilotées par des machines électriques et des systèmes électroniques. Il est impératif d'éliminer le risque d'interférences électromagnétiques entre ces différents systèmes pour éviter le dysfonctionnement ou la défaillance. Il faut donc filtrer ces harmoniques indésirables pour qu'elles ne perturbent pas les calculateurs et autres circuits électroniques de faibles niveaux de tensions. Il existe des techniques de modulation aléatoire (RPWM) qui permettent d'étaler les harmoniques à la fréquence de commutation et ses multiples. Dans cette étude, notre choix s’est porté sur la technique de modulation vectorielle aléatoire (RSVM) qui présente plusieurs avantages par rapport à la MLI intersective. Les machines pilotées par une MLI produisent des tensions de mode commun dites « shaft voltage », qui peuvent provoquer des courants à travers les roulements de la machine, ces derniers pouvant être destructifs. Nous avons pu développer une technique MLI vectorielle basée sur un choix judicieux des vecteurs nuls pour réduire cette tension de mode commun. La chaleur produite par les pertes dans les convertisseurs à commutation dure lors de l'ouverture et de la fermeture des interrupteurs doit être évacuée rapidement, ce qui réduit le stress thermique, évite la défaillance et augmente la durée de vie des interrupteurs. Une technique utilisée pour réduire ces pertes par commutation est la modulation discontinue (DPWM) ; une amélioration est apportée à cette technique dans ce travail. Cette amélioration est présentée sous forme d'une technique discontinue évolutive (EDSVM) qui s'adapte au régime du moteur pour minimiser les pertes. Grâce à cette technique une meilleure distribution du stress thermique sur les différents bras de l'onduleur est rendue possible et permet ainsi d'augmenter la durée de vie de l'onduleur. (...) / The dissertation documents research work carried out on Pulse Width Modulation (PWM) strategies for hard switched Voltage Source Inverters (VSI) for variable speed electric drives. This research is aimed at Hybrid Electric Vehicles (HEV). PWM is at the heart of all variable speed electric drives; they have a huge influence on the overall performance of the system and may also help eventually give us an extra degree of freedom in the possibility to rethink the inverter design including the re-dimensioning of the inverter components.HEVs tend to cost more than conventional internal combustion engine (ICE) vehicles as they have to incorporate two traction systems, which is the major discouraging factor for consumers and in turn for manufacturers. The two traction system increases the maintenance cost of the car as well. In addition the electric drives not only cost extra money but space too, which is already scarce with an ICE under the hood. An all-electric car is not yet a viable idea as the batteries have very low energy density compared with petrol or diesel and take considerable time to charge. One solution could be to use bigger battery packs but these add substantially to the price and weight of the vehicle and are not economically viable. To avoid raising the cost of such vehicles to unreasonably high amounts, autonomy has to be compromised. However hybrid vehicles are an important step forward in the transition toward all-electric cars while research on better batteries evolves. The objective of this research is to make electric drives suitable for HEVs i.e. lighter, more compact and more efficient -- requiring less maintenance and eventually at lower cost so that the advantages, such as low emissions and better fuel efficiency, would out-weigh a little extra cost for these cars. The electrical energy source in a vehicle is a battery, a DC Voltage source, and the traction motor is generally an AC motor owing to the various advantages it offers over a DC motor. Hence the need for a VSI, which is used to transform the DC voltage into AC voltage of desired amplitude and frequency. Pulse width modulation techniques are used to control VSI to ensure that the required/calculated voltage is fed to the machine, to produce the desired torque/speed. PWM techniques are essentially open loop systems where no feedback is used and the instantaneous values differ from the required voltage, however the same average values are obtained. Pulse width modulated techniques produce a low frequency signal (desired average value of the switched voltage) also called the fundamental component, along with unwanted high frequency harmonics linked to the carrier signal frequency or the PWM period. In modern cars we see more and more mechanical loads driven by electricity through digital processors. It is very important to eliminate the risk of electromagnetic interference between these systems to avoid failure or malfunction. Hence these unwanted harmonics have to be filtered so that they do not affect the electronic control unit or other susceptible components placed in the vicinity. Randomised modulation techniques (RPWM) are used to dither these harmonics at the switching frequency and its multiple. In this thesis a random modulator based on space vector modulation is presented which has additional advantages of SVM. Another EMI problem linked to PWM techniques is that they produce common mode voltages in the load. For electric machines, common mode voltage produces shaft voltage which in turn provokes dielectric stress on the motor bearings, its lubricant and hence the possibility of generating bearing currents in the machine that can be fatal for the machine. To reduce the common mode voltage a space vector modulation strategy is developed based on intelligent placement of zero vectors. (...)