Le transport d’énergie par des lignes HVDC constitue le principal réseau de transmission d’énergie électrique du futur. Les convertisseurs de puissance (par exemple de type MMC) qui constitueront ce réseau devront être capables de gérer des tensions de l’ordre de centaines de kilovolts ce qui rend critique l’alimentation des dispositifs de contrôle (gate-drive) de ces convertisseurs. Il est nécessaire de concevoir des solutions qui garantissent l’alimentation de ces gate-drives avec une isolation.Pour ce faire, un circuit basé sur le principe du flyback et utilisant un JFET normalement passant a été développé. Il est placé en parallèle d’un condensateur typiquement connecté aux bornes d’un bras d’onduleur. Il permet d’alimenter le dispositif de puissance dès qu’une faible tension est appliquée à son entrée. Cette fonction est assurée grâce au caractère normalement passant du JFET. Pour le prototype développé, la tension du bras est de 2 kV. La tension de sortie est régulée à 24 V. De nos jours, des JFET normalement passants avec une tenue en tension supérieure à 2 kV n’existent pas sur le marché. Donc, pour supporter les tensions mises en jeu dans le circuit, une mise en série de JFET SiC normalement passants commandés par un MOSFET Si a été réalisée (montage « super-cascode »). Le circuit développé est capable de fournir 20 W pour alimenter des gate-drives à des potentiels flottants. Le rendement obtenu est proche de 60 %. Aussi, le problème d’isolation est résolu par cette solution d’auto-alimentation. / HVDC power transmission is the future of the electrical energy transmission network. The power converters (e.g. MMC) used in this network will be able to cope with voltages of hundreds of kV, making the power supply of the gate-drive devices in these converters challenging. It is then necessary to design solutions that guarantee the power supply of these gate-drives, while providing high voltage isolation. To do this, a circuit, based on the flyback principle, was developed. It is placed in parallel with a capacitor typically connected to a half-bridge circuit. It has an auto-start feature. This allows to supply the gate-drive as soon as a low voltage is applied to the input of the self-supply system. This is obtained by taking advantage of the normally-ON character of the JFET. In our prototype, the input voltage is 2 kV. High voltage JFETs of 2 kV and higher breakdown voltages are not yet available on the market. So, to achieve this high voltage capacity, a series of Normally-ON SiC JFETs controlled by a low voltage Si MOSFET (Super-cascode circuit) is used in the circuit. The developed circuit is able to supply 20 W at different floating potentials with output voltage regulated at 24 V and an efficiency close to 60%. The isolation problem is then solved using this solution.

Les phénomènes de couplage électromagnétique entre les lignes aériennes de transmission d'énergie et des structures voisines sont inévitables, surtout dans les zones densément peuplées. Les effets indésirables découlants de cette proximité sont variés, allant de l'établissement des tensions dangereuses à l'apparition de phénomènes de corrosion dus au courant alternatif. L'étude de cette classe de problèmes est nécessaire pour assurer la sécurité dans les alentours de la zone d'interaction et aussi pour préserver l'intégrité des équipements et des dispositifs présents. Cependant, la modélisation complète de ce type d'application implique la représentation tridimensionnelle de la région d'intérêt et nécessite des méthodes numériques de calcul de champs spécifiques. Dans ces travaux, des problèmes liés à la circulation de courants électriques dans le sol (ou de couplage dit conductif) seront abordés avec la méthode des éléments finis. D'autres problèmes résultants de la variation temporelle des champs électromagnétiques (ou de couplage dit inductif) seront aussi considérés et traités avec la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) généralisée. Plus précisément, une condition limite particulière sur le potentiel électrique est proposée pour tronquer le domaine de calcul dans l'analyse par éléments finis des problèmes de couplage conductif et une formulation PEEC complète pour la modélisation de problèmes de couplage inductif est présentée. Des configurations tests de complexités croissantes sont considérées pour valider les approches précédentes. Ces travaux visent ainsi à apporter une contribution à la modélisation de cette classe de problèmes, qui tendent à devenir communs avec l'expansion des réseaux électriques. / Electromagnetic coupling phenomena between overhead power transmission lines and other nearby structures are inevitable, especially in densely populated areas. The undesired effects resulting from this proximity are manifold and range from the establishment of hazardous potentials to the outbreak of alternate current corrosion phenomena. The study of this class of problems is necessary for ensuring security in the vicinities of the interaction zone and also to preserve the integrity of equipment and devices there present. However, the complete modeling of this type of application requires the three-dimensional representation of the region of interest and needs specific numerical methods for field computation. In this work, the modeling of problems arising from the flow of electrical currents in the ground (the so-called conductive coupling) will be addressed with the finite element method. Those resulting from the time variation of the electromagnetic fields (the so-called inductive coupling) will be considered as well, and they will be treated with the generalized PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) method. More specifically, a special boundary condition on the electric potential is proposed for truncating the computational domain in the finite element analysis of conductive coupling problems, and a complete PEEC formulation for modeling inductive coupling problems is presented. Test configurations of increasing complexities are considered for validating the foregoing approaches. These works aim to provide a contribution to the modeling of this class of problems, which tend to become common with the expansion of power grids. / Fenômenos de acoplamento eletromagnético entre linhas aéreas de transmissão de energia e outras estruturas vizinhas são inevitáveis, sobretudo emáreas densamente povoadas. Os efeitos indesejados decorrentes desta proximidadesão variados, indo desde o estabelecimento de potenciais perigosos até o surgimento de processos de corrosão por corrente alternada. O estudo desta classe de problemas é necessária para a garantia da segurança nas imediações da zona de interação e também para se preservar a integridade de equipamentos e dispositivos ali presentes. Entretanto, a modelagem completa deste tipo de aplicação requer a representação tridimensional da região de interesse e necessita de métodos numéricos de cálculo de campos específicos. Neste trabalho, serão abordadas as modelagens de problemas decorrentes da circulação de correntes elétricas no solo (ditos de acoplamentocondutivo) com o método dos elementos finitos. Também serão considerados problemas produzidos pela variação temporal dos campos eletromagnéticos (ditos de acoplamento indutivo), que serão tratados com o método PEEC(Partial Element Equivalent Circuit) generalizado. Mais especificamente, uma condição de contorno particular sobre o potencial elétrico é proposta para o truncamento do domínio de cálculo na análise de problemas de acoplamento condutivo com o método dos elementos finitos, e uma formulação completa tipo PEEC para a modelagem de problemas de acoplamento indutivo é apresentada. Problemas teste de complexidades crescentes são considerados para a validação das abordagens precedentes. Estes trabalhos visam fornecer desta forma uma contribuição à modelagem desta classe de problemas, que tendem a se tornar comuns com a expansão das redes elétricas.

Cette thèse porte sur la commande de réseaux multi-terminaux à courant continu (MTDC) basés sur des convertisseurs multiniveaux modulaires (MMCs).Tout d’abord, notre attention se focalise sur l'énergie stockée en interne dans le MMC qui constitue un degré de liberté additionnel apporté par sa topologie complexe. Afin d’en tirer le meilleur parti, les limites de l’énergie interne sont formulées mathématiquement.Afin de maîtriser la dynamique de la tension DC, l’utilisation de ce nouveau degré de liberté s’avère d’une grande importance. Par conséquent, une nouvelle de stratégie de commande, nommée «Virtual Capacitor Control», est proposée. Cette nouvelle méthode de contrôle permet au MMC de se comporter comme s’il possédait un condensateur de taille réglable aux bornes, contribuant ainsi à l’atténuation des fluctuations de la tension DC.Enfin, la portée de l’étude est étendue au réseau MTDC. L'un des défis majeurs pour un tel système est de faire face à une perte soudaine d'une station de convertisseur qui peut entraîner une grande variation de la tension du système. A cet effet, la méthode de statisme de tension est la plus couramment utilisée. Cependant, l'analyse montre que l'action de contrôle souhaitée risque de ne pas être réalisée lorsque la marge disponible de réserve de puissance du convertisseur est insuffisante. Nous proposons donc une nouvelle structure de contrôle de la tension qui permet de fournir différentes actions en fonction du signe de l'écart de la tension suite à une perturbation, associée à un algorithme qui détermine les paramètres de statisme en tenant compte du point de fonctionnement et de la réserve disponible à chaque station. / The scope of this thesis includes control and management of the Modular Multilevel Converter (MMC)-based Multi-Terminal Direct Current (MTDC).At first, our focus is paid on the internally stored energy, which is the important additional degree of freedom brought by the complex topology of MMC. In order to draw out the utmost of this additional degree of freedom, an in-depth analysis of the limits of this internally stored energy is carried out, and they are mathematically formulated.Then, this degree of freedom of the MMC is used to provide a completely new solution to improve the DC voltage dynamics. A novel control strategy, named Virtual Capacitor Control, is proposed. Under this control, the MMC behaves as if there were a physical capacitor whose size is adjustable. Thus, it is possible to virtually increase the equivalent capacitance of the DC grid to mitigate the DC voltage fluctuations in MTDC systems.Finally, the scope is extended to MMC-based MTDC grid. One of the crucial challenges for such system is to cope with a sudden loss of a converter station which may lead to a great variation of the system voltage. The voltage droop method is commonly used for this purpose. The analysis shows that the desired control action may not be exerted when the available headroom of the converter stations are insufficient. We thus propose a novel voltage droop control structure which permits to provide different actions depending on the sign of DC voltage deviation caused by the disturbance of system voltage as well as an algorithm that determines the droop parameters taking into account the operating point and the available headroom of each station.

Aujourd’hui les réseaux électriques sont exploités dans un marché dérégulé. Les gestionnaires des réseaux électriques sont tenus d’assurer un certain nombre de critères de fiabilité et de continuité du service, tout en minimisant le coût total consacré aux efforts effectués pour maintenir la fiabilité des installations. Il s’agit de trouver une stratégie, qui répond à plusieurs exigences, comme :le coût, les performances, la législation, les exigences du régulateur, etc. Cependant, le processus de prise de décision est subjectif, car chaque participant ramène sa contribution sur base de sa propre expérience. Bien que ce processus permette de trouver la « meilleure » stratégie, cette dernière n’est pas forcément la stratégie « optimale ». Ce compromis technico-économique a sensibilisé les gestionnaires des réseaux électriques à la nécessité d’un recours à des outils d’aide à la décision, qui doivent se baser sur des nouvelles approches quantitatives et une modélisation plus proches de la réalité physique.<p>Cette thèse rentre dans le cadre d’un projet de recherche lancé par ELIA, et dénommé COMPRIMa (Cost-Optimization Models for the Planning of the Renewal, Inspection, and Maintenance of Belgian power system facilities). Ce projet vise à développer une méthodologie qui permet de modéliser une partie du réseau électrique de transport (par les réseaux de Petri stochastiques) et de simuler son comportement dynamique sur un horizon donné (simulation de Monte Carlo). L’évaluation des indices de fiabilité permet de comparer les différents scénarios qui tentent d’améliorer les performances de l’installation. L’approche proposée est basée sur la stratégie RCM (Reliability-Centered Maintenance).<p>La méthodologie développée dans cette thèse permet une modélisation plus réaliste du réseau qui tient compte, entre autres, des aspects suivants :<p>- La corrélation quantitative entre le processus de maintenance et le processus de vieillissement des composants (par un modèle d’âge virtuel) ;<p>- Les dépendances liées à l’aspect multi-composant du système, qui tient compte des modes de défaillance spécifiques des systèmes de protection ;<p>- L’aspect économique lié à la stratégie de maintenance (inspection, entretien, réparation, remplacement), aux coupures (programmées et forcées) et aux événements à risque (refus disjoncteur, perte d’un client, perte d’un jeu de barres, perte d’une sous-station, etc.). / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail de doctorat traite l’optimisation des méthodes d’extraction des composés phénoliques à partir des sous-produits de la viticulture et de la viniculture, à savoir les sarments de vigne et les marcs de raisins. Plusieurs technologies innovantes sont appliquées et comparées : l’extraction accélérée par solvant (EAS), les décharges électriques de haute-tension (DEHT), les ultrasons (US) et les champs électriques pulsés (CEP). Les extractions solide-liquide faites sur les sarments ont montré que, parmi les solvants étudiés, l’eau est le moins efficace. L’ajout de la β-cyclodextrine dans l’eau améliore le procédé d’extraction mais est moins efficace que les mélanges hydroéthanoliques. L’extraction en milieu alcalin donne le meilleur rendement en composés phénoliques. L’intensification de l’extraction des composés phénoliques des sarments est possible grâce aux nouvelles technologies d’extraction. L’efficacité des méthodes testées est la moindre avec les US, moyenne avec les CEP pour atteindre le meilleur rendement phénolique avec les DEHT. La filtrabilité de ces extraits est d’autant plus lente que leur composition est complexe. L’ultrafiltration membranaire permet une très bonne purification et concentration des composés phénoliques. L’étude des mécanismes d’action des DEHT a permis d’identifier les phénomènes favorisant l’extraction des composés phénoliques à partir des sarments. Un effet mécanique des DEHT, capable de fragmenter les sarments, est en majorité responsable de cette amélioration. Le procédé énergivore du broyage pourra alors être omis. Un effet électrique contribuant également à l’intensification du procédé d’extraction est démontré. La formation de peroxyde d’hydrogène durant le traitement par DEHT est quantifiée mais ne semble pas altérer les composés phénoliques qui sont des molécules à capacité antiradicalaire élevée. Quant aux études portées sur les marcs de raisins, la variation simultanée de plusieurs paramètres opératoires a permis l’optimisation de l’extraction aqueuse et hydroéthanolique des composés phénoliques en ayant recours à la méthodologie de surface de réponse (MSR). Le passage d’un milieu aqueux à un milieu hydroéthanolique a permis d’améliorer nettement le procédé d’extraction solide-liquide des composés phénoliques et l’utilisation de l’EAS a permis l’augmentation du rendement en composés phénoliques jusqu’à trois fois par rapport à l’optimum obtenu en milieu hydroéthanolique. / This study deals with the optimization of the extraction methods of phenolic compounds from viticulture and viniculture by-products, namely vine shoots and grape pomace. Several innovative technologies were tested and compared: high voltage electrical discharges (HVED), accelerated solvent extraction (ASE), ultrasounds (US) and pulsed electric fields (PEF). The solid-liquid extraction conducted on vine shoots showed that, amongst the studied solvents, water is the least effective. The addition of the β-cyclodextrin to water improves the extraction process but remains less effective than that with hydroethanolic mixtures. The extraction in alkaline medium gives the highest phenolic compound extraction yields. The intensification of phenolic compound extraction from vine shoots was possible thanks to new extraction technologies. The effectiveness of the tested methods was the least with US, followed by PEF to accomplish the highest phenolic yield with HVED. The filterability of the extracts was slower when their composition was complex, and the membrane technology allowed a good purification and concentration of phenolic compounds. The reason behind the high effectiveness of HVED was investigated. The action mechanisms of HVED were studied in details. A mechanical effect of HVED provoked vine shoots fragmentation and particle size reduction. This was the main phenomenon responsible for the intensification of the extraction process. It also suggested that a grinding pretreatment would not be necessary prior to HVED, which considerably diminishes the energy input of the overall process. The presence of a non-mechanical effect and its contribution in the efficiency of HVED were also shown. The formation of hydrogen peroxide during the treatment was observed. However it did not seem to alter vine shoot phenolic compounds since these demonstrated a high radical scavenging capacity. As for the studies conducted on grape pomace, the simultaneous variation of several operating parameters allowed the aqueous and hydroethanolic optimization of phenolic compound extraction from these byproducts by response surface methodology (RSM). The passage from an aqueous to a hydroethanolic medium clearly improved the solid-liquid extraction of phenolic compounds from grape pomace. The use of ASE further increased the phenolic compound yield up to three times as compared to the optimum obtained with a hydroethanolic solvent.

Ce travail de recherche porte sur l’intensification de l’extraction des polyphénols à partir des écorces de chêne pédonculé et d’épicéa commun par des technologies innovantes : les champs électriques pulsés (CEP), les ultrasons (US) et les micro-ondes (MO). Ces prétraitements permettent l’amélioration de l’extraction par endommagement des membranes et/ou parois cellulaires. L’effet de chacune de ces techniques (CEP, US et MO) sur l’extraction des polyphénols a été mis en évidence à travers une étude d’optimisation quantitative et qualitative : suivi du rendement des polyphénols, de l’activité antioxydante et caractérisation chimiques des composés extraits.Une étude comparative des prétraitements (CEP, US et MO) couplés à une diffusion en milieu hydro-alcoolique alcalin, a permis de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors d’un traitement d’un tissu fibreux. L’étude a prouvé que l’efficacité du procédé est indépendante de la famille d’arbre à laquelle appartiennent les écorces (résineux ou feuillus). De plus, pour valoriser les écorces de bois, l’application d’un prétraitement par CEP (20 kV/cm, 200 impulsions, 3,2 kJ/g bois) suivi d’une diffusion semble être une alternative aux ultrasons, micro-ondes et à l’extraction avec des écorces préalablement broyées. En effet, grâce à l’action électrique et mécanique des CEP, ce prétraitement permet d’obtenir un extrait riche en polyphénols (10,5 g EAG/100g MS pour l’épicéa soit 83 % d’efficacité et 5 g EAG/100g MS pour le chêne soit 82 % d’efficacité). / This research work focuses on the intensification of polyphenols extraction from Quercus robur and Norway spruce barks using innovative technologies : pulsed electric field (PEF), ultrasound assisted extraction (UAE) and microwave assisted extraction (MAE). These pre-treatments enhance the release of intracellular compounds by damaging the membrane and/or cell wall. The effect of each of these technologies (PEF, UAE and MAE) on polyphenols extraction has been highlighted in a quantitative and qualitative optimization analysis by evaluating the polyphenols concentration, antioxidant activity and by the chemical characterization of the extracted compounds.A comparative study of pre-treatments (PEF, UAE and MAE) coupled with an extraction step in an alkaline hydro-alcoholic medium allowed us to better understand the involved phenomena. The induced process efficiency is independent of the tree family to which the bark belongs (coniferous and hardwood). For bark valorization, the application of PEF treatment (20 kV/cm, 200 pulses, 3.2 kJ/g bark) followed by a diffusion step seems to be an alternative to ultrasound and microwave assisted extractions and to the extraction from grinded barks. In fact, the electrical and mechanical effect of PEF treatment allow to obtain an extract rich in polyphenols (10.5 g GAE/100g DM and an efficiency of 83 % for Norway spruce and 5 g GAE /100g DM and an efficiency of 82 % for Quercus robur bark).

Les convertisseurs de forte puissance sont des éléments critiques des futurs réseaux HVDC. À ce titre, leur fiabilité et leur endurance sont primordiales. La défaillance d’un composant se produit soit en circuit ouvert, ou en court-circuit. Le composant défaillant en circuit ouvert est inadmissible pour les convertisseurs utilisant une topologie de mise en série. En particulier, dans certaines applications HVDC, les modules doivent être conçus de telle sorte que lorsqu'une défaillance se produit, le module défaillant doit se comporter comme un court-circuit et supporter ainsi le courant nominal qui le traverse. Un tel comportement est appelé “défaillance en court-circuit” ou “failure-to-short-circuit”. Actuellement, tous les modules de puissance ayant un mode de défaillance en court-circuit disponibles dans le commerce utilisent des semi-conducteurs en silicium. Les potentialités des semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC) poussent, aujourd’hui, les industriels et les chercheurs à mener des investigations pour développer des modules Fail-to-short à base des puces SiC. C’est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, visant à concevoir un module à base de puces SiC offrant un mode de défaillance de court-circuit. Pour cela nous présentons d’abord une étude de l’énergie de défaillance des puces SiC, afin de définir les plages d’activation du mécanisme Fail-to-short. Ensuite, nous démontrons la nécessité de remplacer les interconnexions classiques (fils de bonding) par des contacts massifs sur la puce. Enfin, une mise en œuvre est présentée au travers d’un module “demi pont” à deux transistors MOSFET. / The reliability and endurance of high power converters are paramount for future HVDC networks. Generally, module’s failure behavior can be classified as open-circuit failure and short-circuit failure. A module which fails to an open circuit is considered as fatal for applications requiring series connection. Especially, in some HVDC application, modules must be designed such that when a failure occurs, the failed module still able to carry the load current by the formation of a stable short circuit. Such operation is referred to as short circuit failure mode operation. Currently, all commercially available power modules which offer a short circuit failure mode use silicon semiconductors. The benefits of SiC semiconductors prompts today the manufacturers and researchers to carry out investigations to develop power modules with Fail-to-short-circuit capability based on SiC dies. This represents a real challenge to replace silicon power module for high voltage applications in the future. The work presented in this thesis aims to design a SiC power module with failure to short-circuit failure mode capability. The first challenge of the research work is to define the energy leading to the failure of the SiC dies in order to define the activation range of the Fail-to-short mechanism. Then, we demonstrate the need of replacing the conventional interconnections (wire bonds) by massive contacts. Finally, an implementation is presented through a "half bridge" module with two MOSFETs.

Le développement de l’énergie renouvelable loin des zones urbaines demande le transport d'une grande quantité d’énergie sur de longues distances. Le transport d’électricité en courant continu haute tension (HVDC) présente beaucoup d’avantages par rapport à celui en courant alternatif. Dans ce contexte il est nécessaire de développer des convertisseurs de puissance constitués par des composants électroniques très haute tension, 10 à 30 kV. Si les composants en silicium ne peuvent pas atteindre ces objectifs, le carbure de silicium (SiC) se positionne comme un matériau semiconducteur alternatif prometteur. Pour supporter des tensions élevées, une région de "drift", relativement large et peu dopée constitue le cœur du composant de puissance. En pratique l’obtention d’une tension de blocage effective dépend de plusieurs facteurs et surtout de la conception d'une terminaison de jonction adaptée. Cette thèse présente une méthode pour améliorer la tenue en tension des composants en SiC basée sur l’utilisation des terminaisons de jonctions : Deep Trench Termination. Cette méthode utilise une tranchée gravée profonde en périphérie du composant, remplie avec un matériau diélectrique pour supporter l'étalement des lignes équipotentielles. La conception de la diode avec cette terminaison a été faite par simulation TCAD, avec deux niveaux de tension 3 et 20 kV. Les travaux ont pris en compte les caractéristiques du matériau, les charges à l’interface de la tranchée et les limites technologiques pour la fabrication. Ce travail a abouti sur la fabrication de démonstrateurs et leur caractérisation pour valider notre conception. Lors de la réalisation de ces structures, la gravure plasma du SiC a été optimisée dans un bâti ICP de manière à obtenir une vitesse de gravure élevée et en conservant une qualité électronique de l'état des surfaces gravées. Cette qualité est confirmée par les résultats de caractérisation obtenus avec des tenues en tension proches de celle idéale. / The development of renewable energy away from urban areas requires the transmission of a large amount of energy over long distances. High Voltage Direct Current (HVDC) power transmission has many advantages over AC power transmission. In this context, it is necessary to develop power converters based on high voltage power electronic components, 10 to 30 kV. If silicon components cannot achieve these objectives, silicon carbide (SiC) is positioned as a promising alternative semiconductor material. To support high voltages, a drift region, relatively wide and lightly doped is the heart of the power component. In practice obtaining an effective blocking voltage depends on several factors and especially the design of a suitable junction termination. This thesis presents a method to improve the voltage withstand of SiC components based on the use of junction terminations: Deep Trench Termination. This method uses a trench deep etching around the periphery of the component, filled with a dielectric material to support the spreading of the equipotential lines. The design of the diode with this termination was done by TCAD simulation, with two voltage levels 3 and 20 kV. The work took into account the characteristics of the material, the interface charge of the trench and the technological limits for the fabrication. This work resulted in the fabrication of demonstrators and their characterization to validate the design. During the production of these structures, plasma etching of SiC has been optimized in an ICP reactor so as to obtain a high etching rate and maintaining an electronic quality of the state of etched surfaces. This quality is confirmed by the results of characterization obtained with blocking voltage close to the ideal one.

L’avènement des énergies renouvelables, notamment offshore, et la nécessité de transporter l’électricité sur des distances toujours plus grandes tout en réduisant les pertes en ligne requièrent la mise en place d’un nouveau réseau électrique plus performant, le supergrid. L’amélioration des sous-stations ultra haute tension en courant alternatif (UHVAC) de type poste sous enveloppe métallique (PSEM), i.e. la réduction de leur empreinte au sol ou leur montée en tension, s’inscrit parmi les défis engendrés par le développement du supergrid. L’amélioration de la tenue aux contraintes électrothermiques des isolants solides employés dans les PSEM a été identifiée comme le principal verrou technologique pour le perfectionnement de ces appareillages, déjà pleinement maîtrisés en HVAC. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été motivés par la nécessité de développer un matériau isolant électrique plus performant que les matériaux existant actuellement sur le marché. L’un des matériaux couramment employés pour la fabrication d’isolants solides pour PSEM, une matrice époxy-anhydride chargée d’alumine micrométrique, a servi de référence commerciale à notre étude. Suite à une étude bibliographique, nous avons choisi de conserver la matrice époxy du système commercial de référence et de jouer sur les charges inorganiques employées pour optimiser les propriétés du matériau isolant. Les travaux présentés mettent en évidence l’influence de la nature des charges inorganiques (alumine ou nitrure de bore hexagonal), de leur facteur de forme (quasi sphérique ou lamellaire) et de leur fraction volumique sur la conductivité thermique, le coefficient d’expansion thermique, les propriétés mécaniques dynamiques, les propriétés diélectriques, la conductivité électrique à haute tension (DC) et la rigidité diélectrique (AC) des matériaux composites. L’étude expérimentale des relations structure-propriétés est complétée par un travail de modélisation des propriétés diélectriques et de la conductivité thermique des matériaux composites. / The integration of renewable energies to the power grid requires its modification in order to ensure its stability, security and efficiency. Improving ultra-high voltage alternative current (UHVAC) gas insulated substations (GIS), e.g. reducing their size or increasing their voltage, is one of the challenges induced by the development of the future power grid, the supergrid. Increasing the ability of solid insulators used in such equipment to withstand electro-thermal stress has been identified as the main obstacle to overcome. The work presented in this manuscript has been motivated by the necessity to develop more efficient electrical insulating materials compared to commercially available ones. An epoxy-anhydride matrix filled with micron sized alumina, often used to produce GIS solid insulators, has been used as a reference for this study. We decided to keep the matrix of the reference material throughout our work and to concentrate on the filler influence in order to optimize the properties of the composites. The impact of the nature of the filler (alumina or hexagonal boron nitride), its shape factor (platelets or almost spherical particles) and its volume fraction upon thermal conductivity, coefficient of thermal expansion, dynamic mechanical properties, dielectric properties, high voltage direct current (DC) conductivity and AC breakdown strength have been highlighted. The experimental study of structure-property relationships is completed by dielectric properties and thermal conductivity modelling using the effective medium theory.

Le carbure de silicium (SiC) possède plusieurs propriétés exceptionnelles comme une large bande interdite, un champ électrique critique et une vitesse de saturation des porteurs élevée pour remplacer le silicium (Si) dans des domaines de fonctionnement jusque-là inaccessibles avec le Si. Un nombre important de démonstrateurs des composants de puissance en SiC faisant état de performances remarquables ainsi que la disponibilité commerciale des composants en SiC confirment la maturité de la filière SiC et montrent les progrès technologiques réalisés au cours des dernières années. Cependant, il existe peu d’études sur les coefficients d’ionisation du SiC, lesquels sont pourtant indispensables pour prévoir précisément la tenue en tension des composants de puissance en SiC. Ce travail contribue donc à mieux déterminer ces coefficients. Pour cela, un bon nombre de diodes spécialement conçues pour la détermination des coefficients d’ionisation du SiC par la technique OBIC (Optical Beam Induced Current) ont été réalisées sur différents wafers de SiC-4H et de SiC-6H, deux polytypes courant du SiC. Cette technique repose sur un faisceau de laser ultraviolet qui génère des paires électrons-trous dans la zone de charge d’espace d’une diode sous test. La mesure du courant résultant permet d’accéder aux coefficients d’ionisation. A partir des mesures OBIC sur les diodes réalisées, nous avons pu déduire les coefficients pour ces deux polytypes du SiC. Plus particulièrement, les coefficients d’ionisation du SiC-4H sont déterminés dans une large gamme de champ électrique grâce aux mesures sur les différents dopages. Les paramètres des coefficients déterminés dans ce travail peuvent être utilisés en conception de dispositifs haute tension pour prédire plus précisément l’efficacité de leur protection périphérique. / Silicon carbide (SiC) has several exceptional properties as a wide band-gap, a high critical electric field and a high saturation velocity of carriers to replace silicon (Si) in the applications previously inaccessible with Si. A significant number of SiC power devices showing outstanding performances and the commercial availability of SiC devices confirm the maturity of SiC industry and show the SiC technological advances in recent years. However, there are few studies on the ionization coefficients in SiC, which nevertheless essential to accurately predict the breakdown voltage of SiC power devices. This work contributes to better determine these coefficients. For this, numerous diodes which are specifically designed for the determination of ionization coefficients in SiC by using OBIC (Optical Beam Induced Current) technique were realized on different wafers of 4H-SiC and 6H-SiC, two usual polytypes of SiC. This technique relies on an ultraviolet laser beam which generates electron-hole pairs in the space charge region of a diode under test. The resulting current measurement provides access to the ionization coefficients. From OBIC measurements performed on the diodes, we were able to deduce the ionization coefficients for the both polytypes of SiC. In particular, the ionization coefficients for 4H-SiC are determined in a wide range of electric field through measurements on devices with different doping level. The parameters of ionization coefficients determined in this work can be used in design of high voltage devices to predict more accurately the efficiency of periphery protections.