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This thesis deals with the sizing of power electronics using deterministic optimization. In this way, methods to integrate the ElectroMagnetic Compatibility constraints in such process were studied. The case of a three-phase rectifier with EMC filters on both AC and DC sides was considered. A common-mode path creates an interaction between the two filters, thus they have to be sized together. Models of the converter and its components were developed for their sizing by deterministic optimizations. In such conception problem, all the parameters used for describing the system configuration (functional elements values, PWM command strategy and the switching frequency) influence the conducted EMC emissions. Therefore, the modeling of the EMC constraints was integrated in the optimization procedure, which aims the overall weight reduction. Thanks to that, a global approach where EMC filters are sized along with the converter was achieved, whereas it is usually done after the converter conception.The main challenge was the variation of the switching frequency in optimization. Strategies were developed regarding the automatic surveillance of the EMC spectrums in order to drastically reduce their computation times. An innovative formulation of the EMC constraints enabled the optimizations to converge. An automatic procedure for launching multiple deterministic optimizations with random initial parameters allowed us to obtain good optimization results, regarding the constraints and the global weight of the system. In this work, genericity of the modelling approach was a main concern, regarding EMC and the different sizing models. Therefore, the adaptation of the developed methods to other applications should be convenient., Ce travail s’inscrit dans l’optique de prédimensionnement par optimisation déterministe en électronique de puissance. Nous nous focalisons principalement sur la problématique de la Compatibilité ElectroMagnétique que nous désirons inclure dans la démarche. Pour cela, nous considérons l’exemple d’un redresseur triphasé comportant des filtres CEM à la fois du côté triphasé et du côté continu. Un couplage de mode commun a lieu entre les deux filtres, ils doivent donc être conçus simultanément. Des modéles de dimensionnement du convertisseur et de ses différents composants (passifs, interrupteurs, refroidisseur) ont été élaborés. Dans la procédure d’optimisation, l’ensemble des variables de cette modélisation globale du convertisseur (valeur des éléments fonctionnels, stratégie de commande MLI et fréquence de découpage) impacte les émissions CEM conduites. Ainsi, le modèle de calcul CEM est intégré dans le déroulement du processus, qui vise à minimiser la masse du convertisseur. Grâce à cela nous obtenons une approche globale où les filtres CEM sont dimensionnés en parallèle avec le convertisseur, et non une fois que la conception de ce dernier soit terminée, comme c’est classiquement le cas.La variation de la fréquence de découpage durant l’optimisation a constitué le problème majeur. Nous avons dû développer des stratégies concernant la surveillance des spectres CEM pour arriver à diminuer drastiquement les temps de calcul. Nous avons aussi développé une formulation de la contrainte CEM et une stratégie de lancement automatique d’optimisations déterministes avec paramétrage initial aléatoire qui a permis aux dimensionnements d’aboutir. Tout au long de la thèse, l’accent a été mis sur la généricité des modèles, qu’ils touchent à la CEM ou aux autres points du dimensionnement, en vue de leur adaptabilité à d’autres cas d’application.

This thesis deals with the sizing of power electronics using deterministicoptimization. In this way, methods to integrate the ElectroMagnetic Compatibilityconstraints in such process were studied. The case of a three-phase rectifier with EMCfilters on both AC and DC sides was considered. A common-mode path creates aninteraction between the two filters, thus they have to be sized together. Models of theconverter and its components were developed for their sizing by deterministicoptimizations. In such conception problem, all the parameters used for describing thesystem configuration (functional elements values, PWM command strategy and theswitching frequency) influence the conducted EMC emissions. Therefore, the modeling ofthe EMC constraints was integrated in the optimization procedure, which aims the overallweight reduction. Thanks to that, a global approach where EMC filters are sized along withthe converter was achieved, whereas it is usually done after the converter conception.The main challenge was the variation of the switching frequency in optimization.Strategies were developed regarding the automatic surveillance of the EMC spectrums inorder to drastically reduce their computation times. An innovative formulation of the EMCconstraints enabled the optimizations to converge. An automatic procedure for launchingmultiple deterministic optimizations with random initial parameters allowed us to obtaingood optimization results, regarding the constraints and the global weight of the system.In this work, genericity of the modelling approach was a main concern, regarding EMCand the different sizing models. Therefore, the adaptation of the developed methods toother applications should be convenient, Ce travail s’inscrit dans l’optique de prédimensionnement par optimisationdéterministe en électronique de puissance. Nous nous focalisons principalement sur laproblématique de la Compatibilité ElectroMagnétique que nous désirons inclure dans ladémarche. Pour cela, nous considérons l’exemple d’un redresseur triphasé comportantdes filtres CEM à la fois du côté triphasé et du côté continu. Un couplage de mode communa lieu entre les deux filtres, ils doivent donc être conçus simultanément. Des modéles dedimensionnement du convertisseur et de ses différents composants (passifs,interrupteurs, refroidisseur) ont été élaborés. Dans la procédure d’optimisation,l’ensemble des variables de cette modélisation globale du convertisseur (valeur deséléments fonctionnels, stratégie de commande MLI et fréquence de découpage) impacteles émissions CEM conduites. Ainsi, le modèle de calcul CEM est intégré dans ledéroulement du processus, qui vise à minimiser la masse du convertisseur. Grâce à celanous obtenons une approche globale où les filtres CEM sont dimensionnés en parallèleavec le convertisseur, et non une fois que la conception de ce dernier soit terminée,comme c’est classiquement le cas.La variation de la fréquence de découpage durant l’optimisation a constitué leproblème majeur. Nous avons dû développer des stratégies concernant la surveillance desspectres CEM pour arriver à diminuer drastiquement les temps de calcul. Nous avonsaussi développé une formulation de la contrainte CEM et une stratégie de lancementautomatique d’optimisations déterministes avec paramétrage initial aléatoire qui apermis aux dimensionnements d’aboutir. Tout au long de la thèse, l’accent a été mis sur lagénéricité des modèles, qu’ils touchent à la CEM ou aux autres points dudimensionnement, en vue de leur adaptabilité à d’autres cas d’application.

This thesis deals with the sizing of power electronics using deterministic optimization. In this way, methods to integrate the ElectroMagnetic Compatibility constraints in such process were studied. The case of a three-phase rectifier with EMC filters on both AC and DC sides was considered. A common-mode path creates an interaction between the two filters, thus they have to be sized together. Models of the converter and its components were developed for their sizing by deterministic optimizations. In such conception problem, all the parameters used for describing the system configuration (functional elements values, PWM command strategy and the switching frequency) influence the conducted EMC emissions. Therefore, the modeling of the EMC constraints was integrated in the optimization procedure, which aims the overall weight reduction. Thanks to that, a global approach where EMC filters are sized along with the converter was achieved, whereas it is usually done after the converter conception.The main challenge was the variation of the switching frequency in optimization. Strategies were developed regarding the automatic surveillance of the EMC spectrums in order to drastically reduce their computation times. An innovative formulation of the EMC constraints enabled the optimizations to converge. An automatic procedure for launching multiple deterministic optimizations with random initial parameters allowed us to obtain good optimization results, regarding the constraints and the global weight of the system. In this work, genericity of the modelling approach was a main concern, regarding EMC and the different sizing models. Therefore, the adaptation of the developed methods to other applications should be convenient.; Ce travail s’inscrit dans l’optique de prédimensionnement par optimisation déterministe en électronique de puissance. Nous nous focalisons principalement sur la problématique de la Compatibilité ElectroMagnétique que nous désirons inclure dans la démarche. Pour cela, nous considérons l’exemple d’un redresseur triphasé comportant des filtres CEM à la fois du côté triphasé et du côté continu. Un couplage de mode commun a lieu entre les deux filtres, ils doivent donc être conçus simultanément. Des modéles de dimensionnement du convertisseur et de ses différents composants (passifs, interrupteurs, refroidisseur) ont été élaborés. Dans la procédure d’optimisation, l’ensemble des variables de cette modélisation globale du convertisseur (valeur des éléments fonctionnels, stratégie de commande MLI et fréquence de découpage) impacte les émissions CEM conduites. Ainsi, le modèle de calcul CEM est intégré dans le déroulement du processus, qui vise à minimiser la masse du convertisseur. Grâce à cela nous obtenons une approche globale où les filtres CEM sont dimensionnés en parallèle avec le convertisseur, et non une fois que la conception de ce dernier soit terminée, comme c’est classiquement le cas.La variation de la fréquence de découpage durant l’optimisation a constitué le problème majeur. Nous avons dû développer des stratégies concernant la surveillance des spectres CEM pour arriver à diminuer drastiquement les temps de calcul. Nous avons aussi développé une formulation de la contrainte CEM et une stratégie de lancement automatique d’optimisations déterministes avec paramétrage initial aléatoire qui a permis aux dimensionnements d’aboutir. Tout au long de la thèse, l’accent a été mis sur la généricité des modèles, qu’ils touchent à la CEM ou aux autres points du dimensionnement, en vue de leur adaptabilité à d’autres cas d’application.

This thesis deals with the sizing of power electronics using deterministicoptimization. In this way, methods to integrate the ElectroMagnetic Compatibilityconstraints in such process were studied. The case of a three-phase rectifier with EMCfilters on both AC and DC sides was considered. A common-mode path creates aninteraction between the two filters, thus they have to be sized together. Models of theconverter and its components were developed for their sizing by deterministicoptimizations. In such conception problem, all the parameters used for describing thesystem configuration (functional elements values, PWM command strategy and theswitching frequency) influence the conducted EMC emissions. Therefore, the modeling ofthe EMC constraints was integrated in the optimization procedure, which aims the overallweight reduction. Thanks to that, a global approach where EMC filters are sized along withthe converter was achieved, whereas it is usually done after the converter conception.The main challenge was the variation of the switching frequency in optimization.Strategies were developed regarding the automatic surveillance of the EMC spectrums inorder to drastically reduce their computation times. An innovative formulation of the EMCconstraints enabled the optimizations to converge. An automatic procedure for launchingmultiple deterministic optimizations with random initial parameters allowed us to obtaingood optimization results, regarding the constraints and the global weight of the system.In this work, genericity of the modelling approach was a main concern, regarding EMCand the different sizing models. Therefore, the adaptation of the developed methods toother applications should be convenient; Ce travail s’inscrit dans l’optique de prédimensionnement par optimisationdéterministe en électronique de puissance. Nous nous focalisons principalement sur laproblématique de la Compatibilité ElectroMagnétique que nous désirons inclure dans ladémarche. Pour cela, nous considérons l’exemple d’un redresseur triphasé comportantdes filtres CEM à la fois du côté triphasé et du côté continu. Un couplage de mode communa lieu entre les deux filtres, ils doivent donc être conçus simultanément. Des modéles dedimensionnement du convertisseur et de ses différents composants (passifs,interrupteurs, refroidisseur) ont été élaborés. Dans la procédure d’optimisation,l’ensemble des variables de cette modélisation globale du convertisseur (valeur deséléments fonctionnels, stratégie de commande MLI et fréquence de découpage) impacteles émissions CEM conduites. Ainsi, le modèle de calcul CEM est intégré dans ledéroulement du processus, qui vise à minimiser la masse du convertisseur. Grâce à celanous obtenons une approche globale où les filtres CEM sont dimensionnés en parallèleavec le convertisseur, et non une fois que la conception de ce dernier soit terminée,comme c’est classiquement le cas.La variation de la fréquence de découpage durant l’optimisation a constitué leproblème majeur. Nous avons dû développer des stratégies concernant la surveillance desspectres CEM pour arriver à diminuer drastiquement les temps de calcul. Nous avonsaussi développé une formulation de la contrainte CEM et une stratégie de lancementautomatique d’optimisations déterministes avec paramétrage initial aléatoire qui apermis aux dimensionnements d’aboutir. Tout au long de la thèse, l’accent a été mis sur lagénéricité des modèles, qu’ils touchent à la CEM ou aux autres points dudimensionnement, en vue de leur adaptabilité à d’autres cas d’application.

International audience; This paper compares a step by step design of a power electronicsconverter with the results obtained using a design by optimization technique, solvingall equations together. “Order one” method is privileged, in order to facilitateseeking a design optimum in a very constrained space of solutions (especially due toElectromagnetic Compatibility). Specific derivable models for each constraint andcomponent design have been used. Difficulties of these derivable formulations areunderlined, as well as the effectiveness of the method in comparison with theconventional step by step approach, especially regarding EMC.

International audience; The paper deals with the frequency modelling of EMC phenomena using equivalent circuit (with frequency perturbation sources for the modelling of the switching cells of the static converters) in the context of the sizing by optimization of EMC filters. The paper focusses on the way to obtained automatically a frequency model, including the exact computation of its jacobian, useful in the context of design by deterministic gradient optimization. It mainly focuses on selectivity (optimization contextualization) in the modelling with its interests compared to a generic modelling (without knowing with variables will be constrained in the optimization process). The approach is applied to the optimization of EMC filter for power electronics aircraft context.

International audience; This paper presents some key interactions amongconverters, which need to be taken into account when designing amodern embedded electrical grid, including a large amount ofPower Electronics based loads. A design by Optimization methodis first used to define the converter parameters. During this step,it is mandatory to account for the interaction between the inputand output EMI filters. The second step consists in designing thecontrol strategy; the paper will show that the results are largelyimproved if all converters are considered simultaneously. Finally,the stability study of the embedded network has to beinvestigated. All these interactions are studied in the example of athree phases AC network, composed of a Voltage Source Inverterand an Active Front End.

International audience

International audience; As aircraft installed electrical power continues to increase, maintaining the advantages of MEA approach highly relies on the ability to design low-weight on-board electrical network and power electronic conversion systems. However, design and integration of the power system still follow the legacy standards, where locally optimized individual components may not result in optimum system. This paper presents an attempt at exploring the advantages and barriers to integrated design where subsystem interactions are accounted for and the power system is optimized as a whole. As an example, the weight of a notional subsystem of the MEA electrical power system – consisting of a dc bus, a rectifier, an ECS, and an EMA – is studied and optimized as a function of the dc bus voltage, while taking into account the power quality, EMI, and stability constraints. Although the example follows a traditional (decoupled) design approach, the individual component modeling and design processes are formalized with similar structures, so that future system-level integrated design by optimization can be evaluated.

International audience