Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar prèvia petició a l'Arxiu de la UPC / The unique electro-mechanical coupling properties of ferroelectrics make them ideal materials for use in micro-devices as sensors, actuators and transducers. Nevertheless, because of the intrinsic brittleness of ferroelectrics, the optimal design of the electro-mechanical devices is strongly dependent on the understanding of the fracture behavior in these materials. Fracture processes in ferroelectrics are notoriously complex, mostly due to the interactions between the crack tip stress and electric fields and the localized switching phenomena in this zone (formation and evolution of domains of different crystallographic variants). Phase-field models are particularly interesting for such a complex problem, since a single partial differential equation governing the phase-field accomplishes at once (1) the tracking of the interfaces in a smeared way (cracks, domain walls) and (2) the modeling of the interfacial phenomena such as domain-wall energies or crack face boundary conditions. Such a model has no difficulty for instance in describing the nucleation of domains and cracks or the branching and merging of cracks. Furthermore, the variational nature of these models makes the coupling of multiple physics (electrical and mechanical fields in this case) very natural. The main contribution of this thesis is to propose a phase-field model for the coupled simulation of the microstructure formation and evolution, and the nucleation and propagation of cracks in single crystal ferroelectric materials. The model naturally couples two existing energetic phase-field approaches for brittle fracture and ferroelectric domain formation and evolution. The finite element implementation of the theory is described. Simulations show the interactions between the microstructure and the crack under mechanical and electro-mechanical loadings. Another objective of this thesis is to encode different crack face boundary conditions into the phase-field framework since these conditions strongly affect the fracture behavior of ferroelectrics. The smeared imposition of these conditions are discussed and the results are compared with that of sharp crack models to validate the proposed approaches. Simulations show the effects of different conditions, electro-mechanical loadings and media filling the crack gap on the crack propagation and the microstructure of the material. In a third step, the coupled model is modified by introducing a crack non-interpenetration condition in the variational approach to fracture accounting for the asymmetric behavior in tension and compression. The modified model makes it possible to explain anisotropic crack growth in ferroelectrics under Vickers indentation loading. This model is also employed for the fracture analysis of multilayer ferroelectric actuators, which shows the potential of the model for future application. The coupled phase-field model is also extended to polycrystals by introducing realistic polycrystalline microstructures in the model. Inter- and trans-granular crack propagation modes are observed in the simulations. Finally and for completeness, the phase-field theory is extended for the simulation of conducting cracks and some preliminary simulations are also performed in three dimensions. Salient features of the crack propagation phenomenon predicted by the simulations of this thesis are directly compared with experimental observations. / Los materiales ferroeléctricos poseen únicas propiedades electro-mecánicas y por eso se utilizan para los micro-dispositivos como sensores, actuadores y transductores. No obstante, debido a la fragilidad intrínseca de los ferroeléctricos, el diseño óptimo de los dispositivos electro-mecánicos es altamente dependiente de la comprensión del comportamiento de fractura en estos materiales. Los procesos de fractura en ferroeléctricos son notoriamente complejos, sobre todo debido a las interacciones entre campos de tensión y eléctricos y los fenómenos localizados en zona de fractura (formación y evolución de los dominios de las diferentes variantes cristalográficas). Los modelos de campo de fase son particularmente útiles para un problema tan complejo, ya que una sola ecuación diferencial parcial que gobierna el campo de fase lleva a cabo a la vez (1) el seguimiento de las interfaces de una manera suave (grietas, paredes de dominio) y (2) la modelización de los fenómenos interfaciales como las energías de la pared de dominio o las condiciones de las caras de grieta. Tal modelo no tiene ninguna dificultad, por ejemplo en la descripción de la nucleación de los dominios y las grietas o la ramificación y la fusión de las grietas. Además, la naturaleza variacional de estos modelos facilita el acoplamiento de múltiples físicas (campos eléctricos y mecánicos en este caso). La principal aportación de esta tesis es la propuesta de un modelo campo de fase para la simulación de la formación y evolución de la microestructura y la nucleación y propagación de grietas en materiales ferroeléctricos. El modelo aúna dos modelos de campo de fase para la fractura frágil y para la formación de dominios ferroeléctricos. La aplicación de elementos finitos a la teoría es descrita. Las simulaciones muestran las interacciones entre la microestructura y la fractura del bajo cargas mecánicas y electro-mecánicas. Otro de los objetivos de esta tesis es la codificación de diferentes condiciones de contorno de grieta porque estas condiciones afectan en gran medida el comportamiento de la fractura de ferroeléctricos. La imposición de estas condiciones se discuten y se comparan con los resultados de modelos clasicos para validar los modelos propuestos. Las simulaciones muestran los efectos de diferentes condiciones, cargas electro-mecánicas y medios que llena el hueco de la grieta en la propagación de las fisuras y la microestructura del material. En un tercer paso, el modelo se modifica mediante la introducción de una condición que representa el comportamiento asimétrico en tensión y compresión. El modelo modificado hace posible explicar el crecimiento de la grieta anisotrópica en ferroeléctricos. Este modelo también se utiliza para el análisis de la fractura de los actuadores ferroeléctricos, lo que demuestra el potencial del modelo para su futura aplicación. El modelo se extiende también a policristales mediante la introducción de microestructuras policristalinas realistas en el modelo. Modos de fractura inter y trans-granulares de propagación se observan en las simulaciones. Por último y para completar, la teoría del campo de fase se extiende para la simulación de las grietas conductivas y algunas simulaciones preliminares también se realizan en tres dimensiones. Principales características del fenómeno de la propagación de la grieta predicho por las simulaciones de esta tesis se comparan directamente con las observaciones experimentales.

Transparent electrodes (TEs) are the essential elements of many optoelectronic devices such as solar cells, touch screens, organic LEDs, and LCDs. Consequently demand for TEs is growing very steeply and the market value presently stands at 8 billion USDs. The state-of-art indium tin oxide (ITO) has an excellent trade-off between optical transparency and electrical sheet resistance but suffers from several drawbacks, mainly the increasing cost due to indium shortage, and inadequate flexibility due to poor mechanical ductility. This thesis presents the development of a new class of TEs based on ultrathin metal films (UTMFs). The work started from understanding the fundamental aspects of UTMF growth and properties, and then focused on different UTMF based geometries, composition, and combination for potential applications in different optoelectronic applications. Single component ultrathin Ni and Cr films were shown to possess significantly high transparency in the ultraviolet (175–400 nm) and mid-infrared (2.5–25 μm) regions making them viable TE for devices such as UV photodiodes, and IR pyroelectric detectors. The natural oxidation process, which is a major concern for metal films, has been exploited to achieve stable metallic films by inducing a protective oxide layer. In another proposed novel design, incorporating an ad hoc conductive grid, the sheet resistance of UTMFs can be reduced by more than two orders of magnitude with negligible loss in transparency, which in turn eliminates the inverse trade-off relationship between optical transparency and electrical conductivity of continuous metal based TEs. A TE structure based on the ultrathin conductive Cu films with an application specific functionalized capping layer of Ti or Ni layer has been demonstrated. The properties of the TE can be tuned accordingly and show excellent stability against temperature, and oxidation. The suitability of Ag-Cu alloy films as TE as an alternative to ITO has been also investigated. The optical spectrum of such alloy films follows the average optical behavior of single component Cu and Ag layers, thus resulting in a much flatter optical response in the visible region. UTMFs combined with Al doped ZnO (AZO), which is possible ITO replacement, has also been demonstrated to show the possibility of hybridizing the two technologies. A bilayer Ag/AZO has been developed which can overcome the high reflection of metals and retain their good electrical behavior, while maintaining a minimum total film thickness. In another structure, UTMF capping layer were used to improve the stability of AZO. It was found that an ultrathin oxidized Ni capping layer with a thickness at percolation threshold greatly enhances the stability of AZO layer in harsh environment without affecting the electro-optical properties / Los electrodos transparentes (TEs) son elementos básicos de muchos dispositivos optoelectrónicos, tales como células solares, pantallas táctiles, LEDs orgánicos i LCDs. En consecuencia, la demanda de éstos TEs está creciendo paulatinamente y con un valor de mercado actual de 8 billones de dólares (USD). El estado del arte del óxido de estaño dopado con Indio (ITO) ofrece un excelente compromiso entre transparencia óptica y resistencia eléctrica de hoja pero también tiene inconvenientes, principalmente de precio debido a la escasez del Indio, así como de una inadecuada flexibilidad debida a una baja ductilidad mecánica. En esta tesis se presenta el desarrollo de una nueva clase de TEs basados en capas ultradelgadas de metales (UTMFs). El trabajo empieza des de la comprensión de los aspectos fundamentales relacionados con el crecimiento de los UTMF y sus propiedades, para luego focalizarse en diferentes geometrías, composición y combinaciones para diferentes aplicaciones potenciales en el campo de la optoelectrónica. Las capas ultradelgadas monocomponentes de Ni y de Cr han mostrado tener significativamente alta transparencia en el rango ultravioleta (175-380nm) y en el Infrarrojo mediano (2.5-25um), haciéndolos, por tanto, TE viables para dispositivos tales como fotodiodos de UV y detectores piroeléctricos del IR. El proceso natural de oxidación, el cual es un problema central para las capas metálicas, ha sido aprovechado para conseguir capas metálicas estables gracias a una capa protectora de óxido. En otro novedoso diseño, gracias a la incorporación ad hoc de una malla conductora, la resistencia eléctrica de hoja de los UTMFs puede ser disminuida hasta dos órdenes de magnitud y con una pérdida de transmisión despreciable, y por lo tanto, elimina el compromiso limitante entre transparencia óptica y conductividad eléctrica de los TE basados en capas metálicas continuas. Una estructura de los TEs, basada en una capa conductora ultradelgada de Cu, la cual puede ser funcionalizada para aplicaciones específicas con capas protectoras de Ti o Ni, ha sido demostrada. Las propiedades del TE pueden ser modificadas bajo control y muestran una excelente estabilidad a la temperatura y la oxidación. La idoneidad de la aleación Ag-Cu como capa alternativa al ITO para los TE ha sido también investigada. El espectro óptico de esta aleación sigue el comportamiento óptico medio de las capas monocomponentes de Ag y Cu, y por lo tanto se obtiene una respuesta óptica mucho mas plana en la región del espectro visible. Los UTMFs en combinación con ZnO dopado con Al (AZO), el cual es una opción factible como sustituto del ITO, ha demostrado la posibilidad de hibridar ambas tecnologías. Una bicapa de Ag/AZO ha sido desarrollada, la cual evita el problema de la alta reflexión de los metales y mantiene a su vez sus buenas propiedades eléctricas con un espesor total de capa mínimo. En otra estructura, la capa protectora de los UTMF ha sido utilizada para mejorar la estabilidad del AZO. Se ha visto que una capa protectora ultra-delgada y oxidada de Ni con un espesor igual a su límite de percolación, mejora notablemente la estabilidad de las capas de AZO, manteniendo sus propiedades electro-ópticas, incluso en condiciones severas

La societat modera presenta una creixent demanda d'energia, una quantitat significativa de la qual s'utilitza en il·luminació. El nitrur de Ga (GaN és un semiconductor de gap ample, base dels LEDs de llum blanca, que constitueixen una alternativa atractiva a les fonts de llum convencionals. Els LEDs presenten molts avantatges, tals com una llarga vida de funcionament, una mida compacta, resistència a la vibració, operació a baix voltatge, mínim cost de manteniment i un mínim impacte ambiental. L'estalvi gràcies a la substitució de les fonts de llum convencionals per LEDs seria de fins a un 20% en electricitat. Tot i que els LEDs d'alta eficiència ja estan disponibles comercialment, la seva eficiència encara requereix millores. El GaN, en la seva forma porosa, pot millorar l'extracció de la llum i l'eficiència quàntica interna d'aquests LEDs. El principal objectiu d'aquesta tesi es centra en la fabricació d'unions p-n de GaN totalment poroses per futures aplicacions en LEDs. Partícules i capes nanoporoses de GaN han estat sintetitzades per deposició química en fase vapor (CVD) a través de la reacció directa entre Ga i NH3, utitlizant diferents elements dopants tals com Mg i Si per generar els semiconductors requerits de tipus p i tipus n. L'avantatge de la nostra tècnica és que no es necessari fer cap tractament secundari després del creixement per generar la porositat. D'aquesta manera, s'han obtingut unions p-n poroses de GaN que mostres propietats prometedores per posibles aplicacions en LEDs basats en GaN d'alta brillantor i en sensors amb sensitivitat millorada. / La sociedad moderna presenta una creciente demanda de energía, una cantidad significativa de la cual se utiliza para iluminación. El nitruro de galio (GaN) es un semiconductor de gap ancho, base de los LEDs de luz blanca, que constituyen una alternativa atractiva a las fuentes convencionales de luz. Los LEDs presentan muchas ventajas tales como una larga vida de funcionamiento, un tamaño compacto, resistencia a la vibración, operación a bajo voltaje, mínimo coste de mantenimiento y un mínimo impacto ambiental. El ahorro gracias a la sustitución de las fuentes de luz convencionales por LEDs sería de hasta un 20% en electricidad. Los LEDs de alta eficiencia ya están disponibles comercialmente. Sin embargo, todavía requiere mejoras. El GaN, en su forma porosa, puede mejorar la extracción de la luz y la eficiencia cuántica interna de estos LEDs. El objetivo principal de esta tesis se centra en la fabricación de uniones p-n de GaN totalmente porosas para futuras aplicaciones en LEDs. Partículas y capas nanoporosas de GaN han sido sintetizadas por deposición química en fase vapor (CVD) a través de la reacción directa entre Ga y NH3, usando diferentes elementos dopantes tales como Mg y Si para generar los semiconductores requeridos de tipo p y tipo n. La ventaja de nuestra técnica es que no es necesario hacer ningún tratamiento secundario después del crecimiento para generar la porosidad. De esta manera, se obtuvieron uniones p-n porosas de GaN que muestran propiedades prometedoras para las posibles aplicaciones en LEDs basados en GaN de alto brillo y en sensores con sensitividad mejorada. / Modern society is experiencing a constantly increasing demand for energy. A significative amount of the energy consumed is used for lighting purposes. Gallium nitride (GaN) is a wide band gap semiconductor with important applications in white-light LEDs, which are an attractive alternative to conventional light sources with many benefits that include long operating life, compact size, vibration resistance, low-voltage operation, minimal maintenance cost and minimal environmental impact. The savings of replacing conventional light sources by LEDs would represent a reduction of around 20% in the total electricity consumed. High-efficiency and high power LEDs are now commercially available. However, the overall efficiency requires further improvement. GaN, in its porous form, is expected to enhance the light extraction and internal quantum efficiencies of these LEDs. The main objective of this thesis is focused on fabrication of fully porous p-n junctions for future LED applications. Nanoporous GaN particles and epitaxial layers were synthesized by chemical vapor deposition (CVD) through the direct reaction between Ga and NH3, using different doping elements such as Mg and Si to generate the p- and n-type required semiconductors. The advantage of our technique is that it does not require any secondary treatment after growth to generate the pores. In this way, porous GaN p-n junctions were obtained showing promising properties for potential application in high brightness GaN-based light emitting diodes and sensor devices with improved sensitivity.

Sabemos la centralidad que la noción de estado electro-tónico tuvo en la primera formulación de las ecuaciones de Maxwell. El concepto, sin embargo, proviene de Faraday, que lo introdujo a raíz de su descubrimiento de la inducción electromagnética en 1831, y recurrió a él intermitentemente en los años siguientes. La tesis pretende trazar la evolución del concepto en la obra de Faraday.El capitulo 1 se ocupa, en primer lugar, de proporcionar algunos elementos para comprender la situación de la electricidad y el magnetismo en las dos décadas del siglo XIX previas al descubrimiento del electromagnetismo en 1820. Posteriormente se discute el descubrimiento de Oersted, y dos de los resultados más notables del impacto que dicho descubrimiento produjo la electrodinámica de Ampère y el descubrimiento de Faraday de sus rotaciones electromagnéticas. Por último se discuten los primeros intentos de detectar corrientes inducidas, en particular el de Ampère.Es conocido que el descubrimiento de las corrientes inducidas se debe a Faraday. El capítulo 2 se ocupa de dicho descubrimiento y de la primera respuesta de Faraday a las anomalías que presentaba frente a sus expectativas teóricas. El concepto de estado electro-tónico, aquí introducido, resuelve estas anomalías, explicando por qué se interrumpe la primera corriente inducida y por qué se origina una en sentido opuesto al eliminar la fuerza inductiva. En el capítulo se proporciona la fecha en que Faraday leyó en la "Royal Society" una primera versión de la memoria que expone sus primeros resultados sobre la inducción, y se propone una explicación de por qué Faraday difundió una fecha inexacta aceptada posteriormente por todos los estudiosos. Asimismo, se llama la atención sobre un error que Faraday cometió en el sentido de las corrientes inducidas el mismo día en que descubrió la inducción, error que se mantuvo durante tres meses y que es posible seguir mediante las anotaciones de su diario de investigación, cuyo examen permite identificar el momento en que Faraday corrigió su error. Esta circunstancia había sido pasada por alto hasta la fecha. El capítulo termina analizando las razones que llevaron a Faraday al "abandono", en 1832, de su estado electro-tónico. Se sugiere, sin embargo, que ya desde este mismo momento Faraday intentaba armonizar su concepto con el otro que había puesto a punto para explicar la inducción: el corte de curvas magnéticas por el conductor. Desde el punto de vista de Faraday, ambos conceptos eran necesarios para proporcionar una explicación más completa de la inducción electromagnética.El capítulo 3 aborda un tema poco estudiado previamente: la investigación de Faraday, en 1834, del fenómeno de autoinducción. Sin embargo, es aquí donde re introduce el estado electro-tónico en el contexto de la inducción electromagnética. En lo que despuéS iba a identificar como la inducción de la corriente sobre sí misma, Faraday creyó primeramente un fenómeno peculiar de inducción que presentaba indicios del estado electro-tónico abandonado públicamente dos años antes. En el capítulo se explica cómo incluso después de comprender la verdadera naturaleza del supuesto fenómeno peculiar, Faraday mantuvo el concepto de estado electro-tónico y le dotó de una dimensión causal que estaba ausente en su primera formulación.Es suficientemente conocido que Faraday es el descubridor de la acción del medio en la transmisión de la inducción electrostática, acción que veía representada por su concepto de capacidad inductiva específica y la curvatura de las líneas de fuerza inductiva estática. El capítulo 4 discute estos dos temas para facilitar la comprensión de las especulaciones de Faraday, en 1838, sobre la relación entre electricidad y magnetismo. Estas especulaciones se ocupan de dos problemas que tienen un origen común: el principio de unidad de las fuerzas. Este principio, piensa Faraday, exige, por un lado, la correspondencia de la fuerza eléctrica y magnética y, por otro, que el modo de transmisión del magnetismo sea el mismo que el de la electricidad. Para resolverlo recurre a su estado electro-tónico que aparecerá, no sin una cierta ambigüedad, como el estado estático de la fuerza magnética que debe existir para preservar la correspondencia con el estado estático de la fuerza eléctrica, y como el estado que adoptan las partículas de la materia en su transmisión de la fuerza magnética.A raíz de su descubrimiento, en 1845, de la rotación del plano de polarización de la luz por la materia sometida a la fuerza magnética, Faraday creyó encontrar de nuevo indicios de su estado electro-tónico. El capitulo 5 comienza analizando esta investigación, y posteriormente se centra en el papel del estado electrotónico en la sistematización de las ideas de Faraday sobre las líneas de fuerza magnética. Para ello se discute en detalle el artículo crucial "On the Physical Character of the Lines of Magnetic Force" (1852), donde Faraday se plantea el problema de la naturaleza física de dichas líneas. Retomando el tema de la correspondencia entre estados de la fuerza eléctrica y magnética, Faraday reflexiona sobre la naturaleza de las líneas de fuerza magnética, esforzándose en determinar si su naturaleza es estática o dinámica. En el capítulo se propone que la solución de Faraday es considerar que esas líneas tienen una naturaleza dinámica, pero con un fundamento estático que se identifica con el estado electro-tónica. Con ello el concepto de estado electro-tónico llega al punto final da su evolución en la obra de Faraday.El capítulo 6 revisa, en primer lugar, las referencias al estado electro-tónico en la historiografía anterior a la monumental biografía de Faraday que Williams publicó en 1965. Posteriormente se discuten algunos puntos dudosos en la interpretación que hace Williams del concepto de estado electro-tónico, y en las de trabajos posteriores, como los de Agassi, Berkson y Gooding. / This dissertation traces the history, in Faraday's work, of his concept of an electro-tonic state. After a first introductory chapter, chapter 2 examines Faraday's discovery of the electromagnetic induction. It is argued that Faraday made a mistake on the direction of the induced currents right on the same day of his discovery, 29 August 1831. This mistake lasted more than three months and its correction was consequential for Faraday's withdrawal of his electro-tonic state in 1832. As far as I know, Faraday's mistake has been overlooked by Faraday scholars.Chapter 3 focuses on a previously little studied topic: Faraday's study of self-induction in 1834. It is argued that here is where he introduced again his notion of an electro-tonic state, providing it with a causal dimension previously absent.Chapter 4 examines Faraday's appeal to his electro-tonic state in 1838. Two problems demanded this appeal. First of all, Faraday's strong feeling in favour of the necessary existence of a correspondence between states of the electric and magnetic force. Second one, Faraday's conviction about magnetic force being transmitted, as electric force, through the action of contiguous particles.Chapter 5 looks into the role of the electro-tonic state in Faraday's discussion of the nature of the physical lines of magnetic force in 1852. The point is made that Faraday was inclined to consider the lines as having a dynamic nature, but with a static foundation: the electro-tonic state.The last chapter discusses some points in the interpretation of Faraday's electro-tonic state put forward by scholars like Williams, Agassi, Berkson and Gooding.

L'objectif de la thèse a été de mettre en place dans un premier temps des modèles analytiques et statistiques permettant d'évaluer les performances d'un système à retournement temporel de fortes-puissances puis de les vérifier grâce à des mesures.Des campagnes de mesures ont alors permis de vérifier les modèles. Des simulations numériques ont aussi montrées les possibilités offertes par un tel système.En parallèle, des travaux sur l'impact des antennes dans une chambre réverbérantes ont été menés afin d'évaluer les performances d'un système ayant plusieurs sorties.Les résultats de thèses ont permis l'élaboration de nouvelles métriques des performances du système.Le développement d'un prototype a nécessité la conception et la réalisation de chacune des branches du système complet.Les premières campagnes de mesures ont permis la validation complète des modèles. / A main aspect of this work has been to develop analytical and statistical models of the power efficiency of a time-reversal amplification system (TRAS).It is also important to evaluate the efficiency of a reverberation chamber. This allows quantifying the power received by one or more antenna when the reverberation chamber is excited. This factor is important when considering construction of the most efficient chamber for time-reversal amplification.Measurements assessing the loading effect of antennas in reverberation chambers when the field can be considered diffused were also undertaken. The study focuses on the evaluation of the varying quality factor when adding loaded antennas in the chamber.Another focus of this work is to evaluate the ratios between signals during calibration and focusing phase. An important aspect of the studies presented in this work thus concerns evaluation of the maximum value of the impulse response in a complex propagation system.We also present the power gain of time-reversal techniques and its statistical advantages compared to a classic use of a reverberation chamber.The development of a prototype required the design and implementation of each of the branches of the complete systems.The first measurement campaigns allowed the complete validation of the models.

En aquesta tesis s’estudia l’aplicació de la tècnica Extremum Seeking Control per extreure la màxima potència de generadors fotovoltaics. Es realitza una anàlisi detallada d’aquesta tècnica per tal d’ajustar els paràmetres de l’algoritme i aconseguir així les prestacions desitjades. Per a millorar aquestes prestacions de l’algoritme de la dependència de la curvatura de la característica V-P del panel. El segon vol millorar les prestacions mitjançant la sincronització de senyals amb l’addició d’una unitat de processament de fase. Finalment, es limiten els transitoris dels elements dinàmics del generador fotovoltaic mitjançant un saturador que aportem al llaç de control. Amb totes aquestes millores i el correcte ajustament dels paràmetres de control es poden assolir temps d’establiment de l’ordre de milisegons i rendiments del control per sobre del 99.5%. / En esta tesis se estudia la aplicación de la técnica Extremum Seeking Control para extraer la máxima potencia de generadores fotovoltaicos. Se realiza un análisis detallado de esta técnica con el fin de ajustar los parámetros del algoritmo para conseguir las prestaciones deseadas. Para mejorar estas prestaciones se implementa la adición de diferentes bloques al algoritmo ESC. El primero de ellos se trata de un estimador del hessiano que permite desvincular las prestaciones del algoritmo de la dependencia de la curvatura de la característica V-P del panel. El segundo pretende mejorar las prestaciones mediante la sincronización de señales con la adición de una unidad de procesamiento de fase. Finalmente, se limitan los transitorios de los elementos dinámicos del generador fotovoltaico mediante un saturador que aportamos al lazo de control. Con todas estas mejoras y el correcto ajuste de los parámetros de control se puede alcanzar tiempos de establecimiento de la orden de milisegundos y rendimientos del control por encima del 99.5%. / n this thesis the application of the Extremum Seeking Control technique is studied to extract the maximum power of photovoltaic generators. A detailed analysis of this technique is carried out in order to adjust the algorithm parameters to achieve desired performances. To improve these benefits different blocks are added to ESC algorithm. The first one is an estimate of the Hessian that allows decoupling algorithm performances dependence on the curvature of the V-P characteristic of the panel. The second one aims to improve the performances by synchronizing signals with the addition of a phase processing unit. Finally, transients dynamic elements of the PV array are limited by a saturator added to the control loop. With all these improvements and the correct setting of the control parameters can be setup times achieving the order of milliseconds and returns control over 99.5%.

Cette thèse porte sur la modélisation des ondes électromagnétiques en milieu complexe et à haute fréquence. Ceci reste un défi, de part les besoins en temps de calcul et en place mémoire que cela suscite. L'idée de la méthode Finite Element Tearing and Interconnect (FETI) est de diviser le domaine en sous-domaines distincts dans lesquels des problèmes électromagnétiques peuvent être résolus de manière indépendante. Une modification de la méthode classique, appelée FETI-DPEM2-full, est ici proposée afin d'améliorer le processus numérique. Les champs diffractés par différents objets ont ainsi été simulés et comparés avec succès à des champs expérimentaux. A partir de ces champs, les techniques d'imagerie micro-onde permettent de déterminer les paramètres électromagnétiques des objets illuminés. Ce problème inverse peut être réécrit sous la forme d'un problème d'optimisation faisant appel à la résolution de deux problèmes directs à chaque itération. Une méthode de type quasi-Newton a donc été couplée efficacement avec la méthode FETI-DPEM2-full. Des reconstructions obtenues à partir de champs mesurés sont présentées et valident la chaîne méthodologique proposée. / This PhD work is devoted to the electromagnetic modeling of threedimensional large-scale wave propagation problems, which is very challenging in terms of memory and computation time. The main idea of the Finite Element Tearing and Interconnect (FETI) method is to divide the domain into non-overlapping subdomains where each electromagnetic problem can be independently solved. A modification of the classical FETI method, called the FETI-DPEM2-full method, is proposed herein to improve the numerical process. The fields scattered by various structures have thus been computed and successfully compared with measured fields. From these experiments, quantitative microwave imaging algorithms attempt to estimate the physical parameters of the illuminated target. This inverse problem is recasted into a minimization problem where two forward problems are required at each iteration step. A quasi-Newton algorithm has thus been efficiently coupled with the FETI-DPEM2-full method. Reconstructions of various targets from measured scattered fields have been successfully performed, which validates the effectiveness of the proposed methodology.

En IRM haute résolution du petit animal, un rapport signal sur bruit (RSB) convenable demande habituellement l'utilisation d'un champ magnétique statique beaucoup plus élevé, (jusqu'à 20 T) que pour les applications cliniques quotidiennes (1,5 et 3 T). Une alternative est offerte avec le développement récent d’antennes miniatures en matériau supraconducteur à haute température critique (HTS). Cependant de nombreux problèmes liés à ce type d'antennes subsistent et limitent leur diffusion à grande échelle. Le présent manuscrit présente le développement théorique et expérimental d'une antenne de surface HTS de très petite dimension destinée à l’imagerie du cerveau de souris in vivo à 4,7 T.La première partie traite de la modélisation électromagnétique 3D, à l’aide d’un logiciel commercial (CST-Microwave Studio), de structures monolithiques auto-résonantes adaptées à l'obtention de facteurs de qualité extrêmement élevés (105). Le modèle numérique permet, par rapport à un modèle analytique approché, une meilleure prise en compte de la complexité géométrique de l’antenne et de son environnement cryogénique proche, dont les effets sur les caractéristiques radiofréquences de l’antenne sont considérables.Une deuxième partie présente l'étude des effets du champ statique (de 0 à 4,7 T) et de la température (de 65 à 83 K) sur les caractéristiques électriques d’une antenne HTS, dans le domaine de fréquences de l'IRM pour lequel les propriétés des supraconducteurs ont été peu étudiées jusqu'ici. L'étude montre que les effets délétères du champ sur la sensibilité de l’antenne sont partiellement compensés par une diminution modérée de sa température de fonctionnement. Cette diminution est accessible avec un dispositif original de contrôle de température qui évite de faire appel à un système cryogénique complexe limitant le domaine d’application des antennes HTS.La troisième partie présente les résultats obtenus en imagerie à 4,7 T avec une antenne de surface en matériau HTS dont la taille (diamètre de 6 mm) a été optimisée pour obtenir les meilleures performances en RSB, en vue d'une intégration dans un réseau de 4 antennes. Un RSB 4,5 fois supérieur à celui obtenu avec une antenne en cuivre de même géométrie a été démontré sur fantôme. Ce travail aboutit à la réalisation de la première image de cerveau de souris in-vivo à une valeur de champ supérieure à 3 T avec une antenne HTS. La mise en réseau d'antennes de ce type devrait permettre de couvrir le cerveau de souris complet en imagerie très haute résolution à 4,7 T, avec un RSB comparable à celui qui est accessible aujourd'hui à la limite supérieure de champ magnétique. / High resolution magnetic resonance imaging (MRI) of small animals requires generally higher static magnetic field (up to 20 T) than those used for clinical applications (1,5 and 3 T) in order to reach a satisfactory signal to noise ratio (SNR). An alternative can be the use of miniature surface coils made of high temperature superconducting (HTS) material. However, several issues remain with such coils and limit their use at a large scale. In this work we present the theoretical and experimental development of a miniature HTS surface coil dedicated to mouse brain imaging at 4.7 T.The first chapter presents 3D electromagnetic simulations to design monolithic self-resonant structures with very high quality factors (≈105) using a commercial software (CST-Microwave Studio). In contrast to an analytical model, a numerical model allows to handle the complex geometry of the coil and its cryogenic environment, which may influence notably the radiofrequency characteristics of the coil.The second chapter presents a study of the coupled effects of the static magnetic field B0 (from 0 to 4,7 T) and temperature (from 66 to 80 K) on the electrical properties of a HTS coil in the frequency range involved in MRI, for which HTS properties have been poorly studied. This study shows that deleterious effects of B0 on coil sensitivity can be partially compensated by a moderate decrease of its working temperature. An original cryogenic system was designed to enable temperature regulation avoiding the use of more complex systems that limit the use of HTS coils for MRI experiments.The third chapter presents MRI results obtained at 4.7 T using a small HTS surface coil. The 6 mm coil has been optimized for best SNR performances and in order to be integrated in a 4-element coil array in a future refinement. A 4.5 fold SNR enhancement as compared to the one achieved using a copper coil with the same geometry was demonstrated. This work provides the first in-vivo imaging of a mouse brain using a HTS coil at a B0 value higher than 3 T. Arrays made of such coils will allow to perform very high resolution imaging of the complete mouse brain at 4.7 T with SNR values that are comparable to those achieved at the highest B0 fields accessible today.

La existencia de máquinas eléctricas industriales desde finales del siglo XIX implica que es un sector de desarrollo maduro donde parecen difíciles nuevos conceptos de máquina, a no ser que el desarrollo de nuevos materiales o tecnologías de fabricación hagan que conceptos de máquina con pocas aplicaciones pase a ser objeto de mejora y optimización. Analizando la literatura de estos últimos años (ver bibliografía), donde se pueden encontrar máquinas nada convencionales, se infiere que los diseños más interesantes hacen referencia a flujos que ya no pueden simplificarse a dos dimensiones como en los motores convencionales, sino que requieren interpretarlo en sus tres dimensiones. De todas las topologías propuestas es la máquina de flujo axial la que está encontrando mayor número de aplicaciones.En esta tesis doctoral se pretende presentar el estado del arte de esta topología de máquina, justificar su necesidad frente/junto a las máquinas radiales, presentar los parámetros de diseño fundamentales de la misma, presentar el modelo analítico tradicional de máquina de inducción, aportando la solución analítica de las ecuaciones de la máquina.En las máquinas axiales de inducción con rótor sólido no ferromagnético se presentan fenómenos que no tienen explicación evidente, como puede ser el giro en vacío a velocidades muy alejadas de la de sincronismo, o las dificultades en el arranque de las mismas. Con anterioridad ya se han hecho intentos de aplicar caminos de corriente preferentes en maquinas de este tipo con el fin de mejorar las prestaciones, pero aún no se ha logrado encontrar una explicación a alguno de los fenómenos que rodean a este tipo de máquinas.Se ha analizado modelos en 3 dimensiones de máquinas de flujo axial empleando el Método de los elementos finitos (MEF), puesto que el problema de las máquinas de flujo axial es un problema tridimensional, como así se reconoce en la bibliografía consultada.La simulación en 3 dimensiones (3D) de campos electromagnéticos no es novedad, puesto que existe software que permite el cálculo en 3D, sin embargo las simulaciones consultadas en la bibliografía son siempre con campos magnéticos estáticos, la mayoría de veces en 2D y nunca aplicada a cuerpos en movimiento.De los trabajos realizados se ha comprobado que para extraer conclusiones, es tan importante el número como la imagen gráfica de la simulación. Se han validado los resultados en base a los prototipos desarrollados en el Departament d'Enginyeria Elèctrica de la UPC. Desarrollados dentro del equipo de trabajo en el que ha trabajado el autor, dirigidos por Ricard Bosch Tous.Estos prototipos tienen en común la geometría axial, el número de polos y las similares dimensiones interiores y exteriores. Se ha trabajado sobre máquinas de 20 pares de polos, formadas por 1 ó 2 inductores constituidos por un soporte ferromagnético o no, sobre el que se bobina el devanado inductor. El rótor es siempre un disco de aluminio de diferentes dimensiones en función del prototipo.Se ha concluido la necesidad de emplear rotores ranurados debido a los vórtices de corriente que se forman, con el fin de alargar las líneas de corriente y por lo tanto la componente útil de la misma.Se ha concluido también la necesidad de incrementar las frecuencias de trabajo por encima de la f de 50 Hz. Existiendo frecuencias donde se prevé un mejor funcionamiento, que son los 500 y 1000 Hz. / Electrical Machines began to develop in early beginning of XIXth century. This means they have evolved for two centuries, and actually, from an electromechanical point of view, it is difficult to improve them.But there exists other topologies of electrical machines which were forgotten practically from the beginning of their evolution, as in case of axial flux machines.New materials and manufacturing techniques can make possible to develop and improve them.Taking a look on the recent literature related with non conventional machines, as it is the case of linear or axial flux machines, one can see that conventional two dimensional analysis gives little result. Due to the particular topology of these machines, magnetic field must be analysed in its three dimensions.The aim and goal of this thesis is to show the state of the art of axial flux machines, to justify its need against/beside radial flux machines, to show the basic design parameters and to analyse a 2 stator 1 rotor axial flux machine using the Finite Element Merhod (FEM).Axial flux induction machines with non ferromagnetic rotor show results of extremely difficult explanation, as a no load speed far away from synchronous speed. In previous works other authors have tried to fix preferred paths for induced current in these machines, but actually no answer has been found for a lot of questions around them.In this work a three dimensional analysis of the axial flux machine, through FEM simulations with moving rotor, have been performed using ANSYS software.No references of similar works have been found in the literature.Prototypes of axial flux machines with non ferromagnetic conductive rotor have been developed in the "Departement d'Enginyeria Elèctrica" of the Polytechnic University of Catalonia, by the team of Dr. Ricard Boch.Iron and ironless inductors have been tested showing similar results and showing speeds at no load that agree with the simulations.The conclusion of the thesis is that these machines ar so sensitive to frequency (f) and s and show better results at 500 Hz and 1 kHz.It has been proposed to use slotted rotors to break the current vortex and to extent the current lines to improve the torque of the machine.

SA l'actualitat les societats industrials avançades basen el seu desenvolupament en les noves Tecnologies de la Informació i les Comunicacions (TIC). Però aquestes tecnologies són molt sensibles a la qualitat i continuïtat del seu subministrament d'energia elèctrica. Per aquest motiu els Sistemes d'Alimentació Ininterrompuda (SAI) i, per tant, els onduladors, estan agafant un nou protagonisme com a elements fonamentals de la nova societat de les TIC.Els equipaments de les TIC són en la seva totalitat equips electrònics que es comporten com a càrregues no lineals per a la xarxa elèctrica que els alimenta. Les càrregues no lineals consumeixen intensitats no sinusoïdals que en el cas d'ésser alimentades per SAI originen una distorsió harmònica de l'ona de tensió sinusoïdal de sortida. En aquests moments els SAI presents al mercat presenten una Distorsió Harmònica Total (THD) no inferior al 5% quan alimenten càrregues no lineals. Disminuir aquesta distorsió és l'actual repte en el disseny dels onduladors dels SAI.El present treball proposa una sèrie de tècniques de control, per tal d'aconseguir onduladors amb una molt baixa taxa de distorsió harmònica, basades en una nova metodologia de control no lineal provenint de la teoria del control en mode lliscant. La principal aportació del control en mode lliscant és la seva robustesa davant les pertorbacions i, per tant, sembla una tecnologia de control perfectament adaptada per a respondre a les càrregues no lineals de les TIC. La principal dificultat de l'aplicació pràctica dels controls que s'estudien en el present treball és la necessitat d'efectuar els càlculs necessaris amb una elevada velocitat per tal d'aconseguir freqüències d'execució de l'algoritme de control no inferiors a 40 kHz.En el present treball s'han dissenyat i construït els prototipus necessaris per tal d'implementar els algoritmes de control estudiats perquè siguin executats en un Processador Digital de Senyal (DSP) amb una freqüència d'execució prou elevada per tal d'aconseguir una distorsió harmònica total (THD) extraordinàriament baixa alimentant càrregues totalment no lineals. Es creu sincerament que no existeix, en aquests moments, al mercat cap altre ondulador amb les característiques aconseguides. / Nowadays, advanced industry societies base their development on Information Technologies and Communication (ITC). But these technologies are very sensitive to quality and continuity of power supply. For this reason Uninterruptible Power Supply (UPS) and, in fact, inverters are taking the chief role in fundamental elements of new societies of ITC.ITC equipment is totally electronics and their behaviour is like a nonlinear load for electrical grid supplying them. Nonlinear loads consume non-sinusoidal currents that in case they are supplied by an UPS produce harmonic distortion of the voltage output wave. Nowadays, UPS in the market achieve a Total Harmonic Distortion (THD) not less than 5% when supplying nonlinear loads. Decrease this distortion is the goal in UPS inverter design.The present work proposes several techniques in order to obtain a low THD. These techniques are based on a new nonlinear control methodology developed from sliding mode control theory. The main feature of sliding mode control is its robustness in front of perturbations and, therefore, it seems a very interesting method for nonlinear loads of the ITC. However, the main difficulty in the actual application is the need for high speed processors in order to achieve high frequency algorithm execution, not less than 40 kHz.In the present work new prototypes have been designed and constructed to implement the studied control algorithms. Theses prototypes use high speed DSPs in order to achieve a low THD in the inverter supplying nonlinear loads. In the market does not exist a similar inverter with similar features like ones developed in this work.