To fulfill the requirements of the operation in a wide power range, a parallel configuration with modular power factor correctors (PFCs) is proposed. Each PFC module is composed of a bridge-rectifier, a fly-back converter and associated passive filters. The fly-back converter is independently operated at a fixed frequency with a discontinuous inductor current. This allows the modules to achieve a high power factor and to regulate the output power with simple control. With the same duty-ratio and frequency, the total current will be distributed equally to each operating module without complex current sharing control. The operating modules are equally phase-shifted to take the advantages of the continuous current mode when operated at a higher power. Experiments were conducted to achieve a power rating of 1 kVA by operating 10 PFC modules in parallel. The duty-ratio of the operating modules is controlled by a micro-controller to regulate the output power in accordance with the load requirement. A complex programmable logic device (CPLD) is used for phase-shifting. All modules are operated in turn to share the operating cycles in a more equal manner. Experimental results demonstrate the parallel configuration can achieve the expected performances.

This thesis proposes a single-stage high-power-factor electronic ballast with series-resonant inverter for rapid-start fluorescent lamps with zero glow current during preheating period. A buck-boost converter is integrated into the ballast as the power-factor-corrector. Two auxiliary windings are wound on the same core of the buck-boost inductor for filament heating. During the preheating period, the buck-boost converter is initiated while the series-resonant inverter is disabled by controlling the corresponding active power switches. Due to zero voltage across the lamp, the glow current can be effectively eliminated. As the filaments reach appropriate emission temperature, the series-resonant inverter is activated. The lamp is then ignited and consequently operated at the rated lamp power. Circuit analyses and experimental tests of the proposed preheating control scheme are carried out on an electronic ballast for a T8-40W rapid-start fluorescent lamp.

An auxiliary winding with an associated capacitor is added on the single-stage power factor corrector (PFC) based on fly-back conversion to reduce the ripple on the dc output voltage. The associated capacitor takes out partial energy at every switching cycle from the fly-back conversion and releases the stored energy to the load at the valley of the rectified line voltage. The negative effect of such an approach is that the converter does not draw a current from the AC line at the lower voltage near zero crossing, leading to deterioration in the power factor. This thesis analyzes how an auxiliary winding affects the voltage of the associated capacitor, which in turn changes the cut-in angle of the input current and thus the power factor of the AC source. To facilitate the implementation, the fly-back converter is operated at the boundary conduction mode (BCM). A design example is given for the 24 V, 48 W load, based on the derived equations. The laboratory circuit is built and tested to verify the computer simulations and analytical predictions. The experimental results confirm the circuit analyses on the converter performances.

De nos jours, les énergies renouvelables remplacent les énergies fossiles. Pour assurer une l’interconnexion entre toutes ces installations électriques, l’électronique de puissance est nécessaire. Les principales spécifications de la prochaine génération de convertisseur de puissances sont un rendement et une densité de puissance élevés, fiabilité et faibles coûts. L’intégration PCB des composants actifs et/ou passifs est perçue comme une approche prometteuse, peu onéreuse et efficace. Les délais ainsi que les coûts de fabrication des convertisseurs de puissance peuvent considérablement réduits. L’intégration permet également d’améliorer les performances des convertisseurs. Dans ce but, un concept original d’inductance 3D pliable utilisant la technologie PCB est présenté. Il permet un coût faible pour une production en série, ainsi qu’une excellente reproductibilité. Un usinage partiel de la carte PCB est utilisé, permettant le pliage et la conception des enroulements de l’inductance. Différents prototypes sont développés par le biais d’une procédure d’optimisation. Des tests électriques et thermiques sont réalisés pour valider l’applicabilité du concept au sein de convertisseurs de puissance.Le développement d’une procédure d’optimisation appliqué aux convertisseurs hautement intégrés utilisant l’enterrement PCB est présenté. Tous les choix importants, facilitant l’intégration PCB, e.g. réduction des composants passifs, sont présentés. Cela inclut la sélection de la topologie adéquate avec la modulation associée. La procédure de design et les modèles analytiques sont introduits. Il en résulte un convertisseur comprenant quatre pont-complet entrelacés avec des bras fonctionnant à basse (50 Hz) et haute (180 kHz) fréquences. Cette configuration autorise une variation de courant importante dans les inductances, assurant ainsi la commutation des semi-conducteurs à zéro de tension (ZVS), et ceux sur une période complète du réseau. L’impact de la forte variation de courant sur le filtre CEM est compensé par l’entrelacement. Deux prototypes d’un convertisseur AC/DC bidirectionnel de 3.3 kW sont présentés, les résultats théorique et pratique sont analysés.Pour augmenter la densité de puissance du system, un filtre actif de type “Buck” est étudié. La procédure d’optimisation est adaptée à partir de la procédure implémentée pour le convertisseur AC/DC. L’approche utilisée, mène à un convertisseur opérant également en ZVS durant une période compète du réseau, et ce, à fréquence de commutation fixe. Les technologies sélectionnées, condensateur céramique et inductance compatible avec la technologie PCB sont favorable à l’intégration et sont implémenté sur le prototype. / Nowadays, the green energy sources are replacing fossil energies. To assure proper interconnections between all these different electrical facilities, power electronics is mandatory. The main requirements of next generation converters are high efficiency, high power density, high reliability and low-cost. The Printed Circuit Board (PCB) integration of dies and/or passives is foreseen as a promising, low-cost and efficient approach. The manufacturing time and cost of power converters can be drastically reduced. Moreover, integration allows the converter performances to be improved. For this purpose, an original 3D folded power inductor concept using PCB technology is introduced. It is low cost for mass production and presents good reproducibility. A partial milling of the PCB is used to allow bending and building the inductor winding. Prototypes are designed through an optimisation procedure. Electrical and thermal tests are performed to validate the applicability in power converters. The development of an optimisation procedure for highly integrated converters, using PCB embedding, is presented. All important choices, facilitating the PCB integration, e.g. reduction of passive components, are presented. It includes the selection of the suitable converter topology with the associated modulation. The design procedure and implemented analytical models are introduced. It results in four interleaved full-bridges operating with low (50 Hz) and high (180 kHz) frequency legs. The configuration allows high current ripple in the input inductors inducing zero voltage switching (ZVS) for all the semiconductors, and for a complete grid period. The impact of high current ripple on the EMI filter is compensated by the interleaving. Two prototypes of a 3.3 kW bidirectional AC/DC converters are presented, theoretical and practical results are discussed. To further increase the power density of the overall system, a Buck power pulsating buffer is investigated. The optimisation procedure is derived from the procedure implemented for the AC/DC converter. The result favours an original approach, where the converter also operates with ZVS along the entire main period at a fixed switching frequency. The selected technologies for prototyping are integration friendly as ceramic capacitors and PCB based inductors are implemented in the final prototype.

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.