L'objectif de nos travaux de thèse est de réaliser une démarche d'optimisation des convertisseurs statiques la plus générale possible en s'appuyant sur des modèles analytiques et un environnement d'optimisation adéquat. Pour ce faire, nous avons choisi une structure flyback en absorption sinusoïdale comme un support significatif d'étude car elle regroupe la plupart des aspects qui intéressent le concepteur des convertisseurs statiques actuels (volume, pertes, compatibilité électromagnétique CEM, thermiques...). Ce processus d'optimisation réclame la mise au point de modèles capables de réaliser le compromis indispensable précision-rapidité de calcul. Ainsi, des modèles analytiques et des outils dédiés à l'optimisation ont été développés et intégrés dans une démarche d'optimisation sous contraintes. Les résultats de mesure viennent valider cette procédure d'optimisation.

Les systèmes électriques sont de plus en plus présents dans les applications embarquées. Ils remplacent les systèmes mécaniques ou hydrauliques. Dans le cas du remplacement d'un système hydraulique par un système électrique, le gain de masse n'est pas significatif mais peut devenir plus important en mutualisant l'onduleur. L'objectif des travaux de thèse qui s'intègre dans le cadre du projet CISACS est de développer une méthodologie de pré-dimensionnement de l'étage de puissance en considérant des contraintes multi-physiques et en intégrant le choix technologiques des composants. Le premier chapitre, à travers le contexte et les objectifs du projet CISACS, introduit la problématique de conception de convertisseurs statiques à embarquer au sein de futurs avions plus électrique. Dans le deuxième chapitre, une analyse fonctionnelle et dysfonctionnelle de certaines architectures adaptées à une application de type CISACS est effectuée. Trois architectures sont considérées : structure classique à N convertisseurs, une architecture mono-convertisseur-aiguilleur et une structure d'un convertisseur matriciel. Dans le troisième chapitre, nous proposons une méthodologie de pré-dimensionnement progressif de convertisseurs statiques par optimisation sous contraintes multi-physiques. Grâce à cette méthodologie, le choix des composants actifs et passifs est automatisé. Afin d'affiner le pré-dimensionnement de la structure de puissance retenue, nous proposons dans le dernier chapitre une méthodologie de placement-routage des semi-conducteurs de puissance sur dissipateur plan. La modélisation mise en oeuvre fait intervenir les aspects électrique-thermique-géométrique du système.

L'électronique de puissance est aujourd'hui une discipline en plein essor, notamment grâce aux nouveaux champs d'applications liés au développement durable et aux énergies renouvelables. Ses bases reposent sur plusieurs décennies d'activités de recherche et développement, que l'auteur expose dans ces pages. Cet ouvrage offre en effet un large exposé sur les structures élémentaires de la conversion statique. Son objectif consiste à proposer une démarche d'analyse et de conception reposant sur une méthode d'étude systématique, et non pas à présenter une simple liste exhaustive des convertisseurs statiques. Fort de cette méthodologie, les montages de base de l'électronique de puissance sont exposés dans le détail, et complétés d'une introduction à la conversion multiniveau. Accompagné d'un CD-Rom d'exercices animés et résolus, cet ouvrage est en premier lieu destiné aux étudiants électriciens ainsi qu'à leurs professeurs. Il constitue en outre une bonne introduction à l'électronique de puissance pour toutingénieur souhaitant s'initier à cette matière.

Depuis plusieurs decennies, la modelisation moyenne de convertisseurs statiques a fait l'objet de nombreuses etudes. En effet, nous avons interet a transformer le systeme original en un systeme continu qui represente macroscopiquement au mieux les comportements dynamiques et statiques du circuit, notamment en vue d'une etude systeme. Cependant, la modelisation moyenne peut s'averer laborieuse des que le nombre de semi-conducteurs du convertisseur devient important. Dans cette perspective, ce travail presente un nouvel outil d'aide a la generation automatique de modeles exacts et moyens dans le cas de la conduction continue et/ou discontinue et en partant d'un a priori sur le fonctionnement du convertisseur a etudier: la description du circuit, le mode de fonctionnement et la commande du convertisseur statique. La conception d'un tel outil repose sur trois etapes principales et qui sont l'analyse topologique du circuit, le calcul des matrices d'etat pour chaque configuration du convertisseur statique et enfin une mise en equations des modeles. Les modeles generes sont sous forme symbolique ce qui permet de les reutiliser dans plusieurs logiciels."

Depuis quelques années, des éléments semi-conducteurs sont apparus, permettant la réalisation de nouveaux montages de convertisseurs statiques. Ce livre tient compte de cette évolution et forme un complément aux bases générales de l'électronique de puissance. Il présente les développements récents dans ce domaine, montre différentes applications des convertisseurs statiques et leur incorporation dans des systèmes automatiques. Il présente également des méthodes liées soit à la commande des semi-conducteurs de puissance, soit à la commande des convertisseurs statiques, de plus en plus réalisée par des moyens digitaux

L’électronique de puissance étant désormais incontournable dans tous les domaines, l’ouvrage en développe le cadre pour un large public, du débutant souhaitant se faire une idée des grands principes, à l’ingénieur confirmé. Le livre décrit et modélise le plus fidèlement possible la réalité observable, avec l’objectif d’en tirer le meilleur parti. L’auteur privilégie les raisonnements physiques rigoureux au détriment de tout développement mathématique complexe. C’est ainsi qu’il présente la genèse, l’évolution logique et les perspectives de l’électronique de puissance. Il fournit des méthodes d’analyse performantes et il introduit de nouveaux concepts à propos du couplage inductif. De nombreux modèles originaux, électromagnétiques et thermiques, émaillent ce récit. Il y est question de convertisseurs, de commutation douce, de transformateurs et autres composants magnétiques, de matériaux magnétiques, de modes de bobinage (planar, feuillard, fil de Litz). Un programme permettant de chiffrer les pertes et le schéma équivalent d’un transformateur est proposé pour les cas difficiles.

Certaines applications de l'électronique de puissance nécessitent des convertisseurs statiques possédant de bonnes performances dynamiques. C'est pourquoi ce travail de thèse consiste à évaluer de manière systématique ces performances dynamiques, pour ensuite les optimiser. Dans un premier temps, nous posons plusieurs critères destinés à évaluer les performances dynamiques des convertisseurs statiques commandés en boucle ouverte, en modulation de largeur d'impulsion. Puis nous utilisons ces critères pour comparer les performances obtenues avec deux stratégies différentes de MLI associées à un onduleur 4 niveaux. Une stratégie optimisée de MLI est alors envisagée et simulée. Le deuxième volet de cette thèse est consacré à la mise au point d'une nouvelle commande en mode courant des convertisseurs multicellulaires, à fréquence de découpage imposée. Les performances dynamiques obtenues avec cette commande sont évaluées, puis la réalisation expérimentale de cette commande est détaillée.

CONCEPTION DE LA METHODE DE SIMULATION: CHOIX D'UN MODELE POUR LES COMPOSANTS ET POUR LE CONVERTISSEUR. CONSTRUCTION D'UN PROGRAMME DE SIMULATION NUMERIQUE. EXTENSION AUX SYSTEMES CONVERTISSEUR STATIQUE-MACHINE.

L'électronique de puissance a connu un développement important en grande partie grâce à des améliorations technologiques conséquentes sur les composants actifs de puissance mais aussi sur les techniques de câblages. Les performances ainsi acquises en terme de puissance volumique se paient malgré tout par des problèmes de compatibilité électromagnétique apparaissant au sein des convertisseurs statiques. Ces problèmes se traduisent avant tout par une interaction entre la partie puissance et la partie commande du convertisseur. Au lieu de résoudre ces problèmes une fois le prototype effectué, il est souhaitable de les considérer dès la conception. Le processus de l'interaction puissance-commande est mis en évidence par une décomposition désormais classique : source, chemin et victime. Chacun de ces éléments est ensuite modélisé. Il est ainsi possible d'effectuer une simulation fine des convertisseurs statiques qui intègre les éléments parasites introduits par le caractère non idéal des différents éléments. Si la simulation fine est un objectif important, elle ne permet cependant pas de dégager des règles de conception. En effet, dans le processus de la simulation fine, on part de données technologiques (telles que la géométrie du circuit, le choix des composants actifs...). Ce type de données est mis sous forme de modèles dont le comportement temporel est issu de la simulation. La méthodologie consiste, à partir d'un civière de bon fonctionnement et en s'appuyant sur la simulation fine, d'obtenir des contraintes sur certains des paramètres des modèles. Ces contraintes constituent en fait des règles de conception qui peuvent être ensuite insérées dans un système expert. Cette méthodologie est ici appliquée pour tenter de résoudre certains problèmes d'interaction puissance-commande dans les convertisseurs statiques. Cette opération est possible par l'élaboration de modèles inversibles donc simplifiés du processus de l'interaction puissance-commande. La recherche de règles de conception selon d'autres critères que l'interaction puissance-commande est aussi envisageable à l'aide de cette méthodologie.

L'utilisation des plusieurs sources d'énergies de caractéristiques différentes, à bord du véhicule électrique VE) nécessite l'adoption de convertisseurs statiques. Ces derniers peuvent avoir la fonction de conditionneur 'énergie des différentes sources et/ou commander les machines électriques du véhicule.Généralement les VE disposent d'un bus continu « de quelques centaines de volts » dont la stabilité est assurée par un groupe de convertisseurs élévateurs de tension (du fait que les sources ont généralement un niveau de tension faible ; quelques dizaines de volts). Lors des démarrages/arrêts très fréquents du VE en mode urbain, les sources pourraient alimenter directement le moteur de traction sans avoir recours aux convertisseurs élévateurs de tension. Afin d'exploiter cette fonctionnalité, nous proposons d'explorer une deuxième architecture de convertisseur basée sur l'adoption d'un niveau de tension variable du bus continu. Dans cette approche, la tension minimale de ce dernier est fixée en fonction des niveaux de tensions disponibles du côté des sources et de la vitesse requise (niveau des f.é.m du moteur de traction). Ainsi, le rapport variable d'élévation de la tension est minimal à faible vitesse du véhicule en mode urbain et il est maximal à grande vitesse, en modes route et autoroute. Ceci apportera une amélioration du rendement énergétique de l'ensemble sources-moteurs notamment en mode urbain. Par ailleurs, l'utilisation grand public de ces véhicules exige des contraintes maximales de disponibilité (continuité de service) des fonctions principales notamment l'alimentation embarquée. A travers le travail de cette thèse nous proposons une nouvelle topologie du convertisseur de puissance entre les sources (une Pile à combustibles associée à un pack de super-condensateurs) et les charges (moteur de traction et réseau de bord alimentant les auxiliaires du véhicule). Ce convertisseur adopte une tension variable du bus continu et une redondance de l'alimentation du moteur de traction. Après la présentation du convertisseur proposé et son positionnement par rapport à la littérature, une analyse du fonctionnement et la modélisation de sa partie DC-DC est détaillée notamment à travers des résultats de simulation de ses différents modes. A ce titre un programme de simulation fine (à l'échelle des impulsions de commande) du système entier a été développé. Dans un deuxième temps, la commande automatique et rapprochée des interrupteurs de puissance a été développée en se basant respectivement sur la méthode de contrôle par petits signaux et la commande hystérésis de courant, triangulaire-rapport cyclique et triangulaire-sinus. Les résultats de simulation des fonctionnalités principales attendues mettent en évidence la faisabilité de l'architecture du convertisseur de puissance proposée. Enfin, une maquette expérimentale à échelle réduite a été développée dans le but de valider l'étude théorique. Les premiers tests expérimentaux de la partie DC-DC du convertisseur donnent des résultats satisfaisant et valident ainsi le processus de conception. Le travail futur sera la réalisation d'une maquette à échelle 1 dans laquelle la conception du refroidisseur sera intégrée en amont de la réalisation du plan de masse dudit convertisseur. Nous pensons que cela permettra une meilleure optimisation de l'espace à bord du véhicule et améliorera le rendement énergétique de la chaine de traction.