L’émergence des technologies de communication satellite et radar toujours en pleine essor nécessite des composants de puissance hyperfréquence de plus en plus compacts permettant d’intégrer sur une seule puce des fonctions analogiques/numériques, tout en réduisant le coût de fabrication. Dans ce contexte, le transistor bipolaire à hétérojonction HBT constitue un composant de choix afin d'améliorer les performances des transistors de puissance sur silicium pour les applications hyperfréquences en association avec la technologie CMOS. Ainsi, cette étude est dédiée à la caractérisation et la modélisation non linéaire de ces dispositifs actifs. Dans ce but, un banc de mesures non linéaires et un modèle prédictif grand signal ont été développés jusqu’à 50 GHz. Dans un premier temps, le banc de mesures non linéaires a été mis en œuvre autour du NVNA en configuration load-pull mesurant dans le domaine fréquentiel vis à vis du LSNA mesurant dans le domaine temporel. Cette configuration instrumentale associée à la dynamique du NVNA met en avant ses avantages et inconvénients. Par la suite, une procédure d’extraction pour l’élaboration d’un modèle électrique grand signal a été validée en régimes statique et dynamique. L’originalité de ce modèle prédictif est la procédure d’extraction ainsi que la mise en œuvre rapide s’appuyant sur les formules analytiques physiques des semiconducteurs. Les étapes d’extraction se sont avérées très efficaces lors des confrontations avec les données expérimentales du dispositif sous test dans les mêmes conditions de polarisation et d’impédances de charge. Nous avons alors mis en évidence l’impact des courants thermiques sur les performances en puissance hyperfréquence des transistors bipolaires dans les domaines temporel et fréquentiel. / The emergence of satellite communications and radar technologies always require more compact microwave power devices for integration of analog/digital operations on a single chip, reducing the manufacturing cost. As an exemple, since many years heterojunction bipolar transistor (HBT) permits to improve the silicon power transistor performances for microwave applications associated with CMOS technology. In this context, this work focuses on the characterization and modeling of these active devices. For this goal, a non linear bench and a large signal model are developed up to 50 GHz. On the first step, the non-linear measurement is carried out using the NVNA for load-pull measurements on the frequency domain and results are compared with those obtained from the LSNA on the time domain. This instrumental configuration associated with the dynamic operating capabilities of NVNA highlights its advantages and disadvantages. Subsequently, a SiGe HBT device extraction parameters procedure has been validated to establish a large signal model. The originality of this last one is its predictive extraction procedure and fast implementation based on the semiconductors analytical equations. Extraction steps are proven very effective in confrontations with the experimental data of the device under test with the same biases and for different load impedances. At last, thermal currents impacts on microwave power performance are discussed in time and frequency domains.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire, portent sur la conception et l’étude de MOSFETs de puissance faible tension pour des applications automobiles micro-hybrides de type alterno-démarreur. Pour certaines de ces applications, en plus des modes de fonctionnement standards passant et bloqué, les composants développés doivent être capables de fonctionner en mode d’avalanche à fort courant et à des températures élevées. Pour reproduire en laboratoire ces conditions de fonctionnement, les MOSFETs sont soumis à un test UIS répétitif spécifique. Afin d’évaluer la température du silicium pendant ce test, plusieurs méthodes de mesure de température ont été développées et comparées. En parallèle, un suivi des paramètres électriques standards (BVDSS, IDSS, RDSon…) tout au long du test est effectué, dans le but de déterminer l’impact de l’avalanche répétitive sur le transistor. Seule la RDSon des MOSFETs semble évoluer avec le nombre d’impulsions d’avalanche. Ce phénomène est expliqué par la méthode de mesure de RDSon et par la variation de la résistance du métal source pendant le cyclage. En effet, différentes observations ont permis de constater un vieillissement de la métallisation de source du composant, accompagné d’une modification de sa résistivité. Divers types de métaux et de techniques d’assemblage ont alors été expérimentés pour tenter de limiter cet effet. Aussi des structures de test ont été conçues pour étudier l’évolution du métal et pour pouvoir comparer rapidement le comportement de différentes métallisations / Research work presented in this thesis concern the conception and the study of low voltage power MOSFETs for micro hybrid vehicles (starter alternator). For some of these applications, developed transistors must be able to operate in classical ON and OFF state mode and in avalanche mode at high current and high temperature. To reproduce this operating mode, MOSFETs are submitted to a specific repetitive UIS test. In order to evaluate silicon’s temperature during this test, several temperature measurement methods have been developed and compared. In parallel, in order to understand the impact of repetitive avalanche on the transistor, standard electrical parameters (BVDSS, IDSS, RDSon…) are monitored during the test. The only parameter that seems to be shifting with the number of cycles is the RDSon. This phenomenon is due to the measurement method and to a variation of source metallization resistance during cycling. Indeed several observations have shown source metallization ageing and a shift in its resistivity. Different metallization and assembly parameters have been tested to limit this phenomenon. Also various test structures have been designed to study metallization evolution and to compare different metallization behaviors

Depuis plusieurs décennies, les générateurs forts courants sont utilisés dans différents domaines comme l’étude des matériaux, la radiographie ou la fusion par confinement inertiel. Ces générateurs sont capables de délivrer des impulsions de courant de plusieurs millions d’ampères avec des fronts de montée inférieurs à la microseconde. Plusieurs projets à travers le monde ont, aujourd’hui, pour but d’améliorer encore et encore le gradient de courant des impulsions transmises à la charge. De nombreux schémas d’amplificateurs de puissance, dont le rôle est de jouer à la fois sur l’amplitude du courant de charge et sur son temps de montée, ont ainsi été testés. Le multiplicateur de courant dynamique (DLCM pour Dynamic Load Current Multiplier) fait partie de ces concepts novateurs permettant de contourner les limitations des générateurs de puissances pulsées actuels. Il est composé d’un réseau d’électrodes (servant d’autotransformateur), d’un extrudeur de flux dynamique (basé sur l’implosion d’un réseau de fils cylindrique) et d’un commutateur à fermeture sous vide. Dans la thèse, le principe de fonctionnement du DLCM est analysé d’un point de vue théorique par le biais de simulations de type circuits électriques et magnétohydrodynamiques. Une étude spécifique portant sur l’organe principal du DLCM est réalisée. Il s‘agit du commutateur à fermeture sous vide. Ainsi, après une phase de dimensionnement à l’aide d’outils de simulations électrostatiques, deux versions de commutateurs sont validées expérimentalement dans des conditions proches de celles d’un tir très fort courant. Enfin, des tirs sur le générateur SPHINX du CEA Gramat, capable de délivrer une impulsion de courant de 6MA en 800ns (sur charge Z-pinch), sont exposés pour retracer l’évolution du dispositif. Les résultats probants obtenus permettent, au final, de valider le concept DLCM connecté à une charge de type compression isentropique. / For several decades, high power generators are used in various fields such as materials research, radiography or inertial confinement fusion. These generators are capable of delivering current pulses of several millions of amperes with rise times below 1 microsecond. Several projects around the world are, today, trying to improve again and again the current gradient of pulses delivered to the load. Many concepts of power amplifiers, whose role is to optimize both the amplitude of the load current and its rise time, were tested. The Dynamic Load Current Multiplier (DLCM) is one of those innovating concepts used to overcome the existing pulsed power generators limitations. It is made up of concentric electrodes (for autotransformer), a dynamic flux extruder (based on the implosion of cylindrical wire array) and a vacuum closing switch. In this these, the operating principle of the DLCM is theoretically analyzed through electrical and magneto hydrodynamic simulations. A specific study of the DLCM key component is performed. This is the vacuum closing switch. Thus, after a design phase using electrostatic simulation tools, two versions of switches are experimentally validated in conditions similar to those of a very high current shot. Finally, shots on the SPHINX facility located at the CEA Gramat, capable of delivering a current pulse of 6MA in 800ns (on Z-pinch load), are exposed to trace the evolution of this device. The convincing results are used, ultimately, to validate the DLCM concept connected to an isentropic compression experiment load.

La pile à combustible (PAC) est une technologie maintenant maîtrisée qui permet de convertir efficacement le combustible hydrogène en énergie électrique et thermique avec un faible impact environnemental. L'extension de son utilisation dépend fortement de la qualité de l'interface électronique de puissance qui a pour l'objet d'adapter la pile à la charge. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de Doctorat s'intéresse à la conception d'une interface électronique de puissance pour la pile à combustible pour les trois domaines d'applications : télécommunication, transport et stationnaire. <br />Dans cette objective, l'approche modulaire, qui se base sur l'étude des convertisseurs unitaires et leurs modes de connexion, a été proposée afin de s'adapter à la modularité des stacks de PAC. Des modèles de pertes et de dimensionnement des composants passifs et semi conducteurs ont été construits. La technique de l'entrelacement est introduite afin de résoudre le problème de fort courant et permet d'optimiser le dimensionnement des inductances. Une nouvelle structure nommée double BOOST dual entrelacé (Interleaved Double Dual BOOST – IDD BOOST) a été proposée afin de résoudre les difficultés d'un convertisseur modulaire présentant une tension de sortie élevée et un rapport de tension important. Les stratégies de contrôle – commande multi sources ont été étudié en adaptant aux topologies de l'interface de puissance. Deux prototypes ont été réalisés afin de valider les résultats de prédiction de pertes ainsi que le contrôle commande multi sources.

The present thesis is the result of a research period at the Institute of Space and Astronautical Science of the Japanese Aerospace Exploration Agency, ISAS/JAXA within Funaki Laboratory of the Department of Space Flight Systems that followed the path of plume plasma diagnostics for space electric propulsion drives. During the experimental studies two high-current hollow cathodes and an innovative prototype of a low-voltage fully external discharge plasma thruster (XPT) had their plasma plumes diagnosed using electrostatic probes and retarding potential analyser (RPA). A Hall thruster and hollow cathode plume is defined as an unmagnetised quasi-neutral plasma which is mainly formed of neutral particles, electrons, singly and doubly charged ions. Plasma diagnostic techniques provide information through practical observations in order to fully understand the dynamics of the aforementioned plume components, the physical processes taking place within the plume and their effects on the spacecraft, for instance. Mastering these aspects of the plasma plume of space electric propulsion drives bolster the design processes, leading to highly efficient devices. Firstly, the introduction provides insights on the fundamental principles of hollow cathodes and Hall thrusters and a brief presentation of the plasma diagnostic techniques used during the research: single and double Langmuir probes, emissive probes and retarding potential analyser. Then, the fundamental plume diagnostics principles are depicted in an exhaustive way, departing from classical plasma kinetic theory, energy distribution functions and ending with an overview on the theory of charge collection by cylindrical probes. Subsequently, peculiarities of various analysis techniques are exposed for the Langmuir probes, emissive probes and RPA, with an emphasis on their strengths and demerits. The experimental setups for the cathodes and XPT plume diagnostic procedures are then outlined. The experimental logic, setup and electrical diagrams as well as a presentation of each probe design and manufacturing details are extensively discussed. The hollow cathodes experimental results are exposed with a discourse that aims of overviewing the difference between the various data analysis methods applied for the raw data. A discussion ensued based on the results in order to effectively identify mechanisms that produced the observed plasma parameters distributions. For the first time, the plume of a fully external discharge plasma thruster was diagnosed utilising double Langmuir probes.  The thesis highlights the main results obtained for the XPT far-field plume plasma diagnostics. The experimental findings for both thruster centreline positions and 2D plume maps for several axial distances away from the anode plate offer a ground basis for future measurements, a comparison term and a database to support ongoing computational codes. The results are discussed and related to the thruster performances data obtained during previous experiments. The thesis includes consistency analyses between the experimental data and the numerical simulation results and the uncertainties in measured plasma parameters associated with each data analysis procedure are evaluated for each data set. Last, the conclusions underline the main aspects of the research and further work on the previously mentioned plasma diagnostic techniques for hollow cathodes and XPT is suggested. / La présente thèse est le résultat d'une période de recherche à l'Institut des Sciences Spatiales et Astronautiques de l'Agence Spatiale Japonaise, ISAS / JAXA qui a suivi la voie des diagnostics du plasma de la plume de propulseurs électriques spatiaux. Au cours des études expérimentales, deux cathodes creuses à fort courant et un prototype innovant d'un propulseur basse tension à décharge externe de plasma (XPT) avaient leurs faisceaux de plasma diagnostiqués en utilisant des sondes électrostatiques et un analyseur à potentiel retardé. La plume d’un propulseur à effet Hall et d’une cathode creuse est définie comme un plasma quasi-neutre non-magnétisé qui est principalement formé de particules neutres, d’électrons, d’ions monovalents et bivalents. Les techniques de diagnostic du plasma fournissent des informations, via des observations pratiques, afin de bien comprendre la dynamique des composants de la plume mentionnés ci-dessus, les processus physiques qui se déroulent dans la plume et leurs effets sur une sonde spatiale, par exemple. La maîtrise de ces aspects du plasma de la plume généré par les propulseurs électriques spatiaux renforce les processus de conception de ce type de propulsion, ce qui conduit à des dispositifs hautement efficaces. Tout d'abord, l'introduction donne un aperçu sur les principes fondamentaux de cathodes creuses et de propulseurs à effet Hall, et une brève présentation des techniques de diagnostic du plasma utilisées lors de la recherche : sondes de Langmuir simples et doubles, des sondes émissives et d’analyseur à potentiel retardé. Ensuite, les principes fondamentaux de diagnostic de la plume sont représentés de manière exhaustive, d’abord la théorie cinétique classique du plasma, les fonctions de distribution en énergie et pour terminer une vue d'ensemble de la théorie de la collecte de charge par des sondes cylindriques. Par la suite, les particularités des diverses techniques d'analyse sont exposées pour les sondes de Langmuir, les sondes émissives et RPA, en mettant l'accent sur leurs avantages et leurs inconvénients. Les montages expérimentaux pour les procédures de diagnostic de la plume-plasma de cathodes et du XPT sont ensuite décrits. La logique expérimentale, les schémas électriques ainsi qu'une présentation de la conception et de la fabrication de chaque sonde sont largement discutés. Les résultats expérimentaux pour les cathodes creuses sont exposés de façon à présenter la différence entre plusieurs méthodes d'analyse de données appliquées aux données brutes. Une discussion s’ensuit, basée sur les résultats afin d'identifier efficacement les mécanismes qui ont produits les propriétés électroniques observées. Pour la première fois, la plume d'un propulseur à décharge externe de plasma a été diagnostiquée en utilisant des sondes de Langmuir doubles. La thèse met en évidence les principaux résultats obtenus pour le diagnostic en champ lointain de la plume-plasma du XPT. Les résultats expérimentaux pour les positions sur l'axe du propulseur et le cartes 2D de la plume pour plusieurs distances axiales loin de l’anode offrent une base pour de futures mesures, un terme de comparaison et une base de données pour appuyer les codes numériques. Les résultats sont discutés et sont rapportés aux données de performances du propulseur obtenus lors des essais précédents. La thèse comprend des analyses de la cohérence entre les données expérimentales et les résultats de simulation numérique, et les incertitudes des paramètres mesurés du plasma associées à chaque procédure d'analyse des données sont évaluées pour chaque ensemble de données. Enfin, les conclusions soulignent les principaux aspects de la recherche et une poursuite des travaux sur les techniques de diagnostic de plasma pour les cathodes creuses et le XPT est suggérée.