Ce travail de recherche pluridisciplinaire a consisté en l'étude de cellules photovoltaïques organiques à base de nouveaux copolymères à blocs de type rigide-flexible. L'idée était de proposer une alternative aux mélanges donneur/accepteur, dont la morphologie en film est très difficile à contrôler, en élaborant de nouveaux matériaux conjugués capables de s'auto-organiser et de créer une nano-structuration de la couche active, permettant ainsi d'optimiser certains paramètres du processus photovoltaïque (dissociation de l'exciton, conduction des charges vers les électrodes). La première étape a consisté à développer une synthèse simplifiée et versatile de copolymères constitués d'un bloc conjugué donneur (poly(3-hexylthiophène), d'un bloc flexible polystyrène, et d'un accepteur d'électron (C60). La seconde étape a consisté à caractériser ces matériaux originaux en tant que couche active ou compatibilisants dans des dispositifs photovoltaïques organiques et ainsi montrer leur potentiel. / This multidisciplinary work deals with the study of organic photovoltaic cells based on new rod-coil block copolymers. The aim was to replace donor/acceptor blends which are currently limited by poor control over their thin-film morphology. It was expected that the new materials may self-assemble to give a nano-structuration of the active layer, and thereby optimize the principal physical photovoltaic processes, namely exciton separation and conduction of charge-carriers through the film to the electrodes. A versatile and simplified synthesis of rod-coil copolymers consisting of a donor conjugated block [poly(3-hexylthiophene], a flexible block (polystyrene) and an electron acceptor (C60) was developed. The characterization of the new materials demonstrated their potential as an active layer or compatibilizer in photovoltaic devices.

L’étude a pour objectif l’amélioration de la fiabilité des assemblages électroniques à travers la mise en œuvre de drains composites aluminium/fibres de carbone. Le travail a consisté à 1) modéliser, par la méthode des éléments finis, l’influence des propriétés thermiques et mécaniques du matériau de semelle sur l’assemblage életronique ; 2) élaborer (par frittage sous charge uniaxiale, frittage flash et extrusion à chaud) des matériaux composites aluminium/fibres de carbone ; et 3) lier les microstructures observées aux paramètres des procédés d’élaboration ainsi qu’aux propriétés thermiques et mécaniques mesurées. / This study has been done in order to improve power electronic devices reliability using aluminium/carbon fibres composites. This work has consisted in 1) determining, using finite elements method, the thermal and mechanical influence of the electronic base plate material; 2) elaborating (using hot pressing, spark plasma sintering and hot extrusion) aluminium/carbon fibres composites; and 3) linking the microstructures observed to the elaboration parameters and to the thermomechanical properties measured.

Ces dernières années, les besoins en électronique de puissance s’orientent vers la miniaturisation globale des cartes électroniques, parallèlement à une augmentation des puissances de travail. C’est dans ce contexte que s’inscrivent les travaux de cette thèse, principalement axée sur l’élaboration, l’amélioration des performances et l’intégration de composants passifs (inductances, transformateurs…) en électronique de puissance.Les matériaux choisis pour remplir les fonctions magnétiques de ces composants dans leurs conditions de travail sont les ferrites NixZn1-xFe2O4 (0<x<1). Du cuivre est ajouté pour diminuer la température de frittage, de plus de 1200 °C à moins de 950°C, permettant le cofrittage avec un métal conducteur, et du cobalt pour diminuer les pertes totales en puissance du ferrite formé. La formulation finale devient alors (NixZnyCuz)1-εCoεFe2-δO4 (x+y+z=1). Enfin, de l’oxyde de bismuth Bi2O3 est ajouté comme fondant pour abaisser encore la température de frittage et éviter les problèmes de diffusion.Après une étude bibliographique, les travaux se sont orientés selon différents axes. Il s’agissait tout d’abord d’optimiser la formulation du ferrite pour élaborer des échantillons aux propriétés électromagnétiques et physicochimiques ciblées. Cet axe de travail regroupe de nombreuses études sur la formulation des ferrites Ni-Zn-Cu-Co, parmi lesquelles les principales sont l’étude de l’influence de la stœchiométrie en fer, du rapport Ni/Zn dans la formulation et du procédé d’ajout de cobalt selon son taux. Ces travaux ont permis de mettre en évidence qu’un léger défaut de fer maîtrisé (~Fe1,98) pouvait améliorer les propriétés et les performances de ces ferrites. L’étude de l’influence du rapport Ni/Zn a permis la réalisation de ferrites à perméabilités très faibles, de 40 à 135, et aux bonnes performances en puissance. Les résultats de cette étude ont été publiés dans le Journal of the Japan Society of Powder and Metallurgy. Tout au long de la thèse, l’élaboration d’échantillons céramiques, base incontournable de chaque étude, a été réalisé au laboratoire, comme la plupart des tests et caractérisations. Ces derniers peuvent être microstructuraux et physicochimiques (DRX, MEB, BET, ATD/ATG…), ou électromagnétiques (mesures d’aimantation, de perméabilité, de pertes en puissances, etc…).La finalité de ces travaux étant l’intégration de puissance, cette dernière représente le second axe majeur, et regroupe également de nombreuses études, parmi lesquelles les principales sont les études des influences du bobinage sur les pertes d’un composant de type inductance et de l’entrefer (espacement amagnétique au sein du circuit magnétique), classiquement utilisé pour diminuer la perméabilité apparente, non sans conséquence sur les performances en puissance. Une campagne de mesures de pertes totales a également été réalisée dans l’objectif de dégager des lois comportementales sur la variation de ces pertes en puissance et en fréquence.Tous ces travaux et leurs résultats sur le matériau ferrite, son utilisation en électronique de puissance, et une bonne maîtrise du procédé d’élaboration (notamment multicouche), ont permis la réalisation de microcomposants passifs intégrables, aux propriétés ciblées et aux très bonnes performances (pertes diminuées d’un facteur 6 à 10 par rapport au commerce). / In recent years, power electronics needs are moving towards the global miniaturization of electronic boards, and an increase of the working powers. The works performed during this thesis, mostly oriented on the elaboration, the performances improvement and the integration of passive components (inductors, transformers…) in power electronics, are inscribed in this context.The materials chosen to perform the magnetic functions of those components in their work conditions are the NixZn1-xFe2O4 (0<x<1) ferrites. Copper is added to reduce the firing temperature, from more than 1200 °C to less than 950 °C, allowing cofiring with a conducting metal, and cobalt is added to reduce the power core losses of the sintered ferrite. The final formulation then becomes (NixZnyCuz)1-εCoεFe2-δO4 (x+y+z=1). Finally, bismuth oxide Bi2O3 is added as a sintering aid to lower even more the sintering temperature and avoid diffusion problems.After a bibliographic study, the works were oriented along different axes. Firstly, the ferrite formulation was optimized to elaborate samples with targeted electromagnetic and physicochemical properties. This working axis gathers numerous studies on the Ni-Zn-Cu-Co ferrites formulation, among which the main ones are the study of the influence of iron stoichiometry, the Ni-Zn ratio in the formulation and the cobalt adding process and level. These studies have shown that a light and controlled iron deficiency (~Fe1,98) could improve the properties and the performances of these ferrites. The study of the influence of the Ni/Zn ratio allowed the production of very low permeability ferrites, from 40 to 135, with good power performances. Its results were published in the Journal of the Japan Society of Powder and Metallurgy. Throughout this thesis, the elaboration of ceramic samples, the essential basis of every study, was undertaken at the laboratory, as most of the tests and characterizations. These can be microstructural and physicochemical (XRD, SEM, BET, TDA/TGA…), or electromagnetic (magnetization and permeability measurements, power losses…).The final purpose of this work is power integration, and it represents the second main axis. It also gathers many studies, among which the main ones are the study of the influence of the winding on the losses of an inductor-type component and the influence of the air gap, commonly used to reduce the apparent permeability, not without consequences on the power performances. A total losses measurement campaign has also been undertaken in order to bring out behavioral laws on core losses variation according to induction and frequency.All this work and the results on the ferrite material, his power electronic application, and a good control of the elaboration process (multilayer especially), allowed the production of passive micro-components for integration, with targeted properties and very high performances (core losses reduced by 6 to 10 relative to commercial materials).

La majeure partie des équipements électroniques qui nous entourent fonctionne dans des environnements plutôt cléments où les variations thermiques sont d’amplitudes faibles à modérées. En aéronautique, l’utilisation d’équipements fonctionnant dans des milieux beaucoup plus hostiles que les environnements traditionnellement rencontrés en électronique pourrait permettre d’améliorer considérablement les performances des aéronefs, notamment en terme de poids, de consommation de carburant et de coût de maintenance. Toutefois, l’utilisation d’assemblages électroniques « classiques » dans des environnements où les variations thermiques sont fortes pose des problèmes techniques majeurs : les hautes températures peuvent faire fondre les alliages de brasure courants et la fatigue thermomécanique peut très rapidement provoquer la défaillance des assemblages. Pour pallier ces problèmes, les composants électroniques peuvent être reportés par frittage d’argent dans les circuits. En effet, cette technologie d’assemblage permet de remplacer les brasures usuelles par un matériau ayant un point de fusion nettement plus élevé : l’argent pur (Tfus=962°C). Cependant, le frittage a tendance à produire des matériaux poreux et la porosité peut avoir un effet néfaste sur le vieillissement des joints d’attache des composants électroniques. Par conséquent, dans cette thèse, les liens existant entre profil thermique de frittage et porosité ainsi que ceux existant entre porosité et résistance aux cycles thermiques (-65°C/+200°C) ont été étudiés. Par ailleurs, la question des interactions métallurgiques pouvant se produire à hautes températures entre l’argent fritté et certaines métallisations usuelles de composants et de substrats a également été abordée. / Most of usual electronic devices operate in environments where the amplitude of temperature changes is limited. The use of electronic equipment operating in harsh environments in aircrafts could however improve their performances, especially their weight, their gas consumption and their cost of maintenance. Unfortunately the use of classical electronic assembly technologies in environments where wide amplitude thermal variations take place raises major technical issues: the high temperatures reached in some parts of aircrafts can melt usual brazing materials and thermomechanical fatigue can induce early failure of the assemblies. To prevent these problems from happening, electronic components can be attached using silver sintering. One of the strengths of this technology is that it allows the replacement of traditional brazing material by a high melting point material: pure silver (Tm=962°C). Silver sintering nevertheless leads to a porous material and porosity can have a negative impact on the ageing of the attachment joints of electronic components. One of the goals of this PhD thesis is therefore to study the link between the sintering temperature profile and the porosity of silver. Furthermore the impact of different rates of porosity on the mechanical behavior of silver has been assessed. These investigations have mainly been focused on the fatigue behavior of porous silver electrical junctions under thermal cycling (-65°C/+200 °C). The question of the metallurgical interactions that may exist at high temperatures between silver and some of the usual metallization of components and/or substrates has lastly been addressed.

Depuis le début des années 2000, les composants en carbure de silicium (SiC) sont présents sur le marché principalement sous la forme de diodes Schottky et de transistors FET. Ces nouveaux semi-conducteurs offrent des performances en commutation bien supérieures à celles des composants en silicium (Si) ce qui se traduit par une diminution des pertes et une réduction de la température de fonctionnement à système de refroidissement identique. L’utilisation de composants SiC ouvre donc la possibilité de concevoir des convertisseurs plus compacts ou à une fréquence de commutation élevée pour une même compacité. C’est avec cet objectif d’augmentation de la fréquence de commutation qu’a été menée cette étude axée sur l’utilisation de composants SiC au sein d’un onduleur triphasé. Le convertisseur sur lequel se base l’étude accepte une tension d’entrée de 450V et fournit en régime nominal un courant de sortie efficace par phase de 40 A. Le choix des composants SiC s’est porté sur des transistors JFET Normally-Off et des diodes Schottky SiC car ces composants étaient disponibles à la vente au début de ces travaux et offrent des pertes en commutation et en conduction inférieures aux autres structures en SiC. Les transistors FET possèdent une structure et des propriétés bien différentes des IGBT habituellement utilisés pour des convertisseurs de la gamme considérée notamment par leur capacité à conduire un courant inverse avec ou sans diode externe. De ce fait, il est nécessaire de développer de nouveaux outils d’aide au dimensionnement dédiés à ces composants SiC. Ces outils de calculs sont basés principalement sur les paramètres électriques et thermiques du système et sur les caractéristiques des composants SiC. Les premiers résultats montrent qu’en autorisant la conduction d’un courant inverse au sein des transistors, il est possible de diminuer le nombre de composants. Basées sur ces estimations, une maquette de bras d’onduleur a été développée et testée. Les premiers thermiques montrent que pour une puissance de 12kW, il est possible d’augmenter la fréquence de commutation de 12 kHz à 100 kHz. / Since 2000, Silicon Carbide (SiC) components are available on the market mainly as Schottky diodes and FET transistor. These new devices provide better switching performance than Silicon (Si) components that leads to a reduction of losses and operating temperatures at equivalent cooling system. Using SiC components allows to a better converter integration. It is in this context that ECA-EN has started this thesis dedicated to using SiC devices in a three-phase inverter at high switching frequency. The converter object of this study is supply by a input voltage of 450V and provides a current of 40A per phase. The components used for these study are SiC Normally-Off JFET and Schottky Diodes because these devices were commercialized at the begining of this thesis and offer better switching performance than others SiC components. FET transistors have a different structure compared to traditionnal IGBT especially their capability to conduct a reverse current with or without body diode. So it is necessary to develop new tools dedicated to the design of converters built with SiC components. These tools are based on the electrical properties of the converters and the statics and dynamics characteristics of the transistor and the diode. The results show that when the transistors conduct a reverse current, the number of components/dies can be reduced. According to data, a PCB board of an inverter leg has been built and tested at ECA-EN. The thermal measurement based on the heatsink shows that the switching frequency of an inverter leg can be increased from 12 to 100 kHz for an ouput power of 12kW.

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

Aujourd'hui, nos appareils électroniques sont de plus en plus densément composés de composants nanoélectroniques. En conséquence, la dissipation de chaleur produite dans ces circuits augmente également énormément, provoquant une déperdition d’énergie considérable, en pure perte. Les effets thermoélectriques entrent en jeu ici car ils permettent d'utiliser cette chaleur perdue pour produire un travail utile. Par conséquent, l’étude du transport thermique et de l’effet thermoélectrique dans les nanostructures revêt une importance significative du point de vue scientifique et technologique.Dans cette thèse, nous présentons nos études expérimentales du transport thermique et thermoélectrique dans différents types de dispositifs à un seul électron, où le flux électronique peut être contrôlé au niveau de l'électron unique.Tout d’abord, nous montrons la mesure du transport de chaleur contrôlé par la grille dans un transistor à un seul électron (SET), agissant comme un commutateur thermique entre deux réservoirs. Nous déterminons la conductance thermique à l’aide d’un bilan thermique en régime permanent prenant en compte les différents chemins du flux de chaleur. La comparaison de la conductance thermique du SET avec sa conductance électrique indique une forte violation de la loi de Wiedemann-Franz.Deuxièmement, nous étendons l’étude du transport thermique dans les dispositifs à un seul électron dans le régime de boîte quantique, où, outre les interactions de Coulomb, il faut également prendre en compte les différents niveaux électroniques discrets. Nous discutons du bilan thermique entre deux réservoirs de chaleur couplés par un seul niveau de point quantique, et de la dissipation des électrons tunnel dans les contacts. Cela produit des formes de diamant de Coulomb dans la carte de température électronique de la source, en fonction de la polarisation et de la tension de grille.Enfin, nous présentons la mesure du transport thermoélectrique dans une jonction à boîte quantique unique, du régime de couplage faible au régime de couplage fort Kondo. Nos expériences introduisent une nouvelle façon de mesurer le pouvoir thermoélectrique en réalisant une condition de circuit ouvert quasi-parfaite. Le pouvoir thermoélectrique dans une boîte faiblement couplée montre le comportement e-périodique avec la charge induite par la grille, alors qu’il montre une période distincte de 2e en présence de corrélation Kondo. L’étude de la dépendance thermique révèle que la résonance de Kondo n’est pas toujours au niveau de Fermi, mais qu’elle peut être légèrement décalée, en accord avec les prédictions théoriques.Cette étude ouvre la porte à l’étude de transistors à une boîte quantique unique dont les propriétés thermodynamiques sont régies par les lois de thermodynamique quantique. / At this age of technologically advanced world, the electronic devices are getting more and more densely packed with micro-electronic elements of nano-scale dimension. As a result the heat dissipation produced in these microelectronic-circuits is also increasing immensely, causing a huge amount of energy loss without any use. The textit{thermoelectric effects} come into play here as one can use this wasted heat to produce some useful work with the help of thermoelectric conversion. In order to achieve such a textit{heat engine} with a reasonably high efficiency, one needs to understand its thermal behavior at the basic level. Therefore, the study of thermal transport and thermoelectric effect in nano-structures has significant importance both from scientific and application point of view.In this thesis we present the experimental studies of thermal and thermoelectric transport in different kinds of single-electron devices, where the electronic flow can be controlled at the single electron level.First, we demonstrate the measurement of gate-controlled heat transport in a Single-Electron Transistor ($SET$), acting as a heat switch between two heat reservoirs. The measurement of temperature of the leads of the $SET$ allows us to determine its thermal conductance with the help of a steady state heat-balance among all possible paths of heat flow. The comparison of thermal conductance of the $SET$ with its electrical conductance indicates a strong violation of the Wiedemann-Franz (WF) law away from the charge degeneracy.Second, we extend the study of thermal transport in single-electron devices to the quantum limit, where in addition to the Coulomb interactions the quantum effects are also need to be taken into account, and therefore the individual discrete electronic levels take part in the transport process. We discuss the heat-balance between two heat reservoirs, coupled through a single Quantum-Dot ($QD$) level, and the dissipation of the tunneling electrons on the leads. This produces Coulomb-diamond shapes in the electronic-temperature map of the `source' lead, as a function of bias and gate voltage.Third, we present the measurement of thermoelectric transport in a single $QD$ junction, starting from the weak coupling regime to the strong coupling-Kondo regime. The experiments introduces a new way of measuring thermovoltage realizing a close to perfect open-circuit condition. The thermopower in a weakly coupled $QD$ shows an expected `$e$' periodic behavior with the gate-induced charge, while it shows a distinct `$2e$' periodic feature in the presence of Kondo spin-correlation. The temperature dependence study of the Kondo-correlated thermopower reveals the fact that the Kondo-resonance is not always pinned to the Fermi level of the leads but it can be slightly off, in agreement with the theoretical predictions.This study opens the door for accessing a single $QD$ junction to operate it as a $QD$-heat engine, where the thermodynamic properties of the device are governed by the laws of textit{quantum thermodynamics}.

La récupération d'énergie par élément piézoélectrique est une technique prometteuse pour les futurs systèmes électroniques nomades autoalimentés. L'objet de ce travail est d’analyser des approches simples et agiles d’optimisation de la puissance produite par un générateur piézoélectrique. D'abord le problème de l’optimisation de l’impédance de charge d’un générateur piézoélectrique sismique est posé. Une analyse du schéma équivalent global de ce générateur a été menée sur la base du schéma de Mason. Il est démontré que la puissance extraite avec une charge complexe adaptée puisse être constante quelle que soit la fréquence et que de plus elle est égale à la puissance extraite avec la charge résistive adaptée du même système sans pertes. Il est montré toutefois que la sensibilité de cette adaptation à la valeur de la réactance de la charge la rend difficilement réaliste pour une application pratique. Une autre solution pour améliorer l’énergie extraite est de considérer un réseau de générateurs positionnés en différents endroits d’une structure. Des simulations sont proposées dans une configuration de récupération d’énergie de type directe sur une plaque encastrée. Les générateurs piézoélectriques, associés à la technique SSHI, ont été reliés selon différentes configurations. Les résultats attestent que l’énergie produite ne dépend pas de façon critique de la manière dont sont connectés les éléments. Toutefois l’utilisation d’un seul circuit SSHI pour l’ensemble du réseau dégrade l’énergie extraite du fait des interactions entre les trop nombreuses commutations. Enfin une nouvelle approche non-linéaire est étudiée qui permet l’optimisation de l’énergie extraite tout en gardant une grande simplicité et des possibilités d’auto alimentation. Cette technique appelée S3H pour « Synchronized Serial Switch Harvesting » n’utilise pas d’inductance et consiste en un simple interrupteur en série avec l’élément piézoélectrique. La puissance récupérée est le double de celle extraite par les méthodes conventionnelles et reste totalement invariante sur une large gamme de résistances de charge. / Piezoelectric energy harvesting is a promising technique for battery-less miniature electronic devices. The object of this work is to evaluate simple and robust approaches to optimize the extracted power. First, a lightweight equivalent circuit derived from the Mason equivalent circuit is proposed. It’s a comprehensive circuit, which is suitable for piezoelectric seismic energy harvester investigation and power optimization. The optimal charge impedance for both the resistive load and complex load are given and analyzed. When complex load type can be implemented, the power output is constant at any excitation frequency with constant acceleration excitation. This power output is exactly the maximum power that can be extracted with matched resistive load without losses. However, this wide bandwidth optimization is not practical due to the high sensitivity the reactive component mismatch. Another approach to improve power extraction is the capability to implement a network of piezoelectric generators harvesting on various frequency nodes and different locations on a host structure. Simulations are conducted in the case of direct harvesting on a planar structure excited by a force pulse. These distributed harvesters, equipped with nonlinear technique SSHI (Synchronized Switching Harvesting on Inductor) devices, were connected in parallel, series, independently and other complex forms. The comparison results showed that the energy output didn’t depend on the storage capacitor connection method. However, only one set of SSHI circuit for a whole distributed harvesters system degrades the energy scavenging capability due to switching conflict. Finally a novel non-linear approach is proposed to allow optimization of the extracted energy while keeping simplicity and standalone capability. This circuit named S3H for “ Synchronized Serial Switch Harvesting” does not rely on any inductor and is constructed with a simple switch. The power harvested is more than twice the conventional technique one on a wide band of resistive load.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont dédiés à l'étude des composants passifs pour l'électronique de puissance à haute température. Des condensateurs et des matériaux magnétiques sont sélectionnés et caractérisés jusqu'à environ 250°C. Les caractéristiques électriques et électromagnétiques montrent, pour certains de ces composants et matériaux, des dépendances significatives en fonction de la température, mais également des non-linéarités et des phénomènes d'hystérésis. Les caractérisations sont ensuite exploitées pour la conception d'un filtre CEM d'entrée d'un onduleur de tension de 2kW. Une démarche et des considérations liées au dimensionnement d'un filtre sont détaillées. Un démonstrateur de filtre CEM est testé en charge et à haute température (200°C). Les résultats montrent une dépendance relativement faible des perturbations conduites entre 150kHz et 30MHz en fonction de la température (environ +6dBµA entre 25°C et 200°C selon la norme DO-160F). Le fonctionnement à haute température de composants passifs au sein d'un filtre CEM pour l'électronique de puissance a été démontré. En complément du filtre à composant discret et pour répondre aux besoins d'atténuation à haute fréquence qui seront accrus pour les convertisseurs à base de semi-conducteurs à grand gap (SiC et GaN) qui commutent plus rapidement que des interrupteurs de type IGBT en Si, nous avons proposé l'intégration de condensateurs de mode commun au sein d'un module de puissance. Les résultats simulés et expérimentaux ont montré une réduction des perturbations conduites grâce à l'intégration de ces condensateurs. Cette solution, compatible avec un fonctionnement à haute température, est positionnée comme une solution alternative à un filtre d'entrée complexe (multi-niveaux) et s'inscrit dans la tendance actuelle des IPEM (Intelligent/Integrated Power Electronics Module) qui recherche l'intégration de fonctions dans le module de puissance. L'ensemble de ces travaux souligne par ailleurs l'importance du packaging pour l'électronique de puissance à haute température. / The study, which is described in this dissertation, is dedicated to passive components in order to be integrated into high temperature power electronic converters. Capacitors and magnetic materials are selected and characterized up to 250°C. Electrical and electromagnetic characteristics are measured. Some components show a significant temperature deviation, but also a non-linear behavior with a hysteresis phenomenon. Based on these characteristics, a high temperature EMI filter for a 2kW voltage inverter is designed. The design procedure and some practical considerations are discussed. Then, the experimental results from the prototype at 200°C under full load conditions are given. The variation of the conducted emissions, from 150kHz and 30MHz, with the temperature is low (about +6dBµA between 25°C and 200°C into a DO-160F setup). The feasibility of a working EMI filter for high temperature power electronics is demonstrated. To meet the high frequency EMI requirements, with wide-band gap semi-conductors devices which are faster than Si IGBT, a solution based on integrated common mode capacitors into the power module is proposed. With this solution, operation at high temperature is also doable. Experimental results show a reduction of the conducted emissions thanks to these integrated capacitors. We consider this solution as an alternative against an increased complexity of the EMI input filter. It follows the present trends toward the integration of functions into a power module, close to the power switches. Moreover, packaging issues are highlighted and remains as a major limitation for high temperature power electronics.

Les objectifs de la thèse concernent l’optimisation du rendement énergétique, la minimisation de l’empreinte et du coût de l’alimentation en tension d’amplificateurs audio pour l’application casque des plateformes mobiles. Après une présentation du contexte des plateformes mobiles et des caractéristiques principales des amplificateurs audio dédiés, l’introduction conclut sur la nécessité d’une alimentation en tensions bipolaires, symétriques et donne les spécifications principales d’une telle alimentation en énergie électrique. Le chapitre d’état de l’art présente dans un premier temps les architeture les plus compétitves permettant de générer deux tensions symétriques. Une figure de mérite englobe le rendement énergétique, l’empreinte sur la plateforme et le coût en composants passifs externes de chacune des solutions présentées. Une architecture de convertisseur utilisant une seule inductance pour obtenir des tensions régulées symétriques se révelle etre un candidat interessant pour l’alimentation des amplificateurs dédiés aux casques audio. Cette architecture à été démontrée mais cependant loin des spécifications de l’application casque audio. Basée sur cette architecture, le chapitre troisième présente un étage de puissance et ses modes de conduction correspondant aux spécifications de l’application casque audio. Des détails concernent en particulier la conception des interrupteurs ainsi que la stratégie d’asservissement et de régulation. Des premières estimations de rendement sont évaluées dans les pires cas de fonctionnement. Très tôt dans le déroulement de la thèse, il y a eu une opportunité de tester l’étage de puissance en technologie CMOS 130nm. Le chapitre 4 présente l’implémentation du convertisseur sur un circuit de test. Le convertisseur est embarqué notamment à côté d’un amplificateur audio dédié, autorisant des tests plus proches de la réalité d’usage. Les campagnes de mesures ont concerné les aspects fonctionnels et les valeurs de rendement. Les résultats sont encourageants mais confirment les éléments non optimaux du dispositif. Dans l’idée d’un second silicium, le chapitre cinquième décrit plus théoriquement l’approche d’asservissement et de régulation et met en évidence des cas critiques, peu probables mais concrets, liés à l’évaluation sur des profils de charge réelle du convertisseur. Des simulations permettent de transformer un flux audio en courbe de courant absorbé par l’amplificateur audio, c’est-à-dire la charge réelle vue par le convertisseur de tensions symétriques. Le chapitre sixième décrit des améliorations à propos des modes de conduction, à savoir l’introduction des modes discontinu ou d’élimination d’impulsion (pulse skipping). Malheureusement une crise économique a barré l’accès à un silicium de validation finale. Le manuscrit est conclu par un rappel des résultats principaux et des perspectives. Les travaux ont fait l’objet de publications à des conférences internationales. / The objectives of this thesis were the optimization of the power efficiency and the minimization of the footprint area and cost of the integrated power supply of headset audio amplifiers on mobile platforms (fig. 1). The thesis took place in the Analog System Design group at ST Ericsson in strong collaboration with Ampere laboratory at INSA de Lyon. The french agency ANRT provided part of the project funding. The first chapter presents the current mobile platform context as well as the main characteristics of audio amplifiers driving headphones. This chapter concludes giving the need of a symmetrical power supply for the headset audio amplifiers and giving a set of electrical specifications for this power supply. The second chapter presents the state-of-the-art in terms of symmetrical power supply architectures able to fit the previously given characteristics and specifications. A set of key parameters based on the power efficiency, the relative silicon area, the relative external bill of material, the number of Input/Output pins and the external passive components area, is employed to benchmark all existing architectures to supply such audio amplifiers. This benchmark reveals the novel Single Inductor Bipolar Output (SIBO) converter as very promising. The similar existing circuits are also detailed and pros and cons of each one of them are discussed to define the most suited architecture. The third chapter proposes a dedicated power stage architecture and related conduction schemes. The design of the power stage is described as well as its dedicated control strategy. Some ideal efficiency estimations are given. The fourth chapter presents the realization of a first prototype, designed in a 130 nm ST Microelectronics CMOS process to be an early demonstrator of the architecture in chapter 3. Measurements on efficiency, control and transient performances are presented and discussed. This circuit embedded on the same die as an audio amplifier proves its effectiveness in supplying such a circuit. The fifth chapter presents a theoretical analysis of the feedback control of this SIBO converter. Mathematical linear model of the converter is derived to obtain its transfer function matrix, then the feedback structure design is defined thanks to dedicated mathematical tools. A set of classical PID controllers is proposed and validated with piecewise linear model while playing different audio popular songs. The sixth chapter describes the design of improvements of the first test chip as well as simulation results about these improvements. The main improvements presented in this chapter are a Discontinuous Conduction Mode (DCM) as well as a Pulse Skipping Mode (PSM). No silicon result can be presented here due to a budget restriction that impacted the course of the thesis. The final chapter is a discussion about the proposed solutions and some perspectives to the present work.