Cette thèse présente une nouvelle extension d’onduleur multiniveaux, appelé ‘Multi Neutral Point’ (MNP). Cet onduleur est déduit des topologies des structures multiniveaux ‘Neutral Point Clamped’ (NPC) et ‘Multi Point Clamped’ (MPC). Les intérêts de cette extension sont: l’absence de diodes de bouclage, la possibilité de disposer de tous les nombres de niveaux, pairs et impairs et possibilité de fonctionner en mode dégradé. Nous avons élaboré une commande rapprochée simple des transistors de puissance, d’abord pour un MNP à 3 niveaux, ensuite pour les nombres de niveaux supérieurs. Nous avons comparé les pertes de puissance d’un onduleur MNP et d’un onduleur NPC. Les pertes de l’onduleur MNP sont largement inférieures à celles de l’onduleur NPC. Dans l’optique de contrôler en courant l’onduleur MNP, une stratégie nouvelle par régulateur PID d’ordre fractionnaire est également développée. Ce contrôle permet de diminuer nettement les erreurs d’amplitude et de phase entre le courant de référence et le courant de charge. La méthode nécessite le réglage des différents paramètres de contrôle en utilisant le principe d'optimisation ‘’multi-objectif’’. Le fonctionnement de l’ensemble convertisseur-contrôle-commande est enfin largement validé par simulation et par expérimentation / This thesis presents a new extension of multilevel inverters, called 'Multi Neutral Point' (MNP). This topology is deduced from Neutral Point Clamped (NPC) and Multi Point Clamped (MPC) structures. The advantage of this extension is twofold: the absence of clamping diodes and the possibility of operating on all the numbers of levels (even and odd). We have developed a simple command; we first present the command strategy for a three levels MNP, then for a five level MNP. We have compared the power losses in the power switches of an MNP and an NPC. The power losses for an MNP are far below those of the NPC inverter. For this inverter model, we have chosen a robust current control by a fractional PID controller. This control strategy can sharply reduce the amplitude and the phase errors between the reference current and the load one. This method requires the setting of various control parameters thanks to the principle of ‘’multiobjective optimization.'' In the end the set of converter-control command is validated by simulation and experimentation; the simulated and experimental results match very well

Ce manuscrit de thèse propose l'optimisation de l'ensemble de la chaîne de reproduction sonore dans un système embarqué. Le premier axe de recherche introduit les notions générales concernant les systèmes audio embarqués nécessaires à la bonne compréhension du contexte de la recherche. Le principe de conversion de l'ensemble de la chaine est présenté afin de comprendre les différentes étapes qui composent un système audio. Un état de l'art présente les différents types de haut-parleurs ainsi que l'électronique associé les plus couramment utilisées dans les systèmes embarqués. Le second axe de recherche propose une approche globale : une modélisation électrique du haut-parleur (tenant compte d'un nombre optimal de paramètres) permet à un électronicien de mieux appréhender les phénomènes non-linéaires du haut-parleur qui dégradent majoritairement la qualité audio. Il en résulte un modèle viable qui permet d'évaluer la non-linéarité intrinsèque du haut-parleur et d'en connaitre sa cause. Les résultats des simulations montrent que le taux de distorsion harmonique intrinsèque au haut-parleur est supérieur à celui généré par un amplificateur. Le troisième axe de recherche met en avant l'impact du contrôle du transducteur. L'objectif étant de savoir s'il existe une différence, du point de vue de la qualité audio, entre la commande asservie par une tension ou par un courant, d'un micro-haut-parleur électrodynamique. Pour ce type de transducteur et à ce niveau de la modélisation, le contrôle en tension est équivalent à contrôler directement le haut-parleur en courant. Néanmoins, une solution alternative (ne dégradant pas davantage la qualité audio du signal) pourrait être de contrôler le micro-haut-parleur en courant. Le quatrième axe de recherche propose d'adapter les spécifications des amplificateurs audio aux performances des micro-haut-parleurs. Une étude globale (énergétique) démontre qu'un des facteurs clés pour améliorer l'efficacité énergétique du côté de l'amplificateur audio est la minimalisation de la consommation statique en courant, en maximalisant le rendement à puissance nominale. Pour les autres spécifications, l'approche globale se base sur l'étude de l'impact de la spécification d'un amplificateur sur la partie acoustique. Cela nous a par exemple permis de réduire la contrainte en bruit de 300%. Le dernier axe de recherche s'articule autour d'un nouveau type de transducteur : un micro-haut-parleur en technologie MEMS. La caractérisation électroacoustique présente l'amélioration en terme de qualité audio (moins de 0,016% de taux de distorsion harmonique) et de plage de fréquence utile allant de 200 Hz à 20 kHz le tout pour un niveau sonore moyen de 80dB (10cm). La combinaison de tous les efforts présente un réel saut technologique. Enfin, la démarche globale d'optimisation de la partie électrique a été appliquée aux performances du MEMS dans la dernière section, ce qui a notamment permis de réduire la contrainte en bruit de 500%.

Les dispositifs DBD se répandent dans un grand nombre d’applications industrielles. Utilisés depuis plus de 150 ans pour la production d’ozone afin de décontaminer l’eau à grande échelle, ils ont depuis la fin du XXème siècle investi les domaines du traitement de surface polymère, du dépôt de couche mince sur substrat et de l’émission lumineuse pour la décontamination ainsi que la médecine. Ces dispositifs sont mis en oeuvre avec un générateur électrique dont les caractéristiques impactent fortement la qualité de la décharge. Ce travail s’inscrit en partie dans le cadre du développement d’une application de traitement de surface à pression atmosphérique. Il aborde la problématique de l’augmentation de la vitesse de dépôt de couche mince au travers des paramètres de l’alimentation électrique. Plus précisément, ce travail s’intéresse aux apports d’une alimentation en courant rectangulaire et aborde également les problématiques liées à la conception et à la fabrication de ce convertisseur. En particulier, une grande attention est portée sur l’étude du transformateur élévateur, car au travers de ses éléments parasites capacitifs, ce dernier peut limiter le transfert de puissance entre la source électrique et le dispositif DBD. Un deuxième aspect de cette étude consiste à entrevoir l’intérêt que revêtent deux convertisseurs statiques dédiés à l’alimentation de dispositifs DBD. Le premier consiste en une alimentation résonante en régime de conduction discontinue dont la particularité est de posséder trois degrés de liberté (fréquence, tension d’entrée et largeur d’impulsion), ce qui lui confère un intérêt exploratoire. Le second convertisseur consiste en une alimentation résonante haute tension et haute fréquence permettant l’éviction du transformateur élévateur, et mettant en oeuvre des interrupteurs au nitrure de gallium (GaN) afin d’atteindre une fréquence de fonctionnement supérieure au mega-Hertz avec un faible niveau de pertes. / DBD devices are widely used in industrial applications. 150 years ago, they were only employed in ozoners for water decontamination. In recent decades, the progress of knowledge and technology allowed to use them in many other applications like surface treatment, medical applications and light emission. Actually, these devices are supplied with an electrical source which parameters can strongly impact the discharge behaviour. An important part of this work comes within the framework of the development of an atmospheric pressure surface treatment involving DBDs. The issue of the influence of the generator's electrical parameters on the treatment speed is discussed. In particular, this work focuses on the merits of a rectangular shaped current source concerning the behavior of an atmospheric pressure discharge in nitrogen ; the problems related to the design and the fabrication of such a converter are highlighted. The design of the high voltage transformer is then described in detail since its lumped elements play an important role as they can strongly limit the power transfer between the electrical source and the DBD device. A second aspect of this work is to establish the interests of two particular power converters. The first one is a resonant converter operating in a discontinuous conduction mode ; its merits is to exhibit three degrees of freedom (input voltage, frequency, current pulse width) instead of two, which is a tremendous asset for exploring purposes. The second one is a high-frequency resonant converter where a resonant inductance and the DBD device structural capacitances are used instead of a high voltage transformer to perform the voltage amplification, which circumvents the issue related to the transformer parasitic elements. This converter is based on GaN HEMT switches in order to reach a low semiconductor losses level and a fairly high operating frequency (above the mega-Hertz).

Ce manuscrit de thèse propose l'optimisation de l'ensemble de la chaîne de reproduction sonore dans un système embarqué. Le premier axe de recherche introduit les notions générales concernant les systèmes audio embarqués nécessaires à la bonne compréhension du contexte de la recherche. Le principe de conversion de l'ensemble de la chaine est présenté afin de comprendre les différentes étapes qui composent un système audio. Un état de l'art présente les différents types de haut-parleurs ainsi que l'électronique associé les plus couramment utilisées dans les systèmes embarqués. Le second axe de recherche propose une approche globale : une modélisation électrique du haut-parleur (tenant compte d'un nombre optimal de paramètres) permet à un électronicien de mieux appréhender les phénomènes non-linéaires du haut-parleur qui dégradent majoritairement la qualité audio. Il en résulte un modèle viable qui permet d'évaluer la non-linéarité intrinsèque du haut-parleur et d'en connaitre sa cause. Les résultats des simulations montrent que le taux de distorsion harmonique intrinsèque au haut-parleur est supérieur à celui généré par un amplificateur. Le troisième axe de recherche met en avant l'impact du contrôle du transducteur. L'objectif étant de savoir s'il existe une différence, du point de vue de la qualité audio, entre la commande asservie par une tension ou par un courant, d'un micro-haut-parleur électrodynamique. Pour ce type de transducteur et à ce niveau de la modélisation, le contrôle en tension est équivalent à contrôler directement le haut-parleur en courant. Néanmoins, une solution alternative (ne dégradant pas davantage la qualité audio du signal) pourrait être de contrôler le micro-haut-parleur en courant. Le quatrième axe de recherche propose d'adapter les spécifications des amplificateurs audio aux performances des micro-haut-parleurs. Une étude globale (énergétique) démontre qu'un des facteurs clés pour améliorer l'efficacité énergétique du côté de l'amplificateur audio est la minimalisation de la consommation statique en courant, en maximalisant le rendement à puissance nominale. Pour les autres spécifications, l'approche globale se base sur l'étude de l'impact de la spécification d'un amplificateur sur la partie acoustique. Cela nous a par exemple permis de réduire la contrainte en bruit de 300%. Le dernier axe de recherche s'articule autour d'un nouveau type de transducteur : un micro-haut-parleur en technologie MEMS. La caractérisation électroacoustique présente l'amélioration en terme de qualité audio (moins de 0,016% de taux de distorsion harmonique) et de plage de fréquence utile allant de 200 Hz à 20 kHz le tout pour un niveau sonore moyen de 80dB (10cm). La combinaison de tous les efforts présente un réel saut technologique. Enfin, la démarche globale d'optimisation de la partie électrique a été appliquée aux performances du MEMS dans la dernière section, ce qui a notamment permis de réduire la contrainte en bruit de 500%. / This thesis proposes the optimization of the whole sound reproduction chain in an embedded system. The first research axis is introduces the general concepts concerning audio systems necessary for the good understanding of the context of research. The principle of conversion of the entire chain is presented to understand the stages that make up a sound system. A state of the art presents various loudspeakers and the associated electronics most commonly used in embedded systems. The second research axis proposes a global approach: electric modeling of loudspeaker (taking into account an optimum number of parameters) that allows electronics engineer a better understanding of the nonlinear phenomena that degrade mostly audio quality in loudspeakers. It results in a sustainable model which evaluates the intrinsic non-linearity in loudspeakers and to know its cause. The simulation results show that the total harmonic distortion intrinsic to the loudspeaker is higher than that the distortion generated by an amplifier. The third research axis highlights the impact of the control of the transducer. The aim is to find out if there is a difference, in terms of audio quality, between the feedback control by voltage or current, for an electrodynamic micro-speaker. For this type of transducer and at this level of modeling, voltage control is equivalent to directly control the current of the micro-speaker. However, an alternative solution (not further degrading the signal audio quality) could be to control directly the micro-speaker by a current. The fourth research axis proposes to adapt the audio amplifiers specification to the performance of the micro-speakers. A comprehensive study of an energy point of view shows that a key factor for improving the energy efficiency of the audio amplifier is the minimization of the static power consumption and the maximization of the performance at nominal power. For other specifications, the global approach is based on the study of the impact of the specification of an amplifier on the sound pressure level. This has allowed, for example to reduce the stress in output noise voltage by a ratio of 300 %. The last research axis focuses on a new type of transducer: a micro-speaker in MEMS technology. Electroacoustic characterization shows the improvement: in terms of audio quality (less than 0.016 % total harmonic distortion) and the useful frequency range from 200 Hz to 20 kHz, the whole for an average sound level of 80 dB (10 cm). The combination of all the efforts presents a real technological leap. Finally, the overall process of optimization of the electrical part has been applied to the performance of MEMS in this last section, which has resulted, for example, in a reduction in the noise constraint of 500 %.