Thèses Equipe Electronique de Puissance

1. "Hybridation de batteries puissance-énergie avec convertisseur de couplage à dimensionnement réduit : Application aux véhicules électriques urbains"
   Caio Augusto FONSECA DE FREITAS, Thèse, Juin 2023, url, résumé

   Le véhicule électrique (VE) est un mode de transport en plein essor du fait des contraintes environnementales. Son développement est étroitement lié à l’évolution des technologies de batteries : on leur demande d’être plus efficientes, moins coûteuses et également moins dépendantes de matériaux critiques tels que le lithium et le cobalt. Dans les VE actuels, l’autonomie est un point critique et les constructeurs ont tendance à privilégier des autonomies largement supérieures aux besoins réels de déplacement. Ce choix favorise l’utilisation de batteries de type énergie (EB) possédant une forte densité d’énergie (ED), mais une densité de puissance (PD) limitée. Ce type de batterie est parfaitement adapté aux grandes autonomies, la faible PD étant compensée par une masse importante de batterie embarquée. Ainsi, ces VE sont capables de supporter des dynamiques de puissance élevées : fortes accélérations, freinage électrique efficace. Si on veut démocratiser l’utilisation du VE, tout en limitant l’impact sur l’environnement, d’autres solutions doivent être envisagées. Une des clés principales est le développement de VE plus légers avec une autonomie raisonnable. Mais si l’EB est plus petite, sa PD limite alors la dynamique du véhicule et surtout son freinage récupératif. Les systèmes hybrides de stockage d’énergie (HESS – Hybrid Energy Storage System) peuvent résoudre ce problème. Ils combinent deux sources de stockage : une première à forte ED, associée à une seconde à forte PD. De plus, ces HESS permettent de pouvoir mixer et donc diversifier les technologies de stockeurs d’énergie. Leur principal défaut est de nécessiter la présence de convertisseurs d’électronique de puissance afin de répartir la puissance du véhicule entre les deux sources du HESS. Cette masse supplémentaire dégrade les performances du HESS en densité d’énergie et de puissance. Il est donc nécessaire de réduire autant que possible la masse de ce convertisseur supplémentaire. L’objet de cette thèse est l’étude du dimensionnement du couple EB-PB associé à un convertisseur DC-DC à puissance de dimensionnement réduite comparativement aux solutions traditionnelles. Afin d’étudier le système HESS complet, une méthode de dimensionnement du couple de batteries EB-PB est proposée. Ensuite, en vue de réduire la masse du convertisseur de couplage, deux architectures originales de HESS sont proposées : une architecture série et une architecture cascade à source de courant contrôlée. Elles ont pour objectif la réduction de la puissance transitée dans le convertisseur de couplage. Ces architectures nécessitent l’utilisation d’un convertisseur similaire, à savoir un DC/DC isolé, dont les contraintes électriques dépendent de l’architecture choisie. Afin d’évaluer la puissance de dimensionnement du convertisseur, une stratégie de gestion d’énergie adaptée à chaque architecture est proposée et utilisée. Ces stratégies permettent de dimensionner en puissance le convertisseur de couplage selon le couple de batteries choisies en simulant le cycle de conduite. Les simulations valident le dimensionnement du HESS complet : EB, PB et DC-DC isolé. Elles montrent ainsi que la puissance de dimensionnement peut être réduite de plus de 90% par rapport à une architecture de couplage classique. Les deux architectures de couplages sont ensuite validées en laboratoire sur un banc expérimental.

1. "Fabrication et caractérisation de transistors HEMT et de diodes à base de GaN pour la conversion de tension DC-DC en électronique de puissance"
   Quentin FORNASIERO, Thèse, Décembre 2022, url, résumé

   Résumé
   Ce travail de thèse s’inscrit dans une problématique constante d’intégrabilité des systèmes électroniques à fortes densités de puissance et à haut rendement pour l’électronique de puissance dans les secteurs civil, industriel et militaire: transports individuels et urbains, aéronautique et spatiale, high-tech. En cela, le Nitrure de Gallium (GaN) est un matériau couvrant une large étendue d’applications. C’est un candidat idéal pour le remplacement de la filière Silicium dont les limites sont aujourd’hui atteintes. Sa robustesse en milieu hostile - face à des températures extrêmes de plus de 200 °C, ou sous fort niveau de radiation - et ses propriétés de conduction électrique et thermique exceptionnelles en font un matériau de premier choix pour une nouvelle génération de composants pour l’électronique de puissance. Aujourd’hui, le principal verrou technologique s’opposant à son essor sur le marché est induit par des mécanismes complexes de piégeages des porteurs de charges électriques, limitant les performances en commutation à haute tension. Ainsi, les objectifs de cette thèse consistent en la réalisation conjointe de diodes et de transistors HEMT de puissance sur hétérojonction AlGaN/GaN, plus spécifiquement adaptés aux systèmes de conversion de tensions DC-DC. Le développement d’un procédé de fabrication de technologies normally-off est au cœur de ce travail, notamment les procédés de traitement de surface AlGaN par plasma SF6 et de dépôt d’oxyde pour la réalisation de grille MOS. Enfin, la caractérisation électrique et physique des composants et des hétérostructures à base de GaN apport des informations essentielles à la compréhension des mécanismes de transport des charges électriques en vue de l’optimisation des procédés de développement technologique dédiés à l’électronique de puissance.
   Abstract
   This thesis work fits into a constant need of integrability of high power and high efficiency systems dedicated to power electronic, in civil, industrial and military fields: individual and urban transports, aeronautics and space, high-tech… In this frame, Gallium Nitride-based (GaN) material covers a wide application range, and is set as an ideal candidate in order to replace the silicon industry, which reached its theorical limits. This material ruggedness in hostile environments – high temperature over 200°C, or high level radiative environment – and its great electrical and thermal conductivity set GaN in a leading place for the emerging of novel power electronic devices. Nowadays, the main technological lock regarding GaN systems industrial expansion is induced by hard charge-trapping mechanisms limiting switching performance at high voltage. Thus, the objectives of this thesis work consist in the simultaneous fabrication of GaN-based diodes and HEMT transistors on AlGaN/GaN heterojunction, specifically dedicated to DC-DC voltage conversion for supply systems. The main topic of this work is to elaborate the development process steps of normally-off devices, especially the SF6 plasma for AlGaN surface treatment and oxide deposition for MOS-gated HEMT process. Then, electrical and physical characterization of GaN-based devices and heterostructures bring an enhanced feedback for comprehensive carrier transport mechanisms, and thus, technological optimization for power electronic devices.

2. "Modélisation des effets capacitifs des bobines simple couche et choix du matériau magnétique du noyau pour le dimensionnement des filtres CEM"
   Florentin SALOMEZ, Thèse, Novembre 2022, url, résumé

   Le sujet de thèse porte sur l’étude des composants magnétiques utilisés dans les filtres de perturbations
   électromagnétiques des convertisseurs d’électronique de puissance. Il est bien connu que les convertisseurs
   statiques sont des sources de perturbations conduites qu’il faut réduire afin de respecter les normes
   de compatibilité électromagnétique (CEM). Une des solutions couramment utilisée pour réduire ces
   perturbations est l’installation de filtres CEM entre le convertisseur et le réseau électrique. La première
   partie du manuscrit est dédiée à la présentation du contexte de la thèse, avec la problématique de la CEM
   et les solutions de filtrage. Dans la seconde partie, nous présentons la modélisation de l’impédance de la
   bobine de mode commun du filtre CEM, avec la prise en compte des comportements à haute fréquence,
   pour son dimensionnement. Ainsi, un modèle des propriétés magnétiques basé sur l’équation de Debye
   est proposé, auquel est ajouté pour les ferrites, de type Mn-Zn, un modèle de capacité matériau d’ordre
   fractionnaire. Dans la troisième partie, la capacité parallèle équivalente (CPE) est calculée à partir des
   capacités élémentaires, tore-spire et inter-spires, déterminées par la méthode des éléments finis en deux
   dimensions, en tenant compte de la courbure des spires. Dans la dernière partie, le modèle de l’impédance
   de la bobine de mode commun est utilisé pour le dimensionnement d’un filtre de mode commun. Les
   résultats obtenus montrent que la conception à l’aide des modèles proposés permet l’optimisation du volume
   de la bobine. Finalement, l’application de cette méthode a permis de définir un indicateur permettant le
   choix du matériau magnétique qui minimise le volume de la bobine.
   
   Mots clés : électronique de puissance, compatibilité électromagnétique, filtre CEM, bobine de mode
   commun, capacités parasites, optimisation du volume
   This thesis is about the study of the magnetic components used in the electromagnetic interference filters of
   power electronics converters. It is well known that static converters are sources of conducted disturbances
   that must be reduced in order to comply with electromagnetic compatibility (EMC) standards. One of
   the solutions commonly used to reduce these disturbances is the installation of EMI filters between the
   converter and the power network. The first part of the manuscript is dedicated to the presentation of the
   context of the thesis, with the EMI problematic and the filtering solutions. In the second part, we present
   the modelling of the impedance of the common mode choke of the EMC filter, taking into account the high
   frequency behaviour, for its sizing. Thus, a model of the magnetic properties based on the Debye equation
   is proposed, to which a fractional order capacitance is added to model the material capacitance of Mn-Zn
   ferrites. In the third part, the equivalent parallel capacitance (EPC) is calculated from the elementary
   turn-core and inter-turns capacitances, determined by the two-dimensional Finite Element Method (FEM),
   taking into account the turn curvature. In the last part, the common mode choke impedance model is used
   to design a common mode filter. The results obtained show that the design using the proposed models
   allows the optimisation of the choke volume. Finally, the application of this method has made it possible to
   define indicators for the choice of magnetic material that minimises the choke volume.
   
   Keywords: power electronics, electromagnetic compatibility, EMC filter, common mode choke, parasitic capacitances, volume optimization

1. "Méthodes de modélisation CEM de l’électronique de puissance appliquées au domaine automobile"
   Stéphane VIENOT, Thèse, Mai 2021, url, résumé

   La réduction des émissions polluantes est un élément clé pour le futur du transport automobile. Pour cela, des systèmes électriques peuvent être utilisés en complément du moteur à combustion interne afin de rendre les véhicules hybrides. La solution étudiée est le système alternateur, qui peut devenir réversible grâce à de nouvelles structures d’électronique de puissance. Dans ce contexte, les travaux de thèse portent sur la compatibilité électromagnétique permettant de garantir l’intégration de ces systèmes dans l’environnement électrique complexe du véhicule.
   L’objectif des travaux est de développer des outils de modélisation prédictifs permettant de déterminer les niveaux de perturbations électromagnétiques générés par les systèmes d’électronique de puissance. Ces modèles permettent de décrire les sources de perturbations et les mécanismes de couplages à l’origine des émissions conduites. Cela permet d’étudier puis de proposer des solutions afin de respecter les contraintes normatives de compatibilité électromagnétique.
   Les travaux réalisés portent sur le développement d’outils et de méthodes pour la modélisation des couplages parasites, la caractérisation des composants actifs et passifs ainsi que la prise en compte de la chaine d’acquisition. Les modèles obtenus sont ensuite appliqués à la simulation des émissions conduites d’un alternateur automobile. Afin de réduire les durées de simulation, nous avons travaillé sur des simulations dans le domaine fréquentiel avec la méthode MTES (Multi-Topology Equivalent Sources) développée au L2EP. L’objectif est d’améliorer la représentativité des sources de perturbations et des impédances des convertisseurs statiques de types hacheurs et onduleurs.

1. "Caractérisation et Modélisation de Composants GaN pour la Conception des convertisseurs statiques haute fréquence"
   Loris PACE, Thèse, Novembre 2019, url, résumé

   La montée en fréquence de commutation des transistors de puissance à base de Nitrure de Gallium (GaN) présente une avancée technologique conduisant à la réduction de la taille, du poids et du volume des systèmes de conversion de l’énergie. En effet, les propriétés physiques des transistors de type HEMT basés sur l’hétérostructure AlGaN/GaN présentent un fort potentiel pour le développement de convertisseurs statiques haute fréquence. Avec l’augmentation toujours croissante de la part de l’électronique de puissance dans les systèmes électriques actuels, cette filière technologique, associée à la filière du Carbure de Silicium (SiC), vise aujourd’hui à remplacer progressivement les composants de puissance à base de Silicium (Si) notamment pour des raisons de tension de claquage élevée, de robustesse vis-à-vis des conditions sévères de fonctionnement et d’intégration de puissance.
   La conception optimale des convertisseurs haute fréquence implique une connaissance précise du fonctionnement des composants de puissance au sein de ces systèmes. Ainsi, la conception de ces dispositifs repose sur des étapes d’analyse et de simulations menées à partir des modèles des semi-conducteurs de puissance et des éléments environnants. L’objectif de ce travail de thèse est de proposer une méthodologie de modélisation comportementale de transistors de puissance GaN en boitier basée exclusivement sur des méthodes de caractérisation non-intrusives.
   Les techniques de caractérisation électriques utilisées pour la modélisation de transistors fonctionnant en gammes radiofréquences, telles que la mesure des paramètres S ou les mesures courant/tension en régime pulsé, sont ici adaptées à la caractérisation du transistor de puissance GaN encapsulé. A partir des résultats de caractérisation, les différents éléments linéaires et non linéaires du modèle électrique du transistor sont obtenus et un modèle électrique complet rassemblant ces éléments est implémenté dans le logiciel de simulation ADS. Un banc de test Double Pulse est alors conçu afin de mettre en application le modèle électrique développé. Après modélisation de l’environnement du transistor, y compris du circuit imprimé, les résultats de simulation des formes d’onde de commutation sont confrontés aux résultats expérimentaux.
   Afin de tenir compte des effets de la température sur le fonctionnement du transistor, une méthodologie est proposée permettant d’obtenir le modèle thermique du composant à partir de mesures de puissance dissipée et d’une procédure d’optimisation. À partir du modèle obtenu, un convertisseur DC/DC utilisant le transistor GaN modélisé a été conçu et réalisé. Les résultats de simulation des formes d’onde de commutation sont confrontés aux résultats expérimentaux pour différentes températures de fonctionnement du transistor et une prédiction du fonctionnement en continu du convertisseur est réalisée.

2. "Conception et réalisation des bobines PCB à base de matériau magnétique souple pour des convertisseurs HF"
   Ammar CHAFI, Thèse, Octobre 2019, url, résumé

   L'arrivée sur le marché des transistors au Nitrure de Gallium (GaN) permet l'augmentation de la fréquence de commutation des convertisseurs statiques. La conséquence directe est la réduction des dimensions des composants passifs et l'augmentation de la densité de puissance des convertisseurs. Les bobines utilisées pour le stockage et le filtrage sont des composants très volumineux et qui occupent une place importante dans les convertisseurs. Une solution permettant de réduire les dimensions de ces bobines consiste à augmenter la fréquence de fonctionnement des convertisseurs statiques grâce aux composants GaN. Les travaux de cette thèse portent sur la conception et la réalisation des bobines de stockage d'énergie, réalisées à partir de pistes de circuit imprimé (PCB) et de matériaux magnétiques souples. Ces bobines sont destinées aux convertisseurs DC-DC hautes fréquences (HF) à base de transistors GaN. Les matériaux magnétiques souples commercialisés sous forme de feuilles présentent des caractéristiques magnétiques adaptées aux applications hautes fréquences. Ainsi, elles peuvent être découpées en différentes formes géométriques. Dans le cadre de cette thèse, nous avons proposé une méthode de conception des bobines PCB à base de matériaux souples pour les convertisseurs HF. Elle est basée sur un algorithme d'optimisation du volume de la bobine en prenant compte les contraintes thermiques du matériau magnétique, mais également des capacités parasites qui apparaissent en HF. La bobine ainsi conçue est réalisée puis caractérisée afin de valider l’outil de conception proposé. La dernière étape consiste à intégrer la bobine obtenue dans un convertisseur Boost synchrone à base de transistors GaN commutant à une fréquence de 1 MHz. Dans le but de tenir compte finement des contraintes thermiques durant la phase de conception de la bobine, des améliorations sont proposées, on se basant sur les résultats de validation expérimentale.

3. "A DC-DC power converter study for High Voltage Direct Current (HVDC) grid: Model and control of the DC-DC Modular Multilevel Converter (M2DC)"
   Yafang LI, Thèse, Juillet 2019, url, résumé

   This work is based on Multi Terminal Direct Current (MTDC) grids. In the MTDC grid, DC/DC converter stations are needed to connect different HVDC grids. A lot of DC/DC converters have been studied and developed, but are not suitable for high voltage and great power constraints. Therefore, the objective of this work is the study of a DC/DC converter for high voltage and great power applications. For the potentially HVDC applications, the volume and costs are major criteria. According to this, a high voltage and great power potential DC/DC converter is selected, which is the Modular Multilevel DC-DC Converter (M2DC).
   Focusing on the M2DC, the work proposes analyses in steady state and builds an average model for the converter. Based on the average model, the basic control algorithm for the converter is developed to validate the previous analysis. Since the thesis aims to use the existing L2EP Modular Multilevel Converter (MMC) to test the M2DC model and control, a design of the M2DC based on MMC is proposed. Finally, the M2DC HIL (Hardware In-the-Loop) simulations results are presented confirming previous analyses and allowing to go on to prototyping the M2DC on the base of the existing MMC.

1. "Méthode d’optimisation du volume des bobines de mode commun pour la conception des filtres CEM"
   Bilel ZAIDI, Thèse, Novembre 2018, url, résumé

   Les convertisseurs statiques utilisés en électronique de puissance sont des sources de perturbations électromagnétiques conduites dans les hautes fréquences. Souvent, le filtrage passif assure la compatibilité électromagnétique des chaînes de conversion d’énergie. Ce travail de thèse présente une méthode d’optimisation du volume de la bobine de mode commun qui est généralement l’élément le plus volumineux du filtre. Le manuscrit commence par faire l’état de l’art des perturbations électromagnétiques conduites en électronique de puissance et des moyens qui permettent leur réduction. Ensuite, un calcul analytique de l’inductance de mode commun minimale qui permet de respecter la contrainte normative est présenté. Ce calcul prend en considération la perméabilité complexe du matériau magnétique et les impédances des différents chemins de propagation des perturbations de mode commun dans la chaîne de conversion. Une fois l’inductance minimale calculée, une méthode d’optimisation du volume de la bobine de commun monocouche qui tient compte de la saturation du matériau magnétique est présentée. L’application de la méthode proposée dans diverses situations a montré l’existence d’une meilleure inductance, pouvant être supérieure à sa valeur minimale, qui permet de réduire au mieux le volume de la bobine. Par ailleurs, des règles de dimensionnement en relation avec la fréquence de commutation du convertisseur et de son rapport cyclique sont définies. La dernière partie de cette étude est dédiée à la prise en compte des effets hautes fréquences de la capacité parasite équivalente de la bobine dans la procédure de dimensionnement. D’abord, une méthode pour la détermination des permittivités relatives du noyau magnétique et pour l’estimation de la capacité parasite équivalente est proposée. Cette méthode, accompagnée d’un calcul analytique de la capacité parasite maximale autorisée, permet d’adapter la géométrie de la bobine de mode commun afin de respecter la contrainte normative dans les hautes fréquences tout en optimisant son volume.

2. "Modélisation thermique des composants magnétiques planar pour l’électronique de puissance"
   Reda BAKRI, thèse, Juin 2018, url, résumé

   this research aims to provide suitable thermal models for planar magnetics components
   (PMC). First, high frequency losses (copper and core losses) issues are detailed, which are heat
   sources in PMC. Then, a state of the art of magnetic component thermal modeling is presented. To
   meet various needs of designers, two types of thermal models have been developed. A first
   analytical model, based on thermal resistance that enables to estimate temperature rise in the early
   design stage, is proposed. Its distinguishing feature is to take into account ambient temperature and
   loss values, in order to achieve an optimal design of PMC according to operating conditions.
   To compute 3D temperature distribution inside the component, and detect potential hotspots, a
   second model based on nodal thermal network (NTN) has been developed. It deals with permanent
   and transient cases, with different types of boundary conditions. The two models have been
   validated with numerical simulations and measurements on planar transformers laboratory
   prototypes.
   
   les travaux présentés ont pour objet de développer des modèles thermiques adaptés aux
   composants magnétiques planar (CMP). Après avoir détaillé la problématique des pertes en hautes
   fréquences (cuivre et fer), source d’échauffement dans les CMP, un état de l’art des différentes
   approches utilisées pour la modélisation thermique des composants magnétiques est présenté.
   Ensuite, pour répondre aux besoins des concepteurs, deux types de modèles thermiques sont
   proposés. Le premier, de type analytique, basé sur résistance thermique équivalente, permet
   d’évaluer l’échauffement d’un composant lors de la phase de pré-dimensionnement. Ce modèle a la
   particularité de tenir compte de la température ambiante et des pertes pour assurer un meilleur
   dimensionnement des CMP selon les conditions de fonctionnement. Pour déterminer la distribution
   3D de température au sein du composant et détecter d’éventuels points chauds, un second modèle de
   type réseau thermique nodal (RTN) a été développé. Ce modèle est généré automatiquement à partir
   de la description géométrique du composant. Il permet, de plus, d’étudier les régimes permanent et
   transitoire, tout en s’adaptant aux différents types de conditions aux limites. Ces deux modèles sont
   validés par simulations numériques et par des mesures sur des prototypes de transformateurs planar
   conçus en laboratoire.

1. "Modélisation et conception de transformateurs planar pour convertisseur de puissance DC/DC embarqué"
   Jean Sylvio NGOUA TEU MAGAMBO, CENTRALE LILLE, Décembre 2017, url, résumé

   Confidentielle
   
   Ces travaux de thèse s’inscrivent dans la problématique de développement de transformateurs planar pour l’intégration de puissance, dans le contexte de l’avion plus électrique (More Electric Aircraft – MEA) où les contraintes de volume et de poids sont primordiales. Les composants magnétiques restent en effet un frein à l’intégration des systèmes d’Electronique de Puissance et les composants planar (transformateurs et inductances) offrent une alternative intéressante aux composants bobinés pour la réduction de la masse et de l’encombrement des convertisseurs.
   Dans ce manuscrit, des méthodes, un outil de dimensionnement et des prototypes de transformateurs planar (2 et 3 enroulements) en technologie feuillard et PCB sont développés pour des applications de convertisseur DC/DC aéronautique. Dans un premier temps, les modèles permettant le calcul des pertes, l'estimation de l'élévation de température et le calcul de l’inductance de fuite sont présentés et comparés afin de concevoir des outils de calculs pour la conception. Dans un deuxième temps, il est montré que la modification de la forme des angles des spires rectangulaires permet de réduire significativement les pertes cuivre HF. Sur la base de ces outils et résultats, des prototypes de transformateurs planar à 3 enroulements en PCB multicouches sont développés. De nombreux prototypes sont caractérisés et valident les modèles de dimensionnement proposés. Enfin, l’un de ces prototypes est intégré et testé dans un convertisseur de puissance DC/DC de 3.75kW mettant en évidence les gains obtenus.

1. "Convertisseur à dimensionnement réduit pour batteries hybridées puissance/énergie de véhicule électrique : principe de source de courant contrôlée"
   Nicolas ALLALI, CENTRALE LILLE, Décembre 2016, url, résumé

   Titre de la thèse : Convertisseur à dimensionnement réduit pour batteries hybridées
   puissance/énergie de véhicule électrique : principe de source de courant contrôlée.
   Résumé : Ce mémoire présente une solution de conversion d’énergie permettant de coupler
   deux sources de tension électrique similaire à dimensionnement réduit. Appliqué à un système
   de stockage hybridé puissance/énergie pour véhicule électrique, cette solution présente un
   compromis de coût de production, de masse et de rendement énergétique meilleur que celui
   des hacheurs classiques. Nous proposons en réponse à cette problématique l’utilisation d’une
   source de courant contrôlée placée en série avec les deux sources de tension pour réaliser leur
   couplage. Une structure de convertisseur permettant ce couplage est étudiée, puis comparée
   à une structure classique, et enfin réalisée au travers d’un démonstrateur à échelle de tension
   réduite afin de mettre en évidence ses avantages et inconvénients.
   Mots clefs : Stockage hybride, électronique de puissance, hacheur, véhicule électrique,
   dimensionnement réduit, source de courant.
   Thesis title: Reduced sizing converter for hybrid batteries power/energy of electric vehicle:
   controlled current source principle.
   Abstract: This thesis deals with the development of a power conversion solution, allowing
   for the coupling of two similar voltage sources. Applied to a combined battery storage system
   power/energy for electric vehicles, the proposed solution presents a compromise between
   production costs, mass and energy performance, providing a better solution than those currently
   in existence. As such, the two voltage sources are coupled in series with a controlled
   current source. A structure of the converter allowing the coupling is studied and compared
   to a classic structure. Finally a demonstrator on a reduced voltage scale has been realized
   and shows advantages of this converter solution.
   Keywords: Hybrid storage, power electronics, DC/DC converter, electric vehicle, reduced
   sizing, current source.

2. "Modélisation et Commande des Convertisseurs MMC en vue de leur Intégration dans le Réseau Electrique"
   Shabab SAMIMI, Centrale Lille, Novembre 2016, url, résumé

   0
   C. CABLE
   C.1. Cable data
   Each DC transmission is associated with two cables, one for the positive pole and one for
   the negative pole. They are buried beneath the ground. Electrical data are calculated thanks to the
   EMTP-RV® routine, main parameters are summarized in Table C-1.
   Table C-1 : Cable parameters (calculated at 10 µHz)
   Cable 320 kV 2500 mm² Cable 320 kV 500 mm²
   Cable section [mm²] 2500 500
   Nominal current [A] 1800 – 2700 700 – 1100
   Core resistance [mΩ/km] 5.3 3.1
   Screen resistance [mΩ/km] 60.2 88.2
   Core inductance [mH/km] 3.6 3.8
   Screen inductance [mH/km] 3.5 3.6
   Core-screen mutual inductance [mH/km] 3.5 3.6
   Core-to-ground conductance [µS/km] 0.06 0.04
   Core-to-ground capacitance [µF/km] 0.24 0.15
   Modular Multilevel Converter Model and Control for the integration to the grid
   system
   ABSTRACT
   In future, the capability of the electric power transmission continues to grow due to renewable
   energy production and the needs of electrical market. Consequently many HVDC transmission systems are
   developed. Definitely the power electronic interfaces will play a key role to provide high reliability, good
   efficiency and cost effectiveness for this AC/DC conversion. Recently, the Modular Multilevel Converter
   (MMC) has taken the advantage over the more classical converter as three-level VSC. Since MMC topology
   is complex, two different control levels may be distinguished: the control of the switches mainly orientated
   on the balance of hundreds of voltage on the elementary submodules, the higher level control whose aim is
   to control the currents, power and energy in the system. This thesis is oriented mainly on the latter. It
   discusses a hierarchical and formal approach for the MMC to control the energy in all the storage elements.
   At first it is shown that an energy control is required mandatory. Secondly, it supposes to develop an
   energetic model which is inverted to design the energy control. Then different solutions of control have
   been developed and discussed. In the majority of applications, MMC is integrated in an HVDC point to
   point link where the two AC/DC substations have different roles. A specific attention has to be paid on the
   station which controls the voltage since the way to manage the energy in the MMC has a critical role in the
   DC voltage stability. Finally, all these types of control have been tested and discussed on an HVDC. It is
   shown that the exchange between the DC bus and the MMC placed on both sides play a key role in the DC
   bus voltage regulation
   KEYWORDS: Modular Multilevel Converters, energy and Power Control, Modeling, High Voltage Direct
   Current (HVDC),
   Modélisation et Commande des Convertisseurs MMC en vue de leur Intégration
   dans le Réseau Electrique
   RESUME:
   Le système de transport d’électricité doit évoluer pour satisfaire les besoins du marché de
   l’électricité et de l’insertion de la production renouvelable. Les systèmes de transport dits HVDC se
   développent. Les interfaces d’électroniques de puissance vont jouer un rôle majeur et doivent faire preuve
   d’une extrême fiabilité, d’une grande efficacité et rester économiquement abordables. La technologie
   MMC (Convertisseur Modulaire Multi-niveaux) connaît un essor par rapport à des technologies classiques,
   comme le convertisseur trois-niveaux. Sa topologie étant complexe, deux niveaux de contrôle peuvent être
   définis. Le premier niveau porte sur le contrôle des interrupteurs pour équilibrer les tensions des sousmodules.
   Le second niveau contrôle les courants, la puissance et l’énergie dans le système. Cette thèse est
   axée sur ce deuxième niveau de contrôle. Une approche hiérarchisée et formelle, basée sur l’inversion du
   modèle pour le contrôle de l’énergie du MMC est présentée. Pour ce contrôle, différentes méthodes ont
   été proposées et comparées. Cela implique de développer une modélisation, mettre en place un contrôle.
   Différentes modèles et contrôles ont été développés. Le MMC est généralement intégré dans une liaison
   HVDC où deux stations AC/DC ont un contrôle différent. Un soin particulier doit être apporté à la
   station dédiée au contrôle de la tension. En effet, la gestion de l’énergie dans le MCC est un point critique
   pour la stabilité de la tension. Enfin, les différents types de contrôle évoqués ont été étudiés dans le cas
   d’une liaison HVDC. Il a été montré que les échanges entre le bus DC et les MMC jouent un rôle
   important pour la régulation de la tension du bus DC.
   MOTS CLES : Convertisseur modulaire multiniveau, Contôle de l’enérgie et la puissance,
   Modélisation, Haute Tension Courant Continu (HVDC)

3. "Influence des stratégies de gestion d’une source hybride de véhicule électrique sur son dimensionnement et sa durée de vie par intégration d’un modèle multi-physique"
   Tedjani MESBAHI, CENTRALE LILLE, Mars 2016, url, résumé

   Ce mémoire contribue à l’amélioration des performances d’une source de stockage hybride embarquée alimentant un véhicule électrique. La solution investiguée est composée de l’association de batteries Li-ion et de supercondensateurs, dans le but d’obtenir, par rapport aux solutions classiques, un gain en masse et en durée de vie pour une certaine plage d’autonomie du véhicule. Notre objectif est de mettre à profit l’utilisation de nouvelles méthodes de gestion de la source hybride et de quantifier le gain obtenu. Un modèle multi-physique incluant les aspects électrique, thermique et vieillissement a été développé et intégré dans l’algorithme de gestion d’énergie afin d’évaluer la dégradation progressive des performances des éléments de stockage au cours des cycles de conduite selon la stratégie de gestion implantée. De nouvelles stratégies de gestion ayant pour objectif d’agir sur la durée de vie ont été évaluées. Leur impact sur les performances de la source en termes de masse, coût et durée de vie a pu être quantifié et montre bien que par une meilleure gestion des puissances, il est possible de mieux utiliser le stockeur hybride, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles approches de gestion d’énergie pour ces systèmes.

1. "Stratégie de modulation pour la réduction des perturbations conduites générées par un variateur de vitesse à redresseur MLI"
   Medhi MESSAOUDI, Université Lille 1, Décembre 2015, url, résumé

   Les variateurs de vitesse sont constitués de convertisseurs statiques qui permettent de varier la vitesse de rotation des moteurs électriques triphasés. Cependant, ces convertisseurs sont à l'origine de perturbations électromagnétiques conduites de mode commun. L'objectif de ce travail porte sur la réduction ces perturbations conduites, par l’élaboration d’une nouvelle stratégie de commande basée sur la modulation de largeur d’impulsions (MLI). Cette commande est appliquée à un variateur de vitesse composé d’un redresseur MLI à absorption sinusoïdale. Un état de l’art des solutions d’atténuation des perturbations conduites a été réalisé ; à l’issu duquel, il en résulte que la MLI est une technique intéressante pour la réduction des perturbations de mode commun. Une stratégie de modulation basée sur la méthode de synchronisation des commutations entre redresseur et onduleur, nommée synchronisation totale, a été développée. Dans le but de mettre en avant l’impact de cette méthode sur le niveau des perturbations, une étude des phénomènes relatifs aux commutations des transistors de puissance est menée. Un modèle de représentation simplifié des commutations a permis l’évaluation des performances de la synchronisation totale sur la tension de en mode commun. Cette méthode a ensuite été validée expérimentalement au travers d’un prototype intégrant un algorithme d’application de la stratégie de modulation proposée. Les résultats obtenus ont permis de montrer les avantages de la méthode de synchronisation totale principalement dans la réduction des dimensions des filtres CEM utilisés pour la mise en conformité des variateurs de vitesse.
   Titre traduit
   Conducted common mode disturbances reduction PWM strategy generated by an adjustable speed drive with Active Front End
   
   
   Résumé
   The adjustable speed drives (ASDs) use the static converters that allow varying the speed of the three phase electrical motors. However, these converters are the main source of the common mode conducted emissions. The objective of this research work focuses on the reduction of conducted emissions, through the development of a new control strategy based on pulse width modulation (PWM). This strategy is applied to an adjustable speed drives that is composed from an Active Front End (AFE). A state of art of the different solutions of the reduction of the conducted emissions has been achieved. This study shows that the control strategy (PWM) is a useful technique for reducing common mode interferences. A new PWM strategy allowing the synchronization of all the switching cell of the AFE and inverter has been developed and will be noted "full synchronization". In order to highlight the impact of this method on the conducted emissions, a study of phenomena related to the power transistors' switching is carried out. A simplified model of the switching allowed the evaluation of the performances of full synchronization method on the common mode voltage. This method was then validated experimentally on an ASD prototype using the developed control strategy algorithm. The obtained results show the advantages of the proposed full synchronization method, mainly in the reduction of the dimensions of the EMI filters for compliance with EMC standards.

2. "Battery voltage stabilization system for automotive Stop- Start function: a linear power electronic solution / Système de stabilisation de la tension batterie pour la fonction Stop-Start automobile : solution à composants de puissance commandés en linéaire"
   Guido CHIAPPORI, CENTRALE LILLE, Février 2015, url, résumé

   Cette thèse présente un nouveau système de stabilisation de la tension batterie
   spécialement destinés aux véhicules Stop-Start, économique et compact, nommé LVSS
   (Linear Voltage Stabilization System). Le LVSS se comporte comme une résistance
   variable et limite le courant à l’aide de transistors MOSFET fonctionnant en mode
   linéaire. Il permet donc de stabiliser la tension de la batterie pendant le démarrage du
   moteur à combustion interne (ICE).
   Un prototype a été conçu et testé sur une voiture. Les résultats ont montré que la
   tension était stabilisée tout en limitant le courant de démarrage. De plus la solution
   proposée n’impacte pas sur les performances globales du système Stop-Start et comme
   les transistors fonctionnent en mode linéaire, cette solution n’émet pas de perturbations
   CEM.
   This thesis presents a new Linear Voltage Stabilization System (LVSS)
   specially designed for μ-hybrid vehicles using the Stop-Start function. The LVSS
   stabilizes the battery voltage during the start-up of the Internal Combustion Engine
   (ICE) limiting the start-up current using parallels MOSFETs working in linear mode.
   A prototype was developed and tested in a car. Results have shown the battery voltage
   properly stabilized limiting the start-up current. Furthermore the proposed solution does
   not impact on the overall performance of the Stop-Start. Main advantages are its small
   volume, low price and the fact that there is no EMC perturbation as transistors work in
   linear mode.

1. "Caractérisation et Modélisation des Composants Semi-conducteurs à Grand Gap : Application aux Convertisseurs HF"
   Ke LI, Université de Lille, Octobre 2014, url, résumé

   Les matériaux semi-conducteurs à grand gap tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) ont des propriétés physiques intéressantes. Ils sont utilisés pour fabriquer des composants semi-conducteurs de puissance, qui vont jouer un rôle très important dans le développement des futurs systèmes de conversion d’énergie. L’objectif est de réaliser des convertisseurs avec de meilleurs rendements énergétiques et fonctionnant à haute température. Pour atteindre cet objectif, il est donc nécessaire de bien connaître les caractéristiques de ces nouveaux composants afin de développer des modèles qui seront utilisés lors de la conception des convertisseurs. Cette thèse est donc dédiée à la caractérisation et la modélisation des composants à grand gap, mais également l’étude des dispositifs de mesure des courants des commutations des composants rapides.
   
   Afin de déterminer les caractéristiques statiques des composants semi-conducteurs, une méthode de mesure en mode pulsé est présentée. Dans le cadre de cette étude, une diode SiC et un JFET SiC "normally-off" sont caractérisés à l’aide de cette méthode. Afin de mesurer les capacités inter-électrodes de ces composants, une nouvelle méthode basée sur l’utilisation des pinces de courant est proposée. Elle permet de réaliser des mesures sous tension grâce à une isolation galvanique entre les équipements de mesure et le circuit de puissance. Cette méthode permet également de mesurer les faibles valeurs des capacités inter-électrodes d’un HEMT GaN.
   
   Des modèles comportementaux d’une diode Si et d’un JFET SiC sont proposés en utilisant les résultats de caractérisation. Le modèle de la diode obtenu est validé par des mesures des courants au blocage (recouvrement inverse) dans différentes conditions de commutation. Pour valider le modèle du JFET SiC, une méthode de mesure utilisant une sonde de courant de surface est proposée. Avec une faible impédance d’insertion et une large bande passante, elle est également utilisée pour mesurer les courants dans un HEMT GaN. Le modèle du JFET SiC est alors validé dans différentes conditions de fonctionnement.

1. "Modélisation des perturbations électromagnétiques dans les convertisseurs statiques pour des applications aéronautiques"
   Clément MARLIER, Université de Lille, Décembre 2013, url, résumé

   Depuis les années 1990, l’énergie électrique a tendance à supplanter les autres énergies de servitude
   à bord des avions. Ceci offre des gains notables en terme de poids, volume et coûts
   de maintenance. L’énergie électrique remplit des fonctions de plus en plus variées grâce à la
   généralisation de l’utilisation de convertisseurs statiques. Ces convertisseurs sont basés sur l’utilisation
   de composants semi-conducteurs en commutation qui génèrent des variations rapides
   de tension (dv/dt) et de courant (di/dt). Ceci engendre des perturbations électromagnétiques
   (PEM) à haute fréquence qu’il faut minimiser afin de respecter les normes de compatibilité électromagnétiques
   (CEM). La conformité aux normes est souvent obtenue en ajoutant un filtre
   lourd et volumineux au système, ce qui réduit les gains apportés par la transition vers l’avion
   plus électrique. Afin d’optimiser les aspects CEM, il est intéressant de prendre en compte la
   contrainte de CEM dès la phase de conception, pour cela, il faut disposer d’outil de simulation
   prédictive. Dans cette thèse nous proposons une méthode de modélisation des perturbations
   conduites émises par un système de conversion d’énergie valable jusque 50MHz. Pour cela, notre
   travail se divise en deux parties. D’une part, nous proposons une méthode de modélisation HF
   des chemins de propagation des perturbations, incluant notamment les câbles d’énergie et la
   machine électrique. D’autre part, nous proposons une méthode de modélisation des sources de
   perturbation (convertisseur statique) en domaine fréquentiel. Cette méthode est basée sur la
   modélisation de la cellule de commutation par l’utilisation de plusieurs topologies de générateurs
   équivalents et permet de représenter le comportement non-linéaire des interrupteurs de
   puissance. Cette méthode est validée expérimentalement sur un hacheur série et sur un onduleur
   monophasé.

2. "(Français) Caractérisation et modélisation HF des matériaux magnétiques pour la conception des composants passifs des filtres CEM. (Anglais) HF characterization and modeling of magnetic materials for the passive components used in EMI filters."
   Carlos CUELLAR, Université de Lille, Octobre 2013, url, résumé

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

3. "COMPARAISON DES PERFORMANCES ELECTRIQUES D’UN ONDULEUR TRIPHASE DEUX NIVEAUX A COMMANDES DIRECTES ET INDIRECTES CONNECTE AU RESEAU"
   Sophie FERNANDEZ, CENTRALE LILLE, Octobre 2013, url, résumé

   Les exigences des normes de raccordement des sources de production décentralisées au réseau électrique français imposent au système de conversion une qualité des grandeurs électriques en sortie des convertisseurs. Leur rendement est également une exigence de premier plan étant donné les puissances mises en jeu. L’enjeu est ici d’évaluer et améliorer le compromis qualité/rendement de ces systèmes de conversion par leur stratégie de commande MLI.
   Pour répondre à ces exigences, des stratégies à hystérésis triphasé (contrôle direct), appliquées sur une structure d’onduleur de tension triphasé deux niveaux, ont été développées garantissant un comportement comparable des trois courants de ligne. Des contrôles sur les courants de ligne, ainsi que sur les courants polygonaux fictifs ont été mis en œuvre. Ces deux types de contrôle sont basés sur les mêmes règles et critères simples de modulation, afin de pouvoir être implantés simplement sur des systèmes temps réel et pouvoir être ensuite étendus à des structures de convertisseur entièrement commandés plus complexes. La plupart de ces contrôles ont fait apparaître des familles d’harmoniques dans le spectre de tension produit, traduisant une régularité naturelle dans les commutations produites de ces contrôles directs. Dans ce travail, la largeur des bandes d’hystérésis a été considérée fixe, mais ce paramètre de réglage pourrait être exploité dans le but de jouer également sur le rendement.
   Les performances électriques et énergétiques de ces nouveaux contrôles directs ont été évaluées et certains se sont révélés meilleurs sur ces deux critères que les contrôles directs bibliographiques.

4. "Intérêt d’une Source d’Energie Electrique Hybride pour véhicule électrique urbain – dimensionnement et tests de cyclage"
   Rehda SADOUN, CENTRALE LILLE, Juin 2013, url, résumé

   English:
   
   Currently, the main embedded storage system supplying the electric vehicles is composed of Li-ion batteries. The electrical characteristics information’s provided by the battery manufacturers (power, energy and capacity) are reliable; it is not the same for aging. Indeed, the lifetime gave by manufacturers is estimated on the basis of charge / discharge tests at constant current, while aging is a criterion which depends strongly on the real use conditions. This thesis is one of the common themes of work that ESTACA leads in collaboration with L2EP about the electric vehicles research projects. The objective of this work is to study the interest of a hybrid source composed of Li-ion batteries and supercapacitors to supply an urban electric vehicle and evaluate the impact of hybridization on the Li-ion batteries lifetime.
   Firstly, an energy management strategy based on deterministic rules is developed to control the power between the battery and supercapacitor. To demonstrate the combination utility, different Li-ion battery technologies (Li-ion high power, high-Li-ion energy) are used on the sizing step. Through this study, we could propose an optimal solution (masses, volumes, costs, autonomy...) consisting of an energetic battery and supercapacitor. This study also shows that the batteries power type don’t need hybridization, when the high energy batteries can’t supply the vehicle without hybridization with the supercapacitors.
   The second part of this thesis evaluates the hybridization contributions in terms of aging. In this case, we have followed the evolution of capacity and the internal resistance losses of high power and high energy batteries type in, respectively, single-source and hybrid configurations. For this study, a test bench, developed for cycling and characterization of storage systems, was used. The results obtained provide the opportunity to choose Li-ion battery technology that could be the most interesting for the supply of electric vehicles.
   French:
   actuellement, la principale source d’énergie embarquée dans les véhicules électriques est composée de batteries Li-ion. Bien que les données fournies par les constructeurs de batteries sur les caractéristiques électriques (puissance, énergie et capacité nominale) de leur produit, soient fiables et exploitables, il n’est pas de même pour le vieillissement. En effet, la durée de vie fournie par les constructeurs est estimée sur la base des essais de charge/décharge à courant constant, alors que le vieillissement est un critère qui dépend vigoureusement des conditions réelles d’utilisation. Cette thèse fait partie des thématiques communes de travail que mène L’ESTACA en collaboration avec le L2EP pour réaliser des projets R&D sur la chaine de traction des véhicules électriques. L’objectif ce projet est d’étudier l’apport d’une source hybride composée de batteries Li-ion et des supercondensateurs, sur les performances d’un véhicule électrique urbain et d’évaluer l’impact de l’hybridation sur la durée de vie des batteries Li-ion.
   Dans un premier temps, une stratégie de gestion des flux énergétiques entre la batterie et le supercondensateur basée sur l’approche des règles déterministes a été appliquée pour montrer l’intérêt de l’association des différentes technologies de batterie Li-ion (haute puissance, haute énergie) avec le supercondensateur en fonction de l’autonomie. Cette méthode nous a permis de montrer l’avantage de l’hybridation pour certaines technologies et la non-nécessité d’une hybridation pour d’autres. A travers cette étude, on a pu proposer une solution optimale (masses, volumes, coûts, autonomie,…) composée d’une batterie énergétique et un supercondensateur.
   La deuxième partie de cette thèse est consacrée à l’évaluation de l’apport de l’hybridation en termes de durée de vie. Dans ce cas, on a suivie l’évolution du vieillissement des deux batteries de type haute puissance et hautes énergie dans, respectivement, les configurations mono-source et hybride. Pour réaliser cette étude, un banc de tests, destiné au cyclage et la caractérisation des systèmes de stockage, a été utilisé. Les résultats obtenus, offriront la possibilité de se prononcer sur le type de batteries Li-ion qui pourrait être le plus intéressant pour l’alimentation des véhicules électriques.

1. "Modeling and Design of Passive Planar Components for EMI Filters"
   Wenhua TAN, Centrale LILLE, Novembre 2012, url, résumé

   Abstract:
   The high switching frequency of power converters makes the electromagnetic
   interferences (EMI) a critical problem for engineers. EMI filter are thus widely
   implemented in electronic systems for the compliance with stringent
   electromagnetic compatibility (EMC) standards. Meanwhile, due to the pursuit of
   the integration and miniaturization of systems, planar magnetic components
   become a promising technology for future power electronics and gain a growing
   application area, including their applications in EMI filters.
   To use a component, reliable model are necessary. In particular for the
   planar magnetic components dedicated to EMI applications, effective models
   containing all the parasitic elements can help the designers to predict the high
   frequency performances of the filters using these planar components. However, the
   existing research work on this topic seems very limited, which becomes the
   motivation of this PhD work. Therefore, a major part of this dissertation attempts
   to study several important modeling aspects of the planar inductor (or choke) for
   EMI filter applications.
   The construction of the equivalent circuit for planar components in EMI
   filters via experimental approach is studied first. An improved model for planar
   common mode (CM) chokes is presented together with a systematic procedure for
   parameter extraction based on impedance measurements and fitting algorithm.
   Detailed explanation and experimental tests are given for validating the model and
   the extraction procedure.
   Next, the modeling of parasitic capacitances through theoretical approach is
   explored. An analytical procedure based on electric field decomposition (EFD)
   method and energy approach is introduced. The EFD method analyzes the 2D
   capacitance matrix for the PCB structures of studied planar components. The
   influence of ferrite core is also considered by using simple formulation. Finally, an
   energy approach is applied for finding the equivalent parasitic capacitances of the
   component of interest.
   In order to develop a tool that is more general and more adapted for
   computer calculation, the third part of this dissertation is dedicated to a semianalytical
   2D modeling method of the parasitic capacitances and leakage inductance
   of a planar CM choke. For the calculation of the parasitic capacitances, analytical
   multilayered Green’s function is obtained to solve the Poisson’s equations in
   electrostatic. The method of moment (MoM) is then employed to calculate the 2D
   capacitance matrix for the cross-section of the studied component. For calculating
   the leakage inductance, the multilayered Green’s function method is extended for
   magnetostatic analysis. Numerical integration is then implemented for obtaining the
   information on the magnetic field. Both of these methods are verified by simulation
   results.
   Apart from the modeling, this PhD work also proposes two conceptions for
   EMI filter design. The first one consists in an improved parasitic capacitance
   cancellation technique using structural parasitic elements. The second conception
   introduces the association of two magnetic cores with different materials and
   geometries to realize a compact common mode (CM) and differential mode (DM)
   choke for EMI filtering.

1. "Amélioration du rendement des Alimentations Sans Interruption"
   Corentin RIZET, co-encadrement G2Elab-L2EP, Mai 2011, url, résumé

   AMÉLIORATION DU RENDEMENT DES ALIMENTATIONS SANS INTERRUPTION
   Les Alimentations Sans Interruption sont utilisées pour assurer la qualité et la
   continuité de l’énergie fournie aux charges sensibles. Basées sur deux conversions
   d’énergie électrique, ces alimentations supportent en permanence la puissance de la
   charge, ce qui rend coûteux leur rendement. Cette thèse a permis d’explorer
   différentes voies d’amélioration du rendement du commutateur assurant la conversion
   : le choix des composants semi-conducteurs, celui de la structure de conversion et du
   mode de fonctionnement. Le filtrage a été pris en compte sans faire l’objet
   d’investigations poussées. Une méthode d’estimation générique du rendement,
   exploitant les données des constructeurs, a permis de quantifier l’impact et les limites
   de chaque voie explorée. Plusieurs structures de conversion multi-niveaux en
   commutation douce ont été développées, utilisant un pôle résonant innovant. Enfin,
   plusieurs expérimentations ont validé les modèles utilisés, le concept du pôle résonant
   et le rendement d’un prototype fonctionnel de 125 kVA.
   MOTS-CLÉS Électronique de puissance, Conversion statique, Rendement, Pertes,
   Structures multi-niveaux, Commutation douce, ARCP.
   EFFICIENCY IMPROVEMENT OF THE UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLIES
   The Uninterruptible Power Supplies are used to supply such critical load with a
   high level of quality and continuity. Two consecutive conversions permanently
   provide the whole power, leading the efficiency a key point. To improve the efficiency
   of the semi-conductors part, three ways have been studied in this thesis: The semiconductor
   area, the topology of the converter and the switching mode. The filter losses
   have been taken into account based on the state of the art. To quantify the efficiency
   of each way, an accurate and generic method based on the datasheet from
   manufacturers is explained. Some soft-switching multi-level topologies have been
   developed and patented. Finally, experimentations have been achieved to assess the
   relevance of the models, the working of new topologies and the efficiency of the
   proposed 125 kVA UPS.
   KEY-WORDS Power electronic, Static conversion, Efficiency, Losses, Multi-level
   topologies, Soft-switching, ARCP.

1. "Modulation naturelle généralisée des convertisseurs matriciels pour la variation de vitesse"
   François GRUSON, Centrale LILLE, Décembre 2010, url, résumé

   Mots-clés :
   Electronique de Puissance, Variateur de vitesse, Convertisseurs statiques,
   Convertisseurs AC-AC, Convertisseurs matriciels, Modulation de largeur d’impulsion,
   Commande rapprochée, Commutations.
   Résumé :
   La variation de vitesse des machines électriques est une application très porteuse de
   l’électronique de puissance. La solution de conversion la plus répandue consiste à connecter
   en cascade deux convertisseurs statiques et d’effectuer une double conversion (AC/DC/AC).
   Une autre solution, faiblement répandue dans l’industrie, effectue une conversion directe
   AC/AC pour piloter des machines électriques triphasées à partir d’un réseau alternatif triphasé.
   Ce mémoire présente une synthèse sur les solutions de conversion directe ainsi que sur les
   stratégies de modulation des convertisseurs matriciels et matriciels ‘‘double étage’’. Une
   modulation scalaire généralisée est développée et associée à un modulateur par porteuse,
   équivalente à la modulation vectorielle et applicable aux différents convertisseurs directs
   triphasés. Cette généralisation a permis de mettre en avant des modulations à nombre de
   commutation réduit par période de découpage, et de mettre en évidence qu’une solution
   particulière réduit les pertes et améliore le comportement électromagnétique du dispositif
   comparativement aux modulations traditionnellement utilisées. La présentation des contraintes
   réelles (commande rapprochée des interrupteurs, les protections ainsi que le filtrage) a été
   abordée et a été utilisée pour développer une maquette laboratoire. Les stratégies de modulation
   ont été implantées expérimentalement et valident l’étude théorique. Enfin, un fonctionnement
   direct à la fréquence réseau, non moduler, donc à faibles pertes, est proposé.
   Key words:
   Power electronics, adjustable speed drives, static converters, AC-AC converters,
   Matrix converters, Pulse width modulation, Transistor control, Switching.
   Abstract:
   In the power electronics field, the adjustable speed drives is a growing application for
   electric motors control. The most common conversion solution is to connect in series two
   static converters and perform a double conversion (AC/DC/AC). Another solution, hardly
   proposed by industry, uses a direct AC/AC conversion. This thesis aims to make a direct
   conversion solutions and matrix converters and ‘‘two stage’’ matrix converters modulation
   strategies synthesis for the purpose to control three-phase electric motor with a three phase
   input network. This synthesis has developed a generalized scalar modulation, combined with
   a carrier wave modulator, equivalent to the space vector modulation and applied to matrix
   converters and the ‘‘two stage’’ matrix converters. Some attention has been done to reduce
   the switching number during the modulation period. The generalization allows to propose a
   modified modulation which reduces the losses and improves the electromagnetic performance
   compared to the traditional modulations used for these kind of converters. The practical
   constraint (switches control, protection system and filtering) are discussed and has been used
   to develop a laboratory prototype. The modulations strategies have been implemented
   experimentally and validate the theoretical study. Finally, a direct function mode with an
   equal frequency between the input and output network is proposed, without modulation and
   therefore low losses. In the last part, a particular operation mode is then introduced,
   permitting the transient operation between the modulated conventional mode to the direct
   mode without modulation.

2. "ULTRA-CAPACITOR BASED REGENERATIVE ENERGY STORAGE AND POWER FACTOR CORRECTION DEVICE FOR CONTROLLED ELECTRIC DRIVES"
   Petar GRBOVIC, Centrale LILLE, Juillet 2010, url, résumé

   Dispositif correcteur de facteur de puissance à base de
   super-condensateur pour variateur de vitesse
   Les variateurs de vitesse modernes sont exclusivement basés sur l’utilisation de moteurs triphasés
   alimentés par des onduleurs à modulation de largeur d’impulsion (MLI). La plupart des applications modernes
   de la variation de vitesse, comme les ascenseurs, les grues et les machines-outils sont caractérisées
   principalement par un rapport élevé entre la puissance crête et la puissance moyenne et une forte demande de
   freinage à la puissance nominale. Dans les variateurs de vitesse ordinaires, l’énergie de freinage, qui est de
   l’ordre de 30 à 50% de l’énergie consommée, est dissipé dans une résistance. Outre les problèmes
   « énergétiques », les interruptions et dégradations de la tension d’alimentation ainsi que la qualité du courant
   d’entrée et la fluctuation de la charge, sont d’autres questions à aborder et à résoudre.
   Le super-condensateur dédié aux applications de conversion de puissance est ainsi proposé. Un
   variateur de vitesse équipé avec des super-condensateurs est présenté dans la thèse. Les super-condensateurs,
   interconnectés par un convertisseur DC-DC sont utilisés pour stocker et ré-injecter l'énergie de freinage. De plus,
   le convertisseur DC-DC contrôle le courant du redresseur et la tension du bus DC. Le THD du courant d’entrée
   est ramené à 30%. La tension du bus DC est élevée et en permanence contrôlée et lissée indépendamment de la
   charge et de la variation de la tension réseau. Pour terminer, les pics de puissance peuvent être lissés. La
   solution présentée est analysée théoriquement et vérifiée par un ensemble de simulations et
   expérimentations. Les résultats sont présentés et commentés.
   Ultra-capacitor based regenerative energy storage and
   power factor correction device for controlled electric drives
   Modern controlled electric drives are exclusively based on three-phase motors that are fed from threephase
   pulse width modulated (PWM) inverters. Most of modern controlled electric drive applications, such as
   lifts, cranes and tooling machines are characterized by high ratio of the peak to average power, and high demand
   for braking at the rated power. In ordinary drives, the braking energy, which represents 30-50% of the consumed
   energy, is dissipated on a braking resistor. Apart from the “energetic” issue, the mains interruption and
   degradation, the input current quality and the load fluctuation are additional issues to be addressed and solved.
   The ultra-capacitor dedicated for power conversion applications has been discussed. In comparison to
   electrochemical batteries, the ultra-capacitors have higher power density and efficiency, longer life time and
   greater cycling capability. This makes the ultra-capacitor an excellent candidate for power conversion
   applications.
   A new electric drive converter equipped with the ultra-capacitor is presented in the dissertation. The
   ultra-capacitor with an inter-connection dc-dc converter is used to store and recover the drive braking energy.
   Moreover, the dc-dc converter controls the rectifier current and the dc bus voltage. The drive input current THD
   is reduced to 30%. The dc bus voltage is boosted and controlled constant and ripple free regardless on the load
   and the mains voltage variation. Moreover, the drive input peak power can be smoothed. The presented solution
   is theoretically analysed and verified by set of simulations and experiments. The results are presented and
   discussed.

1. "Modélisation haute fréquence des convertisseurs d’énergie. Application à l’étude de la propagation des émissions conduites vers le réseau"
   Maxime MOREAU, thèse, Décembre 2009, url, résumé

   Ces travaux de recherche portent sur la problématique CEM (Compatibilité Electromagnétique) en électronique de puissance. Cette étude s'intéresse particulièrement à la modélisation HF (haute fréquence) des convertisseurs d'énergie dans le but d'étudier la propagation des perturbations conduites vers le réseau avec ou sans l’utilisation du RSIL (Réseau Stabilisateur d'Impédance de Ligne). Une première partie présente les outils de modélisation des sources de perturbation dans les convertisseurs statiques.La seconde partie est consacrée à la modélisation HF d'un système d'entraînement à vitesse variable. L'onduleur de tension triphasé est représenté par trois générateurs équivalents afin de reconstituer le découpage des tensions de sortie. Un modèle HF du câble blindé de 4 conducteurs tenant compte de la dissymétrie est ensuite proposé. Les résultats de simulation ont été validés par des relevés expérimentaux. La comparaison montre qu'il est possible de modéliser correctement le comportement HF du dispositif jusqu'à 20MHz.Une troisième partie porte sur la propagation des perturbations conduites vers le réseau sans RSIL. Il a fallu pour cela déterminer et modéliser l'impédance du réseau. L'influence du pont redresseur à diodes sur la propagation des perturbations de mode commun a ensuite été étudiée. Les résultats de simulation montrent que l'impact de ces perturbations sur la tension réseau est prépondérant lorsque le pont redresseur est à l'état bloqué. Les résultats expérimentaux ont permis de valider cette étude. Ce travail se termine par une étude préliminaire sur l'association de deux convertisseurs connectés localement à une même source d'énergie
   
   These research works focus on EMC (Electromagnetic Compatibility) in power electronics systems. Specifically, the study focuses on HF (high frequency) modeling of the power converters in order to study the conducted emissions toward the power grids with or without the use of an LISN (Line Impedance Stabilisation Network). The first part presents the modeling tools of the electromagnetic emissions sources in power converters.The second part describes the HF modeling method of an adjustable speed drive (ASD) that will be used to estimate the conducted emissions. In a first part, a behavioural model of PWM inverter is proposed as an EMI noise source. Then, a model of the shielded 4-wire energy cable that taking into account of the dissymmetry structure is proposed and validated in the frequency domain for two different lengths. The comparison of measurement and simulation results of conducted emissions (with LISN) shows the good compromise between the simulation duration and accuracy of the results.A third part is dedicated to the propagation of conducted emissions toward the power grid without using a LISN. The first stage consists in proposing a model impedance of the network impedance. The influence of the bridge rectifier diodes on the propagation paths of common mode disturbances has been studied in the second step. The simulation results show that the impact of these disturbances on the network voltage is more important when the bridge rectifier is normally off-state. The experimental results have validated this study. This work concludes with a preliminary study on the association of two converters connected locally to a single energy source

1. "Variateur de vitesse à impact électromagnétique réduit: onduleur multiniveaux et nouvelles stratégies de modulation"
   Arnaud VIDET, Centrale LILLE, Décembre 2008, url, résumé

   Parmi les convertisseurs d’électronique de puissance, les variateurs de vitesse utilisés pour l’alimentation des
   machines électriques sont source de perturbations électromagnétiques à haute fréquence telles que les courants de
   mode commun et les surtensions aux bornes des moteurs. Le travail porte sur la réduction de ces perturbations
   par l’emploi d’un convertisseur multiniveaux associé à de nouvelles lois de commande rapprochée. Après un état
   de l’art des méthodes d’atténuation existantes, l’onduleur à trois niveaux de type neutral-point-clamped (NPC)
   est retenu comme structure de conversion continu-alternatif et une nouvelle stratégie de modulation de largeur
   d’impulsion (MLI) est développée en vue de réduire les courants de mode commun générés par l’onduleur. Les
   phénomènes entrant en jeu dans les commutations des interrupteurs de puissance sont analysés et modélisés
   afin d’établir des contraintes de commande permettant de maximiser les performances de la MLI proposée.
   Parallèlement, l’utilisation de câbles longs entre le variateur et la machine soulève une contrepartie vis-à-vis des
   surtensions moteur qui est maîtrisée par l’exploitation adéquate des degrés de liberté de la nouvelle MLI. Enfin,
   la problématique de régulation du point milieu capacitif du bus continu est abordée. La stratégie proposée est
   implantée expérimentalement par l’intermédiaire d’une modulation naturelle par porteuses, et les résultats de
   mesure montrent un gain de cinq décibels sur les courants de mode commun par rapport aux stratégies classiques
   tout en limitant les surtensions générées aux bornes du moteur et en assurant l’équilibrage du bus continu.

1. "Modélisation des câbles d’énergie soumis aux contraintes générées par les convertisseurs électroniques de puissance"
   Yannick WEENS, Université des Sciences et Technologies de Lille, Décembre 2006, url, résumé

   Nous proposons une méthode de modélisation HF des câbles d’énergie, blindés ou non
   blindés, tenant compte de l’évolution des paramètres linéiques en fonction de la fréquence, et
   qui se décompose en 3 étapes :
   
   
   - Détermination des paramètres linéiques à partir de mesures au pont d’impédance
   
   
   - Modélisation des paramètres variant avec la fréquence par des réseaux R-L ou R-C
   
   
   - Décomposition du modèle en cellules élémentaires
   
   
   Pour la détermination des paramètres linéiques, nous avons comparé les résultats obtenus par 3 méthodes : formulations analytiques, calcul éléments finis et mesure au pont d’impédance.
   En effet, lorsque les problèmes posés par les dimensions du câble ou les connexions au pont
   rendent les mesures impossibles, seules les méthodes analytiques ou éléments finis permettent
   de calculer les paramètres.
   
   Tous les modèles de câbles ont été validés de façon satisfaisante dans le domaine fréquentiel
   entre 100kHz et 40MHz.
   
   Les validations dans le domaine temporel ont été effectuées dans un système variateur de
   vitesse, ce qui a nécessité la modélisation HF du moteur asynchrone et du convertisseur. Nous
   avons proposé deux méthodes de modélisation du moteur : asymptotique et analytique.
   
   Les résultats montrent une bonne concordance entre mesure et simulation. Toutefois, pour le
   câble blindé de 4 conducteurs, l’écart entre les résultats de mesure et de simulation augmente
   en même temps que la longueur du câble ; ceci peut être attribué à l’hypothèse de symétrie du
   câble, alors que les distances entre les 4 conducteurs ne sont pas toutes identiques.
   
   Les modèles obtenus permettent d’identifier les chemins de propagations des courants HF
   dans les variateurs de vitesse, et de proposer des solutions permettant de réduire les
   surtensions aux bornes du moteur.

2. "Modélisation électrique et énergétique des supercondensateurs et méthodes de caractérisation : Application au cyclage d’un module de supercondensateurs basse tension en grande puissance"
   Nassim RIZOUG, Ecole centrale de Lille, Février 2006, url, résumé

   Ce mémoire présente un travail sur le comportement électrique et énergétique des supercondensateurs dans des applications de type traction électrique. Il développe un outil de caractérisation du comportement des supercondensateurs afin de les exploiter dans les applications « courant fort » telles que le transport. Le banc de test développé dans notre laboratoire a permis la caractérisation d’un module de supercondensateurs 112F-48V constitué de 24 composants Maxwell 2700F/2,3V.
   En premier lieu, la modélisation du composant nous a paru indispensable pour représenter le comportement de ces composants. Pour cela, deux modèles représentant le comportement énergétique et électrique des supercondensateurs ont été développés. Différentes approches connues ont été confrontées pour aboutir à une méthode simple d’identification, associant des mesures temporelles et fréquentielles.
   En utilisant ces modèles, une caractérisation de quatre éléments du module avec un suivi de l’évolution des caractéristiques de chaque élément a été effectuée en fonction de la température. D’autre part, l’observation du vieillissement du module et d’un élément de ce dernier pour les 200.000 premiers cycles a permis de suivre la dégradation des caractéristiques (R, rs et C) des supercondensateurs en fonction du nombre de cycles effectués.
   Enfin, un des objectifs initiaux était d’aborder le problème de mise en série du composant afin de l’utiliser en Génie Electrique. Les essais de cyclage réalisés sans dispositif d’équilibrage (hormis les impédances du système de mesure) ont permis d’observer une dispersion naturelle des tensions dépendant de la localisation du composant dans le module.

1. "Modélisation des commutations du thyristor GTO dans une structure hacheur série par la méthode Bond-Graph. Application au fonctionnement en interrupteur résonnant"
   Nadir IDIR, Université des Sciences et Techniques de Lille, Septembre 1993, url

1. "Gradateur triphasé à 4 thyristors"
   Philippe LE MOIGNE, Lille, Octobre 1990, url, résumé

   Pour régler la puissance débitée par une source triphasée dans un récepteur, il est habituel d'utiliser un gradateur triphasé à 6 thyristors. La structure présentée, appelée gradateur économique, permet la suppression de deux thyristors d'une même phase. Cette dissymétrie structurelle entraîne un déséquilibre sur la charge pour les deux types de commande usuels : 1) variation de l'angle de phase; 2) trains d'ondes. La variation symétrique de l'angle de phase, bien que permettant un réglage de la puissance globale dissipée dans le récepteur, introduit un déséquilibre. Il est cependant possible d'améliorer les performances du système en utilisant une commande dissymétrique. Commandé par trains d'ondes et dans les conditions usuelles d'utilisation, il est peu perturbé par la dissymétrie structurelle. De plus, cette structure permet la mise en oeuvre d'une commande simple, la troisième phase servant naturellement de retour à la source. L'utilisation du gradateur économique, dans une structure insérant un transformateur entre le gradateur et la charge, peut être envisagée à condition d'adopter une stratégie de commande prenant en compte les contraintes apportées par le transformateur. Enfin, une synthèse sur les perturbations induites sur le réseau par les gradateurs utilisés pour le chauffage électrique, montre l'avantage de la commande par trains d'ondes