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.

La fabrication des composants semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) connaît actuellement une grande expansion. Ce matériau, par ces propriétés physico-chimiques intéressantes, est un très bon candidat pour la fabrication des composants de puissance à haute fréquence de fonctionnement. Dans la pratique, avant d'intégrer ces composants dans un système électronique, l'analyse de leur fiabilité est une étape nécessaire pour valider la technologie de fabrication utilisée. L'objectif de ce travail est la détermination des mécanismes physiques responsables de la dégradation des performances des Transistors à Haute Mobilité Electronique (HEMT) à base d'hétérostructures AlGaN/GaN et AlInN/GaN. Dans un premier temps, la caractérisation en régime statique des composants, par des mesures de courant et de capacité à différentes températures, nous a permis de repérer certaines anomalies dans les caractéristiques des composants. Cette non-idéalité liée aux effets thermiques semble provenir des mécanismes de piégeage des porteurs par les défauts dans le matériau. Dans le but d'analyser ces mécanismes, des mesures de spectroscopie de défauts profonds (DLTS) ont été effectuées sur la capacité de type Schottky du contact de la grille. L'étape suivante a consisté à mesurer les pièges profonds dans les HEMTs par DLTS en courant de drain, de façon à déterminer quels défauts influencent directement le courant dans ces dispositifs. Cette étude a été effectuée sur différents composants avec différentes géométries pour analyser au mieux le comportement de ces pièges. L'étude du contact de grille est aussi une étape importante pour déterminer les origines de défaillance des composants. Pour cela, nous avons réalisé une étude approfondie sur les différents mécanismes de transport à travers la barrière métal/semi-conducteur. Cette étude nous a permis de conclure sur la stabilité du contact de grille après les tests de vieillissement accélérés.

Ce mémoire analyse la stratégie d’affirmation de puissance mise en oeuvre par la Chine dans le contexte post-Guerre froide, caractérisé par la seule superpuissance des États-Unis, en utilisant le cadre théorique du réalisme offensif. Challenger désigné des États-Unis, la Chine a basculé dans le 21ème siècle avec un défi important à relever. La prépondérance américaine continue d’être une donnée essentielle dans le système politique mondial. Les États-Unis produisent plus du quart du total de l’économie mondiale et comptent pour près de la moitié des dépenses militaires. La Chine, de son côté, avec ses 1.3 milliards d’habitants, une croissance économique quasiexponentielle, dotée d’un arsenal nucléaire conventionnel, est la principale puissance émergente, avec le potentiel de rivaliser avec les États-Unis dans les affaires mondiales. Mais, vu l’énorme écart qui les sépare, pour la Chine la question de l’hégémonie américaine se pose sous la forme d’une équation dont la seule variable connue est le potentiel de l’adversaire à affronter. Le principal problème auquel la Chine est confrontée est dès lors sa capacité de penser une stratégie sans toutefois courir le risque de provoquer la seule superpuissance du globe. Par conséquent, cette étude analyse les politiques et actions stratégiques développées par la Chine à la lumière des contraintes que lui impose un environnement international peu favorable. Elle s’intéresse en particulier à la manière dont Beijing a su exploiter avec maestria une des armes les plus redoutables de l’ère post-Guerre froide, sa puissance économique, afin de consolider son ascension au rang de grande puissance. Elle soutient que, tenant compte d’un retard considérable à combler, la Chine a entrepris de balancer la superpuissance américaine d’une manière pragmatique. A cet effet, elle a conçu une stratégie qui comprend deux grands piliers : sur le plan interne, des réformes économiques et militaires ; sur le plan externe, une diplomatie agressive et efficace en adéquation avec ses ambitions de puissance. Nous concluons qu’une telle stratégie vise à éviter à la Chine pour le moment tout risque de confrontation directe qui aurait pour principal effet de nuire à son ascension. Cependant, à mesure que sa puissance s’accroît, elle pourrait afficher une posture plus agressive, quitte à engager également, avec la seule superpuissance du monde, des compétitions de nature sécuritaire en Asie et au-delà de cette région. / This research analyzes the power strategy implemented by China in the post-cold war context characterized by an only superpower, the United States, by using offensive realism as a theoretical framework. Designated challenger of the United States, China tilted into the 21st century with an important challenge to confront. The American ascendancy continues to be an essential fact in the world political system. The United States produces more than one fourth of the total of the world economy and counts for nearly half of the military expenditures. China, for its part, with 1.3 billion inhabitants, a quasi-exponential economic growth, endowed with a conventional nuclear arsenal, is the main emerging power, with the potential to compete with the United States in world affairs. But, considering the enormous gap separating them, for China the question of the American hegemony arises under the shape of an equation, the only known variable of which is the potential of its adversary. The main problem China then faces is its ability to think of a strategy without however running a risk of provoking the only superpower of the globe. Consequently, this work analyzes the policies and the strategic actions developed by China in light of the constraints imposed by a less favorable international environment. Its main focus is how Beijing exploited with great panache one of the most redoubtable weapons of the post-cold war era, its economic power, to strengthen its ascent to the rank of major power. It contends that, taking into account a considerable delay to catch up, China began to balance the American superpower in a pragmatic way. To that purpose, it conceived a strategy which includes two main pillars: internally, economic and military reforms; externally, an aggressive and effective diplomacy in adequacy with its power ambitions. This analysis concludes that the aim of china’s strategy is to avoid for the moment every risk of direct confrontation which would have for main effect to damage its rise. However, as its power increases, it might tend to show a more aggressive posture, even if it means also engaging, with the only superpower of the world, in competitions of a security nature in Asia and beyond this region.

L'augmentation des températures de fonctionnement est une des évolutions actuelles de l'électronique de puissance. Ce fonctionnement entraine d'une part des changements de la structure des modules de puissance notamment des structures " 3D " pour assurer un refroidissement double face des composants de puissance, et d'autre part l'utilisation de matériaux qui permettent de réduire des contraintes thermomécaniques, liées à la différence de coefficient de dilatation des matériaux, lors d'une montée en température. Le travail réalisé au cours de cette thèse consiste à développer une nouvelle structure " 3D " basée sur une technique de contact par des micropoteaux en cuivre, élaborés par électrodéposition et ensuite assemblés à un substrat céramique métallisé (notamment, un DBC : Direct Bonding Copper). Pour réaliser ce contact, une technique de frittage par SPS (Spark Plasma Sintering) est utilisée. Nous étudions dans un premier temps le collage direct de cuivre sur des massifs, puis effectuons dans un deuxième temps le collage de cuivre entre les micropoteaux et le DBC. Cette technique SPS est aussi utilisée pour la réalisation d'un nouveau substrat céramique métallisé basé sur des matériaux avec des coefficients de dilatation thermique accordés, pour les applications à haute température.

Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur à large bande d'énergie interdite, remarquable par ses propriétés physiques situées à mi-chemin entre le silicium et le diamant. Ceci suscite actuellement un fort intérêt industriel pour son utilisation dans la fabrication de composants susceptibles de fonctionner dans des conditions extrêmes : forte puissance et haute température. Les travaux de thèse se sont focalisés sur la levée de verrous technologiques pour réaliser des composants latéraux de type JFET (Junction Field Effect Transistor) et les intégrer monolithiquement dans des substrats SiC-4H. L'objectif est de réaliser un bras d'onduleur intégré en SiC avec deux étages commande et puissance. Dans un premier temps, nous avons entamé cette thèse par une caractérisation de deux lots de composants JFET latéraux à canaux N et P réalisés dans le cadre de deux projets ANR précédents cette thèse. De cette étude nous avons extrait plusieurs points positifs, comme celui qui concerne la tenue en tension des JFET de puissance et l'intégration monolithique des JFET basse tension. Mais, nous avons aussi mis en évidence, la nécessité d'optimiser la structure de composants et d'améliorer certaines étapes technologiques, principalement, la définition des canaux par implantation ionique, le contact ohmique et la gravure profonde. Des études approfondies pour réaliser le contact ohmique sur SiC type P et des procédés pour réaliser une gravure profonde dans le SiC ont été développés. Ces études ont permis d'obtenir une faible résistance de contact comparable à l'état de l'art mondial, d'avoir des calibres en courant plus élevés et par conséquent une meilleure modulation. Pour la gravure, un masque dur à base de silicium et nickel (NiSi), nous a permis de mettre en place un procédé original qui permet des gravures profondes du SiC et réaliser les structures intégrés des JFET. L'ensemble de ces améliorations technologiques nous a permis d'obtenir des nouveaux lots de composants JFET P et N intégrés sur la même puce, avec des meilleures performances par rapport aux précédentes réalisations, notamment avec une conduction dans les canaux 10 à 100 fois plus importante. Nous avons également obtenu une modulation du courant Ids en fonction de la tension Vgs sur un nombre très important de JFET en augmentant significativement le rendement par rapport aux lots précédents.

Avec l'apparition d'applications grand-public, comme le Wireless-HD, les fréquences millimétriques nécessitent l'utilisation de technologies CMOS faible coût. Cependant, avant d'être commercialisés, les transmetteurs mmW doivent être suffisamment résistants notamment à la désadaptation d'impédance entre l'amplificateur de puissance (AP) et l'antenne qui peut résulter d'un obstacle dans le champ proche de l'antenne. Une telle désadaptation d'impédance se traduit par l'apparition d'ondes stationnaires qui peuvent engendrer des dommages irrémédiables sur l'AP. Cette thèse propose une architecture innovante de régulation qui vise à protéger l'AP de telles dégradations tout en optimisant ses performances. La désadaptation d'impédance peut être évaluée en intégrant plusieurs détecteurs de puissance entre l'AP et l'antenne. Une boucle de régulation numérique peut ensuite établir une stratégie d'optimisation des performances de l'AP. Cette thèse s'intéresse particulièrement aux circuits de détection de puissance qui captent la désadaptation d'impédance de l'antenne. Réalisé en technologie CMOS 65nm de STMicroelectronics, le détecteur de puissance présente 25dB de dynamique à 60GHz et est capable de détecter jusqu'à 3 :1 de TOS. Ces détecteurs de puissance ont ensuite été intégrés dans un second circuit avec un AP et des convertisseurs (CAN & CNA). Une boucle de régulation agissant sur le gain de l'AP permet ainsi de garder une puissance de sortie constante quelle que soit l'impédance d'antenne tandis qu'une seconde boucle protège l'AP de la destruction. Cette thèse couvre également deux projets développés en parallèle de l'architecture de régulation de TOS. D'abord est proposée une nouvelle architecture de convertisseur analogique numérique logarithmique, basée sur l'architecture d'amplificateur logarithmique à compression progressive. Ensuite, une co-simulation sous ADS d'un AP RF/mmW avec sa boucle de régulation numérique permet de simuler l'AP à TOS régulé.

Ce mémoire présente le travail de thèse réalisé auprès des laboratoires LAPLACE et SATIE ainsi que les services EDYNE3 et EDYYLIC d'AIRBUS OPERATIONS. Le sujet porte sur les problèmes CEM apparaissant dans les convertisseurs de puissance embarqués à bord des futurs avions plus électriques. Le manuscrit est composé de cinq parties. La première partie, d'introduction, traite de la problématique CEM avion, la deuxième de la modélisation des éléments de la chaine de conversion DC/AC étudiée. Le troisième est composé d'une étude comparative par simulation des différentes solutions. La quatrième partie traite de la réalisation de la solution choisie et enfin le cinquième et dernier chapitre de l'étude expérimentale de celle-ci. / The studies conducted during this thesis deals with conducted EMC problems of an inverter associated to its actuator. Accurate high frequency models of every element of the DC/AC converter and actuator have been realised from measures. Then a comparative study of different topologies of converters have been led from simulations in order to determine the best solution minimising EMC current. The selected inverter was realised and the experimental results were compared to simulations validating them. Finally, a comparison of EMC filters architecture led to choose a better solution in order to avoid the increasing of mass.

L’objectif de cette étude est d’améliorer les performances des transformateurs piézoélectriques en terme de courant de sortie et de puissance pour des applications d’alimentation DC/DC, grâce à la gestion de l’échauffement. Le courant de sortie des transformateurs piézoélectriques, et donc la puissance transmise, sont directement liés à la vitesse de vibration qui pour des valeurs élevées engendre des pertes et une forte élévation de température. Cette élévation excessive de la température a comme conséquence le changement des caractéristiques du transformateur et plus particulièrement la diminution du facteur de qualité Q. Ainsi cela entraine une limite structurelle de la puissance transmise du transformateur. Une solution pour augmenter le courant de sortie est l’utilisation d’un redresseur doubleur de courant, qui grâce à 2 inductances permet, à courant de charge donné, de diminuer la vitesse de vibration du transformateur, mais ne permet pas de régler le problème d’échauffement du transformateur. Dans cette thèse nous proposons des moyens d’évacuation de la chaleur ainsi que le choix de l’environnement dans lequel le transformateur devra fonctionner. L’influence de différents systèmes de refroidissement d’un convertisseur DC/DC à base transformateur piézoélectrique est étudiée. L’étude thermique du transformateur piézoélectrique multicouche polarisé en épaisseur et ayant des électrodes circulaires met en évidence un comportement non linéaire. Une plaque vibrante piézoélectrique est d’abord envisagée pour créer un flux d’air qui augmente l’évacuation de chaleur par convection, puis un module de refroidissement utilisant l’effet thermoélectrique. Les mesures montrent que la première solution est plus avantageuse car elle améliore sensiblement les performances du transformateur pour un coût énergétique très faible. Une étude thermique par éléments finis complète cette étude, montrant que l’approche par schéma électrique est pertinente. La puissance que peut délivrer le transformateur sur une charge optimale est encore augmentée. Enfin, ce travail montre qu’en combinant les dispositifs de refroidissement tout en respectant la condition de température inférieure à 55°C, le rendement du convertisseur reste raisonnable (70%) et la puissance disponible peut doubler dans le meilleur des cas. / The objective of this study was to increase the output current and power in a piezoelectric transformer (PT) based DC/DC converter by adding a cooling system. It is known that the output current of PT is limited by temperature build-up because of losses especially when driving at high vibration velocity. Excessive temperature rise will decrease the quality factor Q of piezoelectric component during the operational process. Simultaneously the vibration energy cannot be increased even if under higher excitation voltage. Although connecting different inductive circuits at the PT secondary terminal can increase the output current, the root cause of temperature build-up problem is not solved.This dissertation presents the heat transfer technology to deal with the temperature build-up problem. With the heat transfer technology, the threshold vibration velocity of PT can be increased and thus the output current and output power (almost three times).Furthermore, a comparison between heat transfer technology and current-doubler rectifier applied to the piezoelectric transformer based DC/DC converter was also studied. The advantages and disadvantages of the proposed technique were investigated. A theoretical-phenomenological model was developed to explain the relationship between the losses and the temperature rise. It will be shown that the vibration velocity as well as the heat generation increases the losses. In our design, the maximum output current capacity can increase 100% when the operating condition of PT temperature is kept below 55°C. The study comprises of a theoretical part and experimental proof-of-concept demonstration of the proposed design method.

Les véhicules aériens sans pilote (UAV), souvent appelés drones, trouvent de nombreuses applications dans la vie. Les applications de drones nécessitent plusieurs indicateurs de performance essentiels tels que la couverture, la force du signal, la latence et la mobilité dans des scénarios. Par conséquent, l'utilisation des communications sans fil dans les drones est essentielle pour répondre à toutes les exigences. En raison des connexions au haut débit entre les drones et les utilisateurs pour transférer des données de haut volume à haute résolution, les dernières générations sans fil, comme la norme LTE, sont privilégiées. Il est évident que l'intégration de blocs de radiofréquence (RF) est essentielle pour construire un système sur puce et réduire la taille des drones. Dans ce contexte, cette thèse vise à développer un amplificateur de puissance (PA) innovant avec haute performance reconfigurable entièrement intégré qui adresse les différents besoins imposés par le standard LTE à utiliser dans les applications des UAV. Le PA entièrement intégré en CMOS 65 nm a pour objectif de fournir une puissance de sortie élevée et résoudre le compromis entre la linéarité et l’efficacité. Un transformateur à quatre enroulements est implémenté pour configurer le fonctionnement en multi modes du PA. La technique « segmented bias » permet au PA d’améliorer la linéarité. Le PA obtient non seulement des performances élevées en RF, mais démontre également un potentiel pour l'adopter dans la bande 5G inférieure. / Unmanned aerial vehicles (UAVs), often known as drones, have been finding numerous applications in life. Drones applications need several essential performance indicators such as coverage, signal strength, latency, and mobility under scenarios. Therefore, the use of wireless communications in drones is critical to address all requirements. Because of high-speed connections between drones and users to transfer high-resolution high-volume data, latest wireless generations, namely the LTE standard, are privileged. It is straightforward that the integration of RF blocks is essential to build a system-on-chip and shrink the size of drones. To answer the above question, this thesis aims to develop a fully integrated reconfigurable high-performance innovated PA that supports 4G LTE standard to be used in UAVs’ applications. The fully integrated 65-nm CMOS power amplifier (PA) provides a watt-level output power, addresses the linearity/efficiency trade-off. A four-winding transformer is implemented to configure the multi-mode operation of the PA. The “segmented bias” technique allows the PA to increase the linearity. The PA not only obtains high radiofrequency performances but also demonstrates a potential to adopt it design in the lower 5G band.

L'Institut franco-allemand de recherche de Saint-Louis (ISL) développe des alimentations de forte puissance pour des applications d'électronique impulsionnelle. En vue de réduire les pertes, l'encombrement et le poids de ces systèmes, des thyristors en carbure de silicium pourraient à l'avenir remplacer les interrupteurs en silicium actuels. C'est dans le cadre de la collaboration entre le laboratoire Ampère et l'ISL que s'inscrit cette thèse sur ce thème de recherche. Les propriétés physiques du carbure de silicium et les composants réalisés par différents laboratoires universitaires et industriels ont démontré les aptitudes de ce matériau pour les fortes puissances. Le travail réalisé au cours de cette thèse a permis de concevoir de réaliser et de caractériser des thyristors optiques en carbure de silicium. Dans un premier temps, le travail de conception, basé sur des simulations éléments finis, a permis d'optimiser deux protections périphériques, la JTE multiple gravée et la JTE assistée par anneaux gravée, toutes deux robustes vis à vis des incertitudes technologiques sur la gravure, et ayant la particularité de ne pas recourir à l'implantation ionique. Deux séries de thyristors optiques ont ainsi été fabriquées. Le premier lot avait pour but de valider la faisabilité du déclenchement optique de thyristor avec des diodes électroluminescentes UV. Le deuxième lot a permis de mettre en œuvre la JTE assistée par anneaux. Une tenue en tension maximale de 6,3 kV a été mesurée sur ces thyristors. Ces composants sont aussi destinés à évaluer les possibilités en termes d'impulsion de courant des thyristors SiC. A ce titre, deux premières caractérisations ont été effectuées et les dispositifs ont été capables de passer un courant crête de 156 A (soit une densité de courant de 15,6 kA.cm-2) sur une impulsion de 10 μs de large et 40 A (4 kA.cm-2) sur une impulsion de 650 microsecondes de large. Ces résultats montrent une progression significative par rapport aux précédents travaux réalisés sur le thyristor SiC au laboratoire. Ils valident également la bonne stabilité de la technologie de fabrication de l'ISL (gravure, contact ohmique). Cependant, le rendement de fabrication devra être amélioré par le travail mené actuellement par l'ISL, sur la passivation des composants. / In order to reduce the losses, the weight and the volume of the power supply of its pulse power systems, the French German research institute of Saint-Louis (ISL) intends to replace the currently used silicon switches by silicon carbide thyristors. This work, in the frame of the collaboration between Ampere laboratory and ISL, deals with the design the fabrication and the characterization of light triggered thyristors in silicon carbide. In the first place, two device terminations, the graded etched JTE and the guard ring assisted etched JTE, have been optimized using finite element simulation. These two structures are tolerant to technological uncertainties and don’t need ion implantation. Two series of light triggered thyristors were also fabricated. Concerning the first run, the light triggering of SiC thyristor with UV light-emitting diodes was demonstrated. The guard ring assisted etched JTE was tested on the second run. The best blocking voltage measured on devices with this termination was 6.3 kV. These devices also aim at assessing the pulse current capabilities of silicon carbide thyristors. To this end, two characterizations were performed and a peak current of 156 A (15.6 kA/cm2) was reached with a pulse width of 10 IJS and 40 A (4 kA/cm2) with a pulse width of 650 IJS. These results show a significant progress compared to previous achievements of the laboratory on silicon carbide thyristor. They also validate the good stability of the fabrication technology of the ISL cleanroom (Etching process, ohm le contact). However, the fabrication yield needs to be improved by the optimization of the device passivation, which is currently under progress at ISL.