En permettant la transmission de fortes puissances sur de grandes distances, les réseaux en haute tension à courant continu (HTCC) représentent l'avenir du transport de l'énergie électrique. Des équipements tels que les postes sous enveloppe métallique (PSEM) seront indispensables dans ces réseaux pour répartir le flux d'énergie, interrompre ou isoler certaines branches. Leur conception nécessite la prise en compte, pour les parties isolantes, de phénomènes spécifiques liés à l’application de champs électriques continus, comme la dépendance de la résistivité avec le champ et la température, mais également l’accumulation de la charge d'espace qui contribue à augmenter sensiblement les risques de claquage. Dans le composite étudié (résine époxyde chargée d’alumine), ce phénomène commence à se manifester dès que les valeurs de champ excèdent quelques kV/mm, correspondant à l’ordre de grandeur des contraintes envisagées dans les futurs PSEM HTCC.Bien que des techniques existent pour déterminer la répartition de ces charges dans les isolants solides, aucune n’est à ce jour directement applicable aux structures isolantes installées dans les PSEM HTCC.L’objectif de ce travail est ainsi de concevoir et de mettre en place une technique de mesure des charges d’espace et du champ électrique interne qui soit à résolution spatiale, non destructive et adaptée à une géométrie d’isolateur cylindrique, de type support isolant de jeu de barres.En utilisant le dispositif expérimental mis en place, le comportement du composite vis-à-vis de la charge d’espace est par la suite étudié, notamment en fonction de différentes contraintes électrothermiques représentatives du fonctionnement des PSEM. Le but final est d'aider à l'optimisation de la conception de ce type d’isolateur, en se basant sur l’analyse des résultats issus de mesures de charges d’espace. / The trend today is to develop high voltage direct current (HVDC) technology for the future electric network because it offers some advantages for the transmission on long distances. The development of HVDC networks leads to an increasing need of gas insulated substations (GIS). A problem to be dealt with when an insulator is subjected to a continuous electric field is the variation of the resistivity with the electric field and the temperature and the accumulation of space charges that can lead to dielectric breakdown. In alumina-filled epoxy resin, used as insulating material for GIS spacer, the influence of space charge start to come out when the electric fields exceed several kV/mm, corresponding to values envisaged for the future HVDC GIS.Despite that non-destructive methods exist to determine the space charge distribution in solid insulators, none of them are directly applicable to insulation structures installed in the HVDC GIS.So, the main objective of this work is to design and set up a measurement technique to observe the internal electric field and the accumulated charges. The developed method must be non-destructive and adapted for a cylindrical geometry of an insulator used as a busbar insulation support.By using the experimental bench set up, the behavior of the composite material regarding the space charge will be studied, in particular according to different thermoelectric stresses. The final aim is to contribute to the optimization of the design of this type of insulator, based on the results from space charge measurements.

Les travaux de cette thèse portent sur l'intégration dans le réseau électrique du limiteur supraconducteur de courant (SCFCL). Un modèle du ruban supraconducteur ont été développé et validé grâce à une comparaison avec des tests expérimentaux. Premièrement, ce modèle a permis le dimensionnement du SCFCL du projet Eoccoflow (projet européen). Dans un deuxième temps, le modèle de SCFCL est intégré dans différents types de réseau. D'une part, l'intégration du SCFCL dans les réseaux haute tension continu maillés rend vraisemblable la protection de tels réseaux. D'autre part, grâce au SCFCL de nouvelles architectures du réseau de distribution sont proposées permettant l'intégration massive de génération distribuée. Cette thèse se clot sur le dimensionnement et les tests d'un SCFCL pour un réseau à taille réduite. / This PhD deals with superconducting fault current limiter (SCFCL) network integration. A model of a superconducting tape had been developed and validated in comparison with experimental quench tests. This SCFCL model allowed us to design the SCFCL of the european project Eccoflow. Using this SCFCL model, SCFCLs are integrated in various types of networks. On one hand, SCFCL benefits are first studied in case of meshed HVDC networks. Indeed, the SCFCL makes realistic the protection of such networks. On the other hand, thanks to the SCFCL some new distribution network topologies are suggested in order to increase the distributed generation integration capacity. This PhD ends with the design and the test of a SCFCL in a downsize scale network.

Dans le cadre d’un projet étudiant la possibilité de remplacer le SF6 par du vide comme milieu de coupure dans les disjoncteurs Haute-Tension, un travail ayant pour objet d’acquérir une meilleure compréhension du comportement d’un arc de vapeurs métalliques à grandes distances inter-électrodes (> 10 mm) et contrôlé par un champ magnétique axial (AMF) a été entrepris. Ce travail a premièrement donné lieu à l’élaboration d’une expérience au cours de laquelle des arcs, créés entre deux contacts en CuCr25 fixes, ont été visualisés par vidéo rapide dans une maquette démontable d’ampoule à vide. Différents types de régime d’arc ont été observés. En outre, à l’aide d’une méthode numérique de détection des spots cathodiques, nous avons pu étudier l’évolution de la distribution spatiale des spots cathodiques, mesurer l’intensité moyenne du courant porté par un spot et déterminer le profil radial moyen de la densité de courant cathodique. Cette thèse a aussi eu pour objet le développement d’un modèle magnétohydrodynamique à 2 fluides, 2D-axysimétrique et quasi-stationnaire, de la zone d’écoulement hydrodynamique de l’arc, permettant de traiter le cas des régimes d’arc diffus supersonique et diffus subsonique. Ce modèle a permis d’étudier le comportement du plasma d’arc en fonction des intensités du courant d’arc et de l’AMF et de la distance inter-électrodes / In the frame of a project investigating the possibility to replace SF6 by vacuum as a breaking medium in High-Voltage circuit breakers, a study that focusses on acquiring a better understanding of the behavior of a metal vapor arc at long contact gap (> 10 mm) and controlled by an axial magnetic field (AMF) has been undertaken. The study involves first the building of an experimental setup where arcs, created between two fixed CuCr25 contacts, were visualized using a high-speed camera in a vacuum demountable chamber. Various types of arc regime have been observed. Moreover, by means of a numerical method of detection of the cathode spots, we were able to study the evolution of the spatial distribution of the cathode spots, to measure the average current carried by a spot and to determine the average radial profile of the current density at the cathode surface. This study had also for object the development of a 2D-axisymetric and quasi-steady magnetohydrodynamic model of the hydrodynamic flow region of the arc based on a two-fluid approach. The model allows to simulate the supersonic and the subsonic diffuse arc regimes. It is used to study the arc behavior as a function of to the arc current, the AMF intensity and the contact gap

Ces travaux de thèse portent essentiellement sur la modélisation, l’analyse et la commande des convertisseurs de type MMC intégrés dans un contexte MTDC. Le premier objectif de ce travail est d’aboutir à un modèle dynamique du convertisseur MMC, exprimé dans le repère $dq$, permettant d’une part, de reproduire avec précision les interactions AC-DC, et d’exprimer, d’autre part, la dynamique interne du convertisseur qui peut interagir également avec le reste du système. Le modèle développé peut être linéarisé facilement dans le but de l’exploiter pour l’étude de stabilité en se basant sur les techniques pour les systèmes linéaires à temps invariant. Ensuite, selon le modèle développé dans le repère dq, différentes stratégies de contrôle sont proposées en fonction de systèmes de contrôle-commande existantes dans la littérature mis en places pour le convertisseur MMC. Étant donné que l’ordre du système est un paramètre important pour l'étude des réseaux MTDC en présence de plusieurs stations de conversion de type MMC, l’approche de réduction de modèles à émerger comme une solution pour faciliter l’étude. En conséquence, différents modèles à ordre réduit sont développés, et qui sont validés par la suite, par rapport au modèle détaillé, exprimé dans le repère dq. Finalement, les modèles MMC développés ainsi que les systèmes de commande qui y ont associés sont exploités, pour l’analyse de stabilité en petits signaux des réseaux MMC-MTDC. Dans ce sens, la stratégie de commande associée à chaque MMC est largement évaluée dans le but d’investiguer les problèmes majeurs qui peuvent surgir au sein d’une configuration MTDC multi-constructeurs / This thesis deals with the modeling and control of MMCs in the context of MTDC. The first objective is to obtain an MMC model in dq frame which can reproduce accurately the AC- and DC- interactions, while representing at the same time the internal dynamics which may interact with the rest of the system. This model is suitable to be linearized and to study its stability, among other linear techniques. Then, based on the developed dq model, different control strategies are developed based on the state-of-the-art on MMC controllers. Since the order of the system may be a limiting factor for studying MTDC grids with many MMCs, different reduced-order models are presented and compared with the detailed dq model. Finally, the developed MMC models with different controllers are used for the MTDC studies. The impact of the chosen controllers of each MMC is evaluated, highlighting the potential issues that may occur in multivendor schemes.

Ce travail porte sur la caractérisation optique et électrique ainsi que la modélisation mathématique du contournement d’isolateurs pollués en tenant compte de la forme de tension appliquée, de la répartition ainsi que de la constitution chimique du dépôt polluant. Sous tension de choc de foudre (1,2/50μs), la morphologie des décharges ainsi que les courants associés dépendent de la tension (forme, amplitude, polarité),de la répartition de la pollution et de sa conductivité. Les vitesses moyennes de la décharge mesurées dépendent de la polarité appliquée à la pointe et de la conductivité de la pollution. Le temps critique correspondant aux conditions critiques est de l’ordre de 9/10 du temps total de contournement quelles que soient la polarité de la tension et la conductivité de la pollution. La constitution chimique de la couche de pollution a peu d’effet sur la tension critique contrairement aux courants critiques. Les valeurs des constantes caractéristiques n et N sont fonction de la nature chimique des dépôts et de la polarité de la tension. Le modèle élaboré montre que les constantes caractéristiques de la décharge n et N sont des paramètres dynamiques et dépendent des éléments du circuit électrique équivalent du système et des paramètres thermiques de la décharge. Les relations des conditions critiques du contournement développé relient les paramètres électriques et thermiques du circuit équivalent et la condition de propagation de la décharge. L’application de ce modèle, pour différentes formes de tension et pour plusieurs types de pollution, donne des résultats satisfaisants. L’hypothèse selon laquelle la colonne de la décharge ne contient que de la vapeur d’eau et de l’air constitue une bonne approximation des grandeurs critiques. Sous tension de choc de foudre, les courants et les tensions critiques dépendent de la configuration de la pollution et de la polarité de la tension. Le courant circule à travers une section effective de la pollution. L’introduction de la notion d’épaisseur critique effective et son application au calcul des grandeurs critiques donne de bons résultats pour les cas de figures étudiés. L’épaisseur effective du dépôt est proportionnelle la résistivité de la pollution et dépend dela configuration de la pollution et de la polarité de la pointe. Dans le cas de dépôt de pollution discontinue et/ou non uniforme, les conditions de propagation des décharges sont locales et leurs paramètres caractéristiques varient selon la configuration et la conductivité du dépôt ainsi que la polarité de la tension appliquée. Le modèle développé pour ce cas de figure donne de bons résultats. / This work aimed on optical and electrical characterization and mathematical modeling of flashover of polluted insulators, taking into account the applied voltage waveform, the distribution and chemical composition of pollutant deposit. Under lightning impulse voltage (1.2 /50μs), the morphology of the discharge and the associated currents depend on voltage (shape, amplitude, polarity), the distribution ofpollution and its conductivity. The measured average velocity of the discharge depends on the polarity applied to the tip and the pollution conductivity. The critical time corresponding to the critical conditions is about 9/10 of total flashover duration regardless of the polarity of the voltage and the pollution conductivity. The chemical composition of the pollution layer has little effect on the critical voltage unlike the critical currents. The values of the characteristic constants n and N depend on the chemical nature of the deposits and the voltage polarity.The developed model shows that the discharge constant characteristics n and N are dynamic parameters and depend on the elements of the equivalent electrical circuit system and thermal parameters of the discharge. The developed relationships of critical conditions of flashoverlink the electrical parameters and thermal equivalent circuit and the propagation condition of the discharge. This approach allows us tounderstand the effect of the chemical constitution of pollution on the values of n and N. The application of this model for various voltage waveforms and for several types of pollution, gives satisfactory results. The assumption that the column of the discharge contains only watervapor and air is a good approximation of the critical conditions. Under lightning impulse voltage, the current circulate into a effective section of the pollution surface. The introduction of the concept of critical effective thickness of pollution and its application to the calculation ofcritical parameters gives good results compared with the experimental values. We have also shown that the effective thickness of the depositis proportional to the resistivity of the pollution and depends on voltage polarity and pollution configuration. In the case of discontinuous deposit of pollution and / or non-uniform propagation conditions of discharges are local and their characteristic parameters vary dependingon the configuration and the conductivity of the deposit and the polarity of the applied voltage. The developed model gives good results

Ce travail de thèse concerne l’utilisation des électrotechnologies pour une valorisation optimisée de la betterave à sucre conformément au concept de bioraffinerie. Les électro-technologies appliquées sont les champs électriques pulsés (CEP) et les décharges électriques de haute tension (DEHT). L’étude s’attache d’une part à l’optimisation d’un procédé alternatif pour l’extraction du sucre par pressage alcalin à froid assisté par CEP. D’autre part, elle propose des nouvelles voies pour la valorisation de deux coproduits de l’industrie betteravière qui sont les radicelles et la pulpe de betterave. Dans la première partie, le traitement électrique par CEP couplé au chaulage permet une meilleure désintégration du tissu betteravier. Il permet d’accélérer les cinétiques du pressage, d’améliorer le rendement ainsi que la qualité du jus et d’alléger la procédure de purification en aval de l’extraction. Une étude paramétrique d’optimisation a permis d’identifier le meilleur itinéraire d’application de ce nouveau procédé d’extraction. Les cossettes fraîches de betterave sont prétraitées par CEP à 600 V/cm pour 10 ms (Q = 2,7 Wh/kg). Les cossettes électroporées sont ensuite pressées à froid pour extraire 75 % du jus. Les cossettes pressées subissent un pressage alcalin avec 10 % du lait de chaux. Afin d’extraire le sucre résiduel dans le gâteau de pressage obtenu, deux étapes de pressage supplémentaires avec une étape intermédiaire d’hydratation sont nécessaires. Ce procédé optimisé permet de bien épuiser les cossettes en sucre (perte en sucre de 0,23 % et matière sèche de pulpes de 39 %) pendant une courte durée d’extraction (30 min) avec un faible soutirage (108 %) par rapport au procédé de diffusion. Il permet ainsi des économies significatives de matière et d’énergie surtout pour les étapes d’extraction du jus et de séchage de pulpes. Par rapport au procédé conventionnel, le gain énergétique s’élève à 91,96 × 106 kWh pour une usine traitant 10 000 t/j de betteraves pendant une campagne de 110 jours. De plus, le procédé proposé permet de simplifier la procédure de purification et de réduire de 50 à 60 % la quantité de chaux utilisée. Dans la deuxième partie de cette étude, deux procédés de transformation ont été proposés et optimisés à l’échelle laboratoire pour la valorisation des radicelles et de la pulpe de betterave à sucre. Les radicelles ont été utilisées pour produire du bioéthanol. Le jus brut de radicelles a été extrait par pressage à froid assisté par CEP. La production du bioéthanol a été achevée par fermentation alcoolique. Le prétraitement par CEP (450 V/cm, 10 ms) a permis d’accélérer la cinétique de pressage, d’augmenter le rendement en solutés (79,85 % vs. 16,8 %) et d’obtenir un jus plus concentré (10 % vs. 5,2 %). Le procédé optimisé permet de produire environ 41,75 L de bioéthanol par tonne de radicelles lorsque l’on applique un prétraitement par CEP contre seulement 8,2 L de bioéthanol sans prétraitement électrique confirmant ainsi le potentiel de ce nouveau schéma de valorisation. La pulpe de betterave déshydratée ayant une matière sèche de 92,8 % a été utilisée pour l’extraction de pectines. L’étude réalisée a montré que l’application d’un prétraitement par DEHT permet d’intensifier l’extraction des pectines. Le gain relatif de rendement en pectines est de 25,3 % pour une énergie consommée de 76,2 kJ/kg. Le schéma de bioraffinage proposé pourra aider au maintien de la filière betteravière en France après la suppression de système de quotas sucriers dans l’Union européen qui entrera en vigueur le 1er octobre 2017. / This work discusses the use of electrotechnologies for an optimized valorization of sugar beet according to the concept of biorefinery. The applied electrotechnologies are pulsed electric fields (PEF) and high-voltage electrical discharges (HVED). The study firstly aims at optimizing an alternative method for sugar extraction by PEF assisted cold alkaline pressing. On the other hand, it proposes new ways for valorizing two by-products of sugar beet industry, which are sugar beet tails and pulps. In the first part, PEF treatment combined with liming leads to a better disintegration of beet tissue. It permits accelerating of pressing kinetics, improvement of juice yield and quality, and reduction of subsequent purification procedure. A parametric optimization study identified the best application itinerary of the proposed extraction process. Fresh sugar beet cossettes are pretreated by PEF at 600 V/cm for 10 ms (Q = 2.7 Wh/kg). The electroporated cossettes are then pressed to extract 75% of intracellular juice. Compressed cossettes are subjected to an alkaline pressing with 10% lime milk. In order to extract the residual sucrose in the obtained press-cake, two additional steps of pressing with an intermediate hydration are required. This optimized process allows well exhausting the sugar cossettes (sugar loss of 0.23% and pulp dry matter of 39%) for a short extraction (30 min) and with low draft (108%) compared to diffusion method. Thus, it allows substantial saving in materials and energy especially for juice extraction and pulp drying. Compared to the conventional method, the energy saving amounted to 91.96 × 106 kWh for a sugar beet factory treating 10 000 tons per day for a campaign of 110 days. In addition, the proposed method simplifies the purification procedure of raw juice and reduces the used amount of lime from 50 to 60%. In the second part of this study, two processing methods were proposed and optimized at lab-scale for valorization of sugar beet tails and pulps. Sugar beet tails were used to produce bioethanol. Raw juice of beet tails was extracted by PEF assisted cold pressing. Bioethanol production was then done by alcoholic fermentation. Pretreatment of beet tails with PEF (450 V/cm, 10 ms) permits accelerating the pressing kinetics, increasing the yield of solutes (79.85% vs. 16.8%), and leads to a more concentrated juice (10% vs. 5.2%). The optimized process permits the production of about 41.75 L of bioethanol per ton of beet tails when PEF pretreatment is applied against only 8.2 L of bioethanol without PEF confirming the potential of this new valorization scheme. Dried beet pulp having a dry matter of 92.8% was used for pectin recovery. The present study showed that the application of HVED pretreatment leads to intensify pectin extraction. The relative gain of pectin yield is 25.3% with an energy consumption of 76.2 kJ/kg. The proposed biorefinery scheme could protect the sugar beet industry in France after the suppression of the sugar quota system in the European Union, which will take effect on 1st October 2017.

Ce projet de recherche s’inscrit dans le parcours international de la maitrise de Physique (option plasma) de l’Université de Montréal en collaboration avec l’Université Paul Sabatier de Toulouse (France). Il concerne la caractérisation des décharges électriques (Sparks) dans les liquides diélectriques et ses applications dans la synthèse de nanoparticules. L’objectif est d’amélioré la connaissance des conditions de formation des nanoparticules. Cela implique de caractériser l’ensemble du système expérimental et de développer sa métrologie d’une part, et d’autre part d’obtenir l’évolution des paramètres plasma lors de la synthèse. Dans un premier temps, sur le site du LAPLACE (UMR5213), Toulouse, il a fallu développer une alimentation électrique impulsionnelle destinée à réaliser des décharges dans les liquides. En se basant sur un dispositif existant qui fût amélioré, le fonctionnement a été caractérisé du point de vue électrique (courant - tension). L’application à la synthèse de nanoparticules a été ensuite abordée pour différentes conditions expérimentales, en considérant l’aspect énergétique (bilan d’énergie, caractéristiques de la décharge…). Les travaux se sont poursuivis à l’Université de Montréal, où un circuit électrique équivalent du système expérimental est réalisé afin de visualiser l’évolution temporelle des paramètres plasma (température et densité électronique) en fonction des paramètres électriques choisis. Aussi, la synthèse de nanoparticules de Co et Ni par la décharge a été évaluée et les nanoparticules formées sont caractérisées à l’aide du microscope électronique à Transmission de Polytechnique Montréal. / This research project is part of the international master's program in Physics (plasma option) between Université de Montréal and Université Paul Sabatier - Toulouse (France). It concerns the synthesis of nanoparticles by pulsed electrical discharges in liquids. The objective is to develop the synthesis process while improving the knowledge of the formation conditions of nanoparticles. This involves characterizing the entire experimental system and developing its metrology on the one hand, and on the other hand obtaining the evolution of plasma parameters during synthesis. Initially, at the LAPLACE lab (UMR5213), Toulouse, it was necessary to develop a pulsed electrical supply to produce discharges in liquids. Based on an existing device that, after being improved, the discharge process is characterized from the electrical point of view (current, voltage). The application of the device in the synthesis of nanoparticles was tested under different experimental conditions, considering the energy aspect (energy balance, characteristics of the discharge, etc.). The second part was conducted at Université de Montréal, where the synthesized nanoparticles are characterized using the transmission electron microscope of Polytechnique Montreal. Also, the electrical circuit equivalent to the experimental system was determined to visualize the time evolution of the plasma parameters (Temperature and Electron Density) based on the electrical characteristics.

Nous présentons dans ce document, notre étude de la conception et la réalisation de VMOS et de diodes Schottky et JBS en carbure de silicium. Ce travail nous a permis d'optimiser et de fabriquer des diodes utilisant une barrière Schottky en Tungsten de différentes tenues en tension entre 1,2kV et 9kV. De plus, notre étude du VMOS nous a permis d'identifier la totalité des problèmes auxquels nous faisons face. Ainsi, nous avons pu améliorer ces composants tout en essayant de nouveaux designs tels que le VIEMOS et l'intégration monolithique de capteurs de temperature et de courant. / In this document, we present ou study about the conception and realization of VMOS and Schottky and JBS Diodes on Silicon Carbide. This work allowed us optimize and fabricate diodes using Tungsten as Schottky barrier on both Schottky and JBS diodes of different blocking capability between 1.2kV and 9kV. Moreover, our study of the VMOS, by considering the overall fabrication process, has permitted to identify the totality of the problems we are facing. Thusly we could ameliorate the devices and try new designs as the VIEMOS or the monolithic integration of temperature and current sensors.

Les simulations numériques sont devenues un outil indispensable dans la conception des chambres de coupure des disjoncteurs électriques haute tension. Elles sont utilisées non seulement dans le dimensionnement des différentes pièces, mais elles fournissent également une aide précieuse dans la compréhension des phénomènes intervenant entre les deux électrodes au moment de la coupure. L’arc électrique généré entre ces deux électrodes rassemble de nombreux domaines de la physique plus ou moins complexes. Tous ces phénomènes ne sont pas encore parfaitement compris. Avec l’évolution de la puissance de calcul, ces simulations peuvent prendre en compte de plus en plus de phénomènes. Mais pour des raisons de temps de développement, la question des phénomènes à prendre en compte dans ces simulations se pose. Le but de telles simulations est de déterminer de manière rapide si une configuration est plus ou moins capable qu’une autre de couper sous une contrainte donnée. Ainsi, il est important de prendre en compte uniquement les phénomènes physiques importants et nécessaires pour avoir une réponse la plus décisive possible et la plus rapide possible, de la réussite ou non à la coupure d’une configuration testée. Dans cette thèse, nous nous sommes particulièrement intéressés aux déséquilibres thermiques et chimiques qui pourraient intervenir dans les disjoncteurs électriques haute tension au moment de la coupure. En effet, pour des raisons de temps et de coût de calcul, la plupart des simulations numériques actuelles sont réalisées en faisant une hypothèse forte : l’hypothèse d’Equilibre Thermodynamique Local (ETL). Cette hypothèse consiste à considérer que dans chaque maille de notre domaine d’étude et à chaque pas de temps, on a un équilibre thermodynamique réalisé. Faire cette hypothèse nous permet d’utiliser les lois de conservation (masse, quantité de mouvement et énergie) en allégeant le problème. Mais en réalité, cette hypothèse est mise à mal dès que l’on est en présence de forts gradients de température ou de densité. Pour réaliser ces simulations, le code numérique CARBUR a été utilisé. Des modules d’arc électrique (effet Joule et rayonnement) et d’électrode mobile ont été implémentés afin de pouvoir simuler au mieux le comportement du gaz présent dans les disjoncteurs électriques haute tension. Six études différentes ont été réalisées et sont présentées. Ces études portent sur les influences de la forme du bout des électrodes, d’une modélisation en Navier-Stokes par rapport à une modélisation en Euler, de la nature du gaz (SF6, CO2 et N2), du déséquilibre thermique dans le cas de l’azote ou encore du positionnement des termes sources de l’arc électrique dans les différentes équations d’évolution des énergies. Dans ce travail, une étude sur différents modèles cinétiques chimiques est proposée. Dans ces modèles, 5 espèces chimiques sont présentes : N2, N, N+, N2+ et e-. En ce qui concerne la température, on en distingue 4 : T, TVib-N2, TVib-N2+ et Te. / The numerical simulations are become a very important tool to design the high voltage circuit breaker (HVCB) chamber. They help for the understanding of the different phenomena which can take place between the 2 electrodes during an interruption process. The electric arc brings together many fields of physics more or less complex and many of these phenomena are still poorly studied. So many aspects remain to be explored to improve simulations. With the increase of the calculation power, these numerical simulations can take into account more phenomena. However, for reasonable simulation times, we need to know which phenomena are preponderant. The aim of these numerical simulations is to rapidly conclude on the capacity of geometry to success an interruption process compared to different other geometries, under a given stress. In this PhD dissertation, we are particularly interested on thermal and chemical non equilibrium that can occur in HVCB during an interruption process. Currently, most simulations are carried out with a strong hypothesis: the hypothesis of Local Thermodynamic Equilibrium (LTE). This assumption allows us to alleviate the problem and to reduce the computing time. But this assumption becomes not valid when high temperature or density gradients occur. To do these simulations, the CARBUR numerical code has been used. In order to simulate flow behaviors in HVCB, an electrical arc (Joule effect and radiation) model and a module of mobile electrode have been added. Six different studies have been done and are presented: influence of the electrode shape, influence of the Navier-Stokes equations compared to the Euler equations, influence of the gas (SF6, CO2 et N2), influence of the thermal non equilibrium in a nitrogen case, influence of the position of the arc source terms in the different energy equations. In this work, a study on different nitrogen chemical kinetics is proposed. In these models, 5 chemical species are distinguished: N2, N, N+, N2+ and e-. Finally, 4 different temperatures are used: T, TVib-N2, TVib-N2+ and Te.

Les mémoires non volatiles intégrées représentent une part importante du marché des semi-conducteurs. Bien qu'il s'adresse à de nombreuses applications différentes, ce type de mémoire fait face à des problèmes pour poursuivre la réduction continue de la résolution des technologies CMOS. En effet, l'introduction récente de high-k et de métal pour la grille des transistors menace la compétitivité de la solution Flash. En conséquence, de nombreuses solutions émergentes sont étudiées. L'Antifuse dans le cadre des mémoires OTP est utilisée pour l'identification de puces, la configuration de circuits, la réparation de système ou le stockage de données sécurisées. La programmation Antifuse repose sur la dégradation de l'oxyde de grille de son condensateur sous haute tension. Des travaux antérieurs ont déjà apporté quelques connaissances sur les mécanismes physiques impliqués sur des technologies à oxyde de grille SiO2. De nouveaux défis découlent de l'introduction des nouveaux matériaux de grille. Un examen complet est nécessaire sur les mécanismes de dégradation des oxydes impliqués dans la programmation Antifuse. L'utilisation intensive de la haute tension suggère également d'étendre notre connaissance sur la fiabilité dans cette gamme de tension. Les états pré et post-claquage de l'oxyde de grille sous des mécanismes à haute tension sont donc étudiés dans ce manuscrit se concentrant sur les technologies CMOS les plus avancées. Une loi en puissance type TDDB a été étendue vers les hautes tensions pour être utilisée comme un modèle de temps de programmation Antifuse. L'extension de la fiabilité TDDB nous donne également un élément clé pour modéliser la durée de vie du transistor de sélection. Des paramètres de programmation tels que l'amplitude de la tension, la compliance du courant ou la température sont également étudiés et leur impact sur le rendement en courant de lecture est abordé. Cette étude nous permet de rétrécir agressivement la surface globale de la cellule sans perte de performance ni de dégradation de la fiabilité. Un processus de caractérisation Antifuse est proposé pour être retravaillé et un modèle de programmation de tension-température-dépendante est inventé. Ce manuscrit a également mis l'accent sur la modélisation de courant de cellule programmée comme la fuite d’un oxyde de grille post-claquage. Un modèle compact MOSFET dégradé est proposé et comparé à l'état de l’art. Un bon accord est trouvé pour s'adapter à la large gamme de caractérisations I (V) de la cellule programmée. L'activation de ce modèle dans un environnement de design nous a permis de simuler la dispersion des distributions de courants de cellules programmées au niveau de la taille du produit à l'aide de runs Monte-Carlo. Enfin, cette thèse s'achève autour d'une étude d'investigation OxRAM comme une solution émergente. En combinant le dispositif Antifuse avec le mécanisme de commutation résistif de l'OxRAM, une solution hybride est proposée en perspective. / Embedded Non Volatile Memories represent a significant part of the semiconductor market. While it addresses many different applications, this type of memory faces issues to keep the CMOS scaling down roadmap. Indeed, the recent introduction of high-k and metal for the CMOS gate is threatening the Flash’s competitiveness. As a consequence many emerging solutions are being. The Antifuse as part of the OTP memories is fully CMOS compliant, Antifuse memories are used for Chip ID, chip configuration, system repairing or secured data storage to say the least. The Antifuse programming relies on the gate oxide breakdown of its capacitor under high voltage. Previous work already brought some knowledge about the physical mechanisms involved but mainly on SiO2 gate oxide technologies. New challenges arise from the introduction of the new gate materials. A full review is needed about the oxide breakdown mechanisms involved in the Antifuse programming. The extensive use of high voltage also suggests to extend our knowledge about reliability within this voltage range. Pre and post gate oxide breakdown under high voltage mechanisms are then deeply investigated in this manuscript focusing on the most advanced CMOS technologies. Fowler Nordheim Tunneling has been confirmed as the main mechanism responsible for the gate oxide leakage conduction under high voltage during the wearout phase even-though defect contribution has been evidenced to mainly contribute under low voltage , e.g. the virgin Antifuse leakage current. A TDDB based power law has been extended toward high voltage to be used as a robust Antifuse programming time model. Extending the TDDB reliability under high electric field also gives us key element to model the selection MOSFET time to failure. Programming parameters such as voltage amplitude, current compliance or temperature are also investigated and their impact on the Read Current Yield are tackled. This study allows us to aggressively shrink the bitcell overall area without losing performance nor degrading the reliability. This study also reveals a worst case scenario for the programming parameters when temperature is very low. As a consequence, the early Antifuse characterization process is proposed to be rework and a programming voltage-temperature-dependent solution is invented. This manuscript also focused on the Antifuse programmed cell current modeling as gate oxide post-breakdown conduction. A remaining MOSFET compact model is proposed and compared to the state of the art. Good agreement is found to fit the wide range of read current. Enabling this model within a CAD environment has allowed us to simulate the Read Current Yield dispersion at product size level using Monte-Carlo runs. Finally, this thesis wraps up around an OxRAM investigation study as a serious emerging eNVM solution. Combining the Antifuse device with the resistive switching mechanism of the OxRAM, a hybrid solution is proposed as a perspective.