High interstitial fluid pressure (IFP) in tumours is recognized as a barrier to drug delivery resulting in reduced efficacy. High IFP impedes the normal process of convective fluid flow (CFF) from blood vessels into the interstitium. The aim of this study was to develop an in vitro model that could be used to measure CFF and to study its effects on drug delivery. The model consists of a transwell cell culture insert which supports the growth of multicell layers (MCL) on collagen coated membranes. A graduated tube is inserted into the transwell and a pressure gradient is applied across the membrane by raising the volume of medium in the tube above that of the bottom chamber. CFF is determined by measuring the weight of medium in the bottom chamber as a function of time. CFF was inversely proportional to MCL thickness and 41.1±3.6µm thick MCL has completely stopped CFF. Using a physiologically relevant hydrostatic pressure of 28mmHg, a CFF of 21µL/min was recorded using a DLD-1 MCL that was 12.21±3.2µm thick. Under these conditions, the rates of penetration of doxorubicin, imatinib and gefitinib were respectively 42, 26 and 13 folds greater than when no CFF exists. Reversing the CFF so that it opposed the drug diffusion gradient significantly impairs drug penetration. In conclusion, a novel in vitro model for assessing the impact of CFF on drug delivery has been developed. This model could be used to evaluate strategies designed to increase drug delivery to solid tumours by modifying the CFF.

Wireless communications are important in our highly connected world. The amount of data being transferred in cellular networks is steadily growing, and consequently more capacity is needed. This thesis considers the problem of downlink capacity improvement from the perspective of multicell coordination. By employing multiple antennas at the transmitters and receivers of a multicell network, the inherent spatial selectivity of the users can be exploited in order to increase the capacity through linear precoding and receive filtering. For the coordination between cells, distributed algorithms are often sought due to their low implementation complexity and robustness. In this context, the thesis considers two problem domains: base station clustering and coordinated precoding. Base station clustering corresponds to grouping the cell base stations into disjoint clusters in order to reduce the coordination overhead. This is needed in intermediate-sized to large networks, where the overhead otherwise would be overwhelmingly high. Two solution methods for the clustering problem are proposed: an optimal centralized method, as well as a heuristic distributed method. The optimal method applies to a family of throughput models and exploits the structure of the model to find bounds that can be used to focus the search for the optimal clustering into promising territories. The distributed method instead uses notions from coalitional game theory, where the base stations are modelled as rational and intelligent players in a game. By letting the players make individual deviations that benefit them in the game, i.e.\@ switching clusters, a distributed coalition formation algorithm is obtained. Coordinated precoding is the act of finding the linear precoders and receive filters that maximize the network performance, given a base station clustering. Four specific challenges are studied in this problem domain. First, coordinated precoding under intercluster interference is considered. The channels of the intercluster links are not explicitly estimated due to overhead reasons, and these links thus lead to intercluster interference. By exploiting the known statistics of the intercluster channels, a robust and distributed coordinated precoding algorithm is developed. Second, coordinated precoding under imperfect channel state information is considered. Relying on the channel reciprocity under time-division duplex operation, a distributed estimation framework is proposed. Given the estimated channels, a robust and distributed coordinated precoding algorithm is then derived. Third, coordinated precoding under imperfect radio hardware is considered. By modelling the radio frequency distortion noises, a distributed coordinated precoding method that accounts for the imperfections is proposed. Fourth, joint coordinated precoding and discrete rate selection is considered. By bounding and linearizing an originally intractable optimization problem, a heuristic algorithm is derived which selects the transmit rate from a finite set and simultaneously forms the linear precoders and receive filters. / Trådlös kommunikation är ett viktigt verktyg i dagens ständigt uppkopplade värld. Datamängden som överförs i mobilnätverk ökar stadigt och därmed behovet av mer kapacitet. För att öka kapaciteten i nedlänken så utvecklar denna avhandling nya metoder för koordinering av multicellnätverk. Med flerantenniga sändare och mottagare så kan den spatiala selektiviteten hos mottagarna utnyttjas för att separera dem, vilket ger en ökad kapacitet. För denna koordinering är distribuerade algoritmer ofta att föredra eftersom de är robusta och har låg implementeringskomplexitet. I detta sammanhang undersöker denna avhandling två problemområden: basstationsgruppering och samordnad förkodning. Basstationsgruppering innebär att basstationerna delas in i disjunkta grupper, vilket minskar overheadkostnaden för samordningen. Detta är framför allt nödvändigt i medelstora till stora nätverk, eftersom overheadkostnaden för koordineringen av dessa annars skulle bli för stor. Två lösningar för basstationsgruppering presenteras: dels en optimal och centraliserad metod samt dels en heuristisk och distribuerad metod. Den optimala och centraliserade metoden kan hantera en familj av modeller för den totala datatakten och utnyttjar strukturen i modellen för att fokusera sökandet efter den optimala grupperingen mot lovande områden. Den heuristiska och distribuerade metoden bygger på spelteori för koalitioner och modellerar basstationerna som rationella och intelligenta spelare i ett spel. En distribuerad algoritm för koalitionsformering härleds genom att låta spelarna göra individuella förflyttningar, dvs. byta grupp, när det gynnar dem under spelets regler. Vid samordnad förkodning använder de flerantenniga sändarna och mottagarna linjära förkodare och mottagningsfilter för att maximera nätverkets prestanda. Inom detta problemområde undersöks fyra olika specifika problem. Först undersöks problemet när det finns störningar mellan basstationsgrupperna. För att hålla nere mängden overhead så skattas inte kanalerna mellan grupperna, vilket ger upphov till störningar hos mottagarna. Genom att utnyttja den kända statistiska informationen för dessa okända kanaler kan en robust och distribuerade samordningsmetod för förkodningen utvecklas. Därnäst undersöks problemet då kanalkännedomen är bristfällig i allmänhet. Reciprociteten som uppstår vid tidsdelningsduplexning utnyttjas och flera distribuerade skattningsmetoder härleds. Givet den skattade kanalkännedomen föreslås en robust metod för samordnad förkodning. Därnäst undersöks problemet med samordnad förkodning då radiohårdvaran är bristfällig. En modell för det distortionsbrus som skapas av den bristfälliga hårdvaran används för att föreslå en robust distribuerad metod för samordnad förkodning för detta scenario. Slutligen undersöks valet av diskret datatakt med simultan samordnad förkodning. En heuristisk algoritm utvecklas som löser ett begränsat optimeringsproblem. Algoritmen väljer sänddatatakten från en ändlig mängd och bestämmer simultant de linjära förkodarna och mottagningsfiltrena. / <p>QC 20160407</p>

High interstitial fluid pressure (IFP) in tumours is recognized as a barrier to drug delivery resulting in reduced efficacy. High IFP impedes the normal process of convective fluid flow (CFF) from blood vessels into the interstitium. The aim of this study was to develop an in vitro model that could be used to measure CFF and to study its effects on drug delivery. The model consists of a transwell cell culture insert which supports the growth of multicell layers (MCL) on collagen coated membranes. A graduated tube is inserted into the transwell and a pressure gradient is applied across the membrane by raising the volume of medium in the tube above that of the bottom chamber. CFF is determined by measuring the weight of medium in the bottom chamber as a function of time. CFF was inversely proportional to MCL thickness and 41.1±3.6µm thick MCL has completely stopped CFF. Using a physiologically relevant hydrostatic pressure of 28mmHg, a CFF of 21µL/min was recorded using a DLD-1 MCL that was 12.21±3.2µm thick. Under these conditions, the rates of penetration of doxorubicin, imatinib and gefitinib were respectively 42, 26 and 13 folds greater than when no CFF exists. Reversing the CFF so that it opposed the drug diffusion gradient significantly impairs drug penetration. In conclusion, a novel in vitro model for assessing the impact of CFF on drug delivery has been developed. This model could be used to evaluate strategies designed to increase drug delivery to solid tumours by modifying the CFF.

Les travaux de cette thèse portent sur l'analyse des comportements chaotiques dans les convertisseurs multicellulaires séries. Ces systèmes à commutationpeuvent présenter une variété de phénomènes complexes liés à des bifurcationset au chaos. Sachant qu'un convertisseur de puissance qui a une charge purementdissipative, ne peut générer un comportement chaotique, nous avons dans la première partie de cette thèse, connecté un hacheur à deux cellules à une charge non linéaire non strictement dissipative et nous avons analysé ses comportements à l'aide des propriétés dynamiques de base et présenté les routes vers le chaos. La fin de cette partie a été consacrée à l'étude du hacheur à cinq cellules qui est une généralisation du hacheur à deux cellules. Afin de supprimer le comportement chaotique, la deuxième partie du travail a été consacrée à la synthèse d'une loi de commande hybride basé sur la modélisation par réseaux de Petri pour la régulation des tensions des condensateurs flottants et du courant de charge. / This thesis deals with the analysis of chaotic behaviors in serial multicellularconverters. These switching systems can have a variety of complex phenomenaassociated with bifurcations and chaos. Knowing that a power converter that has a purely dissipative load cannot generate chaotic behavior, we've in the first part of this thesis, we connected a two-cell chopper to a nonlinear load not strictly dissipative and we've analyzed its behaviors by using some basic dynamic properties and thus presented the routes to chaos. The end of this part was devoted to the study of the 5-cell chopper which is a generalization of the two-cell chopper. In order to eliminate the chaotic behavior, the second part was devoted to the synthesis of a controlled law based on hybrid modeling of Petri nets for the regulation of capacitor voltages and current load.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem detaillierten Vergleich von Mehrpunkt-Schaltungstopologien mit zentralem Gleichspannungszwischenkreis für den Einsatz in Mittelspannungsanwendungen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird die 3-Level Neutral Point Clamped Spannungswechselrichter Schaltungstopologie (3L-NPC VSC) sowohl mit Multilevel Flying Capacitor (FLC) als auch mit Multilevel Stacked Multicell (SMC) Schaltungstopologien verglichen, wobei unter Verwendung von aktuell verfügbaren IGBT-Modulen Stromrichterausgangsspannungen von 2.3 kV, 4.16 kV und 6.6 kV betrachtet werden. Neben der grundlegenden Funktionsweise wird die Auslegung der aktiven Leistungshalbleiter und der passiven Energiespeicher (Zwischenkreiskondensatoren, Flying Capacitors) für die untersuchten Stromrichtertopologien dargestellt. Unter Berücksichtigung verschiedener Modulationsverfahren und Schaltfrequenzen werden Kennwerte für den Oberschwingungsgehalt in der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom vergleichend evaluiert. Die installierte Schalterleistungen, die Halbleiterausnutzungsfaktoren, die Stromrichterverlustleistungen sowie die Verlustleistungsverteilungen werden für die betrachteten Stromrichtertopologien detailliert gegenübergestellt und bewertet. / The thesis deals with a detailed comparison of voltage source converter topologies with a central dc-link energy storage device for medium voltage applications. The Three-Level Neutral Point Clamped Voltage Source Converter (3L-NPC VSC) is compared with multilevel Flying Capacitor (FLC) and Stacked Multicell (SMC) Voltage Source Converters (VSC) for output voltages of 2.3 kV, 4.16 kV and 6.6 kV by using state-of-the-art 6.5 kV, 3.3 kV, 4.5 kV and 1.7kV IGBTs. The fundamental functionality of the investigated converter topologies as well as the design of the power semiconductors and of the energy storage devices (Flying Capacitors and Dc-Link capacitors) is described. The installed switch power, converter losses, the semiconductor loss distribution, modulation strategies and the harmonic spectra are compared in detail.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem detaillierten Vergleich von Mehrpunkt-Schaltungstopologien mit zentralem Gleichspannungszwischenkreis für den Einsatz in Mittelspannungsanwendungen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird die 3-Level Neutral Point Clamped Spannungswechselrichter Schaltungstopologie (3L-NPC VSC) sowohl mit Multilevel Flying Capacitor (FLC) als auch mit Multilevel Stacked Multicell (SMC) Schaltungstopologien verglichen, wobei unter Verwendung von aktuell verfügbaren IGBT-Modulen Stromrichterausgangsspannungen von 2.3 kV, 4.16 kV und 6.6 kV betrachtet werden. Neben der grundlegenden Funktionsweise wird die Auslegung der aktiven Leistungshalbleiter und der passiven Energiespeicher (Zwischenkreiskondensatoren, Flying Capacitors) für die untersuchten Stromrichtertopologien dargestellt. Unter Berücksichtigung verschiedener Modulationsverfahren und Schaltfrequenzen werden Kennwerte für den Oberschwingungsgehalt in der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom vergleichend evaluiert. Die installierte Schalterleistungen, die Halbleiterausnutzungsfaktoren, die Stromrichterverlustleistungen sowie die Verlustleistungsverteilungen werden für die betrachteten Stromrichtertopologien detailliert gegenübergestellt und bewertet.:Inhaltsverzeichnis Liste der Variablen i Liste der Abkürzungen v 1 Einleitung 1 2 Überblick von Mittelspannungsstromrichtertopologien und Leistungshalbleitern 3 2.1 Mittelspannungsumrichtertopologien 3 2.2 Leistungshalbleiter 8 3 Aufbau und Funktion von Mittelspannungsstromrichtertopologien 10 3.1 Neutral Point Clamped Stromrichter (NPC) 10 3.1.1 3-Level Neutral Point Clamped Stromrichter (3L-NPC) 10 3.1.2 Mehrstufige NPC-Umrichter 21 3.2 Flying Capacitor Stromrichter (FLC) 23 3.2.1 3-Level Flying Capacitor Stromrichter (3L-FLC) 23 3.2.2 4-Level Flying Capacitor-Stromrichter (4L-FLC) 33 3.2.3 Mehrstufige Flying Capacitor-Stromrichter (NL-FLC) 39 3.3 Stacked Multicell Stromrichter (SMC) 43 3.3.1 5L-Stacked Multicell Stromrichter (5L-SMC) 43 3.3.2 N-Level Stacked Multicell Umrichter (NL-SMC) 51 4 Modellierung und Auslegung der Stromrichter 59 4.1 Verlustmodell 59 4.1.1 Sperrschichttemperaturen 64 4.2 Auslegung der Leistungshalbleiter 65 4.2.1 Stromauslegung 67 4.2.2 Worst-Case Arbeitspunkte 69 4.3 Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren 75 4.3.1 Spannungszwischenkreis 76 4.3.2 Lastseitige Strombelastung und resultierende Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis 77 4.3.3 Abhängigkeit der Strombelastung und der Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis vom Frequenzverhältnis mf 95 4.3.4 Netzseitige Zwischenkreiseinspeisung 97 4.3.4.1 Zwischenkreiseinspeisung mit idealisiertem Transformatormodell 98 4.3.4.2 Zwischenkreiseinspeisung mit erweitertem Transformatormodell 101 4.3.5 Simulation des Gesamtsystems 104 4.4 Auslegung der Flying Capacitors 107 4.4.1 Strombelastung der Flying Capacitors 109 4.4.2 Spannungswelligkeit über den Flying Capacitors 113 4.4.3 Abhängigkeit der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors vom Frequenzverhältnis mf 124 4.4.4 Auswirkung der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors auf die Ausgangsspannungen 126 5 Vergleich der Stromrichtertopologien 129 5.1 Daten für den Stromrichtervergleich 129 5.2 Basis des Vergleiches 132 5.3 Vergleich für einen 2,3 kV Mittelspannungsstromrichter 134 5.3.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 134 5.3.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 142 5.4 Vergleich für einen 4,16 kV Mittelspannungsstromrichter 146 5.4.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 146 5.4.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 153 5.5 Vergleich für einen 6,6 kV Mittelspannungsstromrichter 156 5.5.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 156 5.5.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 162 5.6 Vergleich von 2,3 kV, 4,16 kV und 6,6 kV Mittelspannungsstromrichtern 165 5.6.1 Vergleich bei identischer installierter Schalterleistung SS 165 5.6.2 Vergleich bei einer identischen Ausgangsleistung 167 6 Zusammenfassung und Bewertung 171 Anhang 175 A. Halbleiterverlustmodell 175 Referenzen 177 / The thesis deals with a detailed comparison of voltage source converter topologies with a central dc-link energy storage device for medium voltage applications. The Three-Level Neutral Point Clamped Voltage Source Converter (3L-NPC VSC) is compared with multilevel Flying Capacitor (FLC) and Stacked Multicell (SMC) Voltage Source Converters (VSC) for output voltages of 2.3 kV, 4.16 kV and 6.6 kV by using state-of-the-art 6.5 kV, 3.3 kV, 4.5 kV and 1.7kV IGBTs. The fundamental functionality of the investigated converter topologies as well as the design of the power semiconductors and of the energy storage devices (Flying Capacitors and Dc-Link capacitors) is described. The installed switch power, converter losses, the semiconductor loss distribution, modulation strategies and the harmonic spectra are compared in detail.:Inhaltsverzeichnis Liste der Variablen i Liste der Abkürzungen v 1 Einleitung 1 2 Überblick von Mittelspannungsstromrichtertopologien und Leistungshalbleitern 3 2.1 Mittelspannungsumrichtertopologien 3 2.2 Leistungshalbleiter 8 3 Aufbau und Funktion von Mittelspannungsstromrichtertopologien 10 3.1 Neutral Point Clamped Stromrichter (NPC) 10 3.1.1 3-Level Neutral Point Clamped Stromrichter (3L-NPC) 10 3.1.2 Mehrstufige NPC-Umrichter 21 3.2 Flying Capacitor Stromrichter (FLC) 23 3.2.1 3-Level Flying Capacitor Stromrichter (3L-FLC) 23 3.2.2 4-Level Flying Capacitor-Stromrichter (4L-FLC) 33 3.2.3 Mehrstufige Flying Capacitor-Stromrichter (NL-FLC) 39 3.3 Stacked Multicell Stromrichter (SMC) 43 3.3.1 5L-Stacked Multicell Stromrichter (5L-SMC) 43 3.3.2 N-Level Stacked Multicell Umrichter (NL-SMC) 51 4 Modellierung und Auslegung der Stromrichter 59 4.1 Verlustmodell 59 4.1.1 Sperrschichttemperaturen 64 4.2 Auslegung der Leistungshalbleiter 65 4.2.1 Stromauslegung 67 4.2.2 Worst-Case Arbeitspunkte 69 4.3 Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren 75 4.3.1 Spannungszwischenkreis 76 4.3.2 Lastseitige Strombelastung und resultierende Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis 77 4.3.3 Abhängigkeit der Strombelastung und der Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis vom Frequenzverhältnis mf 95 4.3.4 Netzseitige Zwischenkreiseinspeisung 97 4.3.4.1 Zwischenkreiseinspeisung mit idealisiertem Transformatormodell 98 4.3.4.2 Zwischenkreiseinspeisung mit erweitertem Transformatormodell 101 4.3.5 Simulation des Gesamtsystems 104 4.4 Auslegung der Flying Capacitors 107 4.4.1 Strombelastung der Flying Capacitors 109 4.4.2 Spannungswelligkeit über den Flying Capacitors 113 4.4.3 Abhängigkeit der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors vom Frequenzverhältnis mf 124 4.4.4 Auswirkung der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors auf die Ausgangsspannungen 126 5 Vergleich der Stromrichtertopologien 129 5.1 Daten für den Stromrichtervergleich 129 5.2 Basis des Vergleiches 132 5.3 Vergleich für einen 2,3 kV Mittelspannungsstromrichter 134 5.3.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 134 5.3.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 142 5.4 Vergleich für einen 4,16 kV Mittelspannungsstromrichter 146 5.4.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 146 5.4.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 153 5.5 Vergleich für einen 6,6 kV Mittelspannungsstromrichter 156 5.5.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 156 5.5.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 162 5.6 Vergleich von 2,3 kV, 4,16 kV und 6,6 kV Mittelspannungsstromrichtern 165 5.6.1 Vergleich bei identischer installierter Schalterleistung SS 165 5.6.2 Vergleich bei einer identischen Ausgangsleistung 167 6 Zusammenfassung und Bewertung 171 Anhang 175 A. Halbleiterverlustmodell 175 Referenzen 177

En aéronautique, les contraintes sont telles que la masse des filtres peut représenterjusqu'à 50% de la masse totale du convertisseur. Ces dernières années, les convertisseursmulticellulaires parallèles entrelacés et magnétiquement couplés ont conduit à améliorer lesperformances des convertisseurs (densité de puissance, efficacité, dynamique,...). Denombreuses topologies de filtrages entrelacés existent, l'objectif principal de cette étude est detrouver parmi ces topologies celles qui sont les mieux adaptées à la réalisation d’un onduleurde tension 110Veff / 400Hz triphasé 25kVA. Il est démontré que le choix du type de matériaumagnétique a un impact déterminant sur le poids, le volume et les pertes du convertisseur. Quidit parallélisation, dit multiplication du nombre de semi-conducteurs. Ces nouvelles structuresdoivent garantir à la fois un rendement élevé, une masse faible et une continuté defonctionnement, même en cas de panne d’un semiconducteur de puissance ou de sacommande. Mais coupler les phases entre elles, impose un lien indissociable qui peut êtrenuisible au fonctionnement de la structure en cas de dysfonctionnement. Des solutionsexistent et sont abordées dans l’étude. Enfin, la réalisation pratique d'un prototype semiindustrielde convertisseur triphasé utilisant des transformateurs interphases est présentée. Ils’agit d’un onduleur réseau avionique triphasé avec reconstruction de neutre pour fonctionneren déséquilibré. Les résultats expérimentaux démontrent l’avantage d’un convertisseur / In aeronautics field, the constraints are such as the mass of the filters can represent upto 50% of the total mass of the converter. During the last years, magnetic coupled interleavedconverters enhances performances (power density, efficiency, transient response). It existeseveral possibilities for use interleaved coupled topologies that use inter-phase transformerexist, the main objective of this study is to find among these topologies the best adaptedconfiguration in the context of a three-phase voltage inverter 110Veff/400Hz 25kVA. Thechoice of the magnetic material type has a great impact on determining the weight, thevolume and the losses of the converter. Parallelization leads to increase the semiconductornumber. These new structures must guarantee at the same time a raised efficiency, a low massand a great reliability, even in the event of case of breakdown of a power semiconductor orhis driver circuit. But coupleing the phases between themselve, imposes a dangerous stronglink on the structure operation in event of default. Solutions exist and are presented in thestudy. Lastly, the implementation of a semi-industrial of three-phase converter using interphasestransformers is performed. This inverter has been desinging to be use on a three-phaseavionics inverter network with rebuilding of neutral in case of unbalancing. Experimentalresults show the advantage of an interleaved converter compared with a conventional solution.

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.

Dans ce travail de thèse, réalisé dans le cadre d'une bourse CIFRE entre le laboratoire ECS-Lab et l'entreprise GS Maintenance, nous nous sommes intéressés au contrôle et à l'observation des systèmes électriques, particulièrement les convertisseur multicellulaires séries et les moteurs à courant continu série.Dans la topologie des convertisseurs multicellulaires il est nécessaire d'équilibrer les tensions des condensateurs flottants à des valeurs spécifiques. Les techniques de commande par Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI) permettent cet équilibrage, mais favorisent les dynamiques lentes. De plus, si le nombre de cellules est non premier, il existe des rapport cycliques qui déstabilisent le convertisseur. Afin de pallier à ces inconvénients, dans la première partie de la thèse des commandes directes basées sur les modes glissants sont proposées pour le convertisseur multicellulaire série à deux et trois cellules. Ces commandes sont simples et permettent une dynamique rapide, pouvant être étendues à des convertisseurs à nombre de cellules quelconque. Ces commandes sont testées en simulation et expérimentalement via un système temps réel dSpace sur un convertisseur multicellulaire à deux et trois cellules réalisé au cours de cette thèse au sein du laboratoire ECS-Lab. Il est important de souligner qu'une version industrielle du convertisseur a été réalisée au sein de l'entreprise GS Maintenance et vendue à l'Université du Qatar.Par ailleurs, dans le cadre de l'application du convertisseur multicellulaire une commande par modes glissants de type Zig-Zag est proposée pour pallier aux problèmes de quantification et saturation des actionneurs.La deuxième partie du travail a été consacrée à la synthèse d'un observateur/estimateur de type super-twisting pour estimer la vitesse d'un moteur à courant continu série sans capteur mécanique. La stratégie d'observation proposée est dédiée à une application industrielle qui concerne le forage pétrolier. Elle permet d'apporter une solution au problème d'observation généré par le fonctionnement à zéro ou faible courant. Cette stratégie a été testée sur un banc expérimental développé au cours de cette thèse au sein de l'entreprise GS Maintenance. / In this thesis , conducted in the context of a grant CIFRE between laboratory ECS-Lab and the company GS Maintenance, we focused on the control and observation of electrical systems, particularly multicellular converter series and the series DC motor.The floating voltages of the multicell topology need to be balanced to specific values. PWM control techniques provide such a balance but favor the slow dynamics. Moreover, if the numbers of cells is not prime, there exist duty-cycles which could destabilize the converter. To overcome these drawbacks, we propose direct control strategies based on sliding mode techniques for 2 and 3-cell converters. These are simple, allow fast dynamics, and can be easily extended to any number of cell with little overhead. They have been tested in simulation and experimentally via a real-time dSpace board on a 2 and 3-cell converter develloped during this thesis at ECS-Lab. It is important to emphasize that an industrial version of the converter has been manufactured at GS Maintenance and sold to Qatar University.Moreover, in the context of the appication of multicell converters, a Zig-Zag sliding mode control law has been proposed to overcome quantization and saturation problems found in real actuators.The second part of this work adresses the synthetization of an super-twistign observer/estimator scheme to estimate the speed of a sensorless DC series motor. The proposed observation strategy is dedicated to an industrial application in the context of oil drilling. It provides a solution to the problem of observation generated by operating at zero or low current. This strategy has been tested on an experimental bench developed in this thesis within GS Maintenance.

In this thesis we study several resource management problems in two classes of wireless networks. The thesis is in two parts, the first being concerned with game theoretic approaches for cellular networks, and the second with control theoretic approaches for mobile opportunistic networks. In Part I of the thesis, we first investigate optimal association and power control for the uplink of multichannel multicell cellular networks, in which each channel is used by exactly one base station (BS) (i.e., cell). Users have minimum signal to interference ratio(SINR) requirements and associate with BSs where least transmission powers are required. We formulate the problem as a non-cooperative game among users. We propose a distributed association and power update algorithm, and show its convergence to a Nash equilibrium of the game. We consider network models with discrete mobiles(yielding an atomic congestion game),as well as a continuum of mobiles(yielding a population game). We find that the equilibria need not be Pareto efficient, nor need they be system optimal. To address the lack of system optimality, we propose pricing mechanisms. We show that these prices weakly enforce system optimality in general, and strongly enforce it in special settings. We also show that these mechanisms can be implemented in distributed fashions. Next, we consider the hierarchical problems of user association and BS placement, where BSs may belong to the same(or, cooperating) or to competing service providers. Users transmit with constant power, and associate with base stations that yield better SINRs. We formulate the association problem as a game among users; it determines the cell corresponding to each BS. Some intriguing observations we report are:(i)displacing a BS a little in one direction may result in a displacement of the boundary of the corresponding cell to the opposite direction;(ii)A cell corresponding to a BS may be the union of disconnected sub-cells. We then study the problem of the placement of BSs so as to maximize service providers’ revenues. The service providers need to take into account the mobiles’ behavior that will be induced by the placement decisions. We consider the cases of single frequency band and disjoint frequency bands of operation. We also consider the networks in which BSs employ successive interference cancellation(SIC) decoding. We observe that the BS locations are closer to each other in the competitive case than in the cooperative case, in all scenarios considered. Finally, we study cooperation among cellular service providers. We consider networks in which communications involving different BSs do not interfere. If service providers jointly deploy and pool their resources, such as spectrum and BSs, and agree to serve each others’ customers, their aggregate payoff substantially increases. The potential of such cooperation can, however ,be realized only if the service providers intelligently determine who they would cooperate with, how they would deploy and share their resources, and how they would share the aggregate payoff. We first assume that the service providers can arbitrarily share the aggregate payoff. A rational basis for payoff sharing is imperative for the stability of the coalitions. We study cooperation using the theory of transferable payoff coalitional games. We show that the optimum cooperation strategy, which involves the acquisition of channels, and deployment and allocation of BSs to customers, is the solution of a concave or an integer optimization problem. We then show that the grand coalition is stable, i.e., if all the service providers cooperate, there is an operating point offering each service provider a share that eliminates the possibility of a subset of service providers splitting from the grand coalition; this operating point also maximizes the service providers’ aggregate payoff. These stabilizing payoff shares are computed by solving the dual of the above optimization problem. Moreover, the optimal cooperation strategy and the stabilizing payoff shares can be obtained in polynomial time using distributed computations and limited exchange of confidential information among the service providers. We then extend the analysis to the scenario where service providers may not be able to share their payoffs. We now model cooperation as a nontransferable payoff coalitional game. We again show that there exists a cooperation strategy that leaves no incentive for any subset of service providers to split from the grand coalition. To compute this cooperation strategy and the corresponding payoffs, we relate this game and its core to an exchange market and its equilibrium. Finally, we extend the formulations and the results to the case when customers are also decision makers in coalition formation. In Part II of this thesis, we consider the problem of optimal message forwarding in mobile opportunistic wireless networks. A message originates at a node(source), and has to be delivered to another node (destination). In the network, there are several other nodes that can assist in relaying the message at the expense of additional transmission energies. We study the trade-off between delivery delay and energy consumption. First, we consider mobile opportunistic networks employing two-hop relaying. Because of the intermittent connectivity, the source may not have perfect knowledge of the delivery status at every instant. We formulate the problem as a stochastic control problem with partial information, and study structural properties of the optimal policy. We also propose a simple suboptimal policy. We then compare the performance of the suboptimal policy against that of the optimal control with perfect information. These are bounds on the performance of the proposed policy with partial information. We also discuss a few other related open loop policies. Finally, we investigate the case where a message has to be delivered to several destinations, but we are concerned with delay until a certain fraction of them receive the message. The network employs epidemic relaying. We first assume that, at every instant, all the nodes know the number of relays carrying the packet and the number of destinations that have received the packet. We formulate the problem as a controlled continuous time Markov chain, and derive the optimal forwarding policy. As observed earlier, the intermittent connectivity in the network implies that the nodes may not have the required perfect knowledge of the system state. To address this issue, we then obtain an ODE(i.e., a deterministic fluid) approximation for the optimally controlled Markov chain. This fluid approximation also yields an asymptotically optimal deterministic policy. We evaluate the performance of this policy over finite networks, and demonstrate that this policy performs close to the optimal closed loop policy. We also briefly discuss the case where message forwarding is accomplished via two-hop relaying.