Ces travaux présentent l'étude de transformateurs par voie acoustique, basés sur la technologie CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer ), visant à développer des composants monolithiques assurant l'isolation électrique au sein de la commande des interrupteurs à semi-conducteurs. S'agissant de microsystèmes électromécaniques, les CMUTs offrent des perspectives intéressantes en terme d'intégrabilité monolithique avec les interrupteurs à semi-conducteurs. L'architecture proposée est constituée de deux transducteurs CMUTs de part et d'autre d'un substrat en silicium. Un outil de modélisation a été développé dans le but de prédire le comportement du transformateur. Des protocoles de mesure du rendement des dispositifs fabriqués ont été mis en place permettant une évaluation quantitative des performances des prototypes (un rendement de 32 % est atteint avec une marge de progression à 60 %). L'exploitation du modèle développé, et validé par les résultats de caractérisation, a permis de mettre en évidence les limites et perspectives d'amélioration de ces dispositifs. / This work is a study of CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transduer)based acoustical transformers as a step in the development of insulating components in semiconductor switches control chain. CMUT transducers being electromechanical systems (MEMS), their monolithic integration with semiconductor switches is full of interesting perspectives . The proposed architecture consists of two CMUTs layered on each side of a silicon substrate. A computational tool was designed to predict the behaviour of the transformer. Measurement protocols of the power efficiency of the constructed transformers were set up and allowed to quantify the prototypes' performances (A 32 % efficiency is currently reached, with improvements attainable up to 60 %). Exploring the results of the developed model, validated by bench measurements, allowed to determine the current limits of the transformers as well as perspectives of improvement.

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.

Les transformateurs piézoélectriques se positionnent aujourd'hui comme une alternative technologique séduisante face aux solutions classiquement utilisées pour la génération des plasmas froids. Leur haute permittivité, leur faible tension d’alimentation et leur capacité de miniaturisation en font une solution sérieuse et originale pour de nombreuses applications faibles puissances, notamment dans le domaine biomédical pour la stérilisation, le traitement de surface et la décontami-nation des instruments médicaux. Dans le cadre d'un fonctionnement en générateur plasma, la conversion électromécanique au sein du transformateur s’accompagne de pertes mécaniques et diélectriques, souvent converties en chaleur. À ces effets s'ajoute l’influence proprement dite de la décharge sur le comportement électrique du dispositif. L’évolution dynamique et fortement non-linéaire de la décharge entraine un comportement méconnu des grandeurs électriques. Par conséquent, l’étage d’alimentation du transformateur constitue un sujet d’étude au même titre que le transformateur lui-même. De plus, étant donné la configuration du processus de génération, qui positionne le matériau piézoélectrique comme source et siège de la décharge plasma, il devient nécessaire d’analyser la viabilité du dispositif. L’ionisation du milieu gazeux environnant le générateur provoque des effets électroniques complexes, susceptibles d’entrainer des dépôts de matière à la surface du matériau ou d’en éroder la surface. C’est dans ce cadre, à l’interface entre le génie électrique et la science des matériaux, que s’articule cette thèse. Une première partie est destinée au développement d’un outil de commande numérique du générateur par une boucle de verrouillage de phase, assurant sa continuité de fonctionnement face aux variations des conditions opératoires. Par la suite, une modélisation du générateur plasma dans des configurations proches des décharges à barrières diélectriques est effectuée ;des simulations permettent une estimation de la puissance de décharge à partir d’une identification expérimentale des paramètres du modèle. Dans un deuxième temps, nous cherchons à établir une corrélation entre la structure du matériau et ses propriétés électriques en s’appuyant sur une méthodologie de caractérisation multi-échelle, avant et après décharge plasma. L'étude se focalise principalement sur l'évolution en surface de la structure cristalline et la composition chimique, en liaison avec les propriétés fonctionnelles du transformateur après génération de la décharge. Enfin, une étude en température porte sur l’investigation des effets d’auto-échauffement du générateur dans ce mode de fonctionnement / Due to intensive development efforts during the past decade, piezoelectric transformers havebecome an attractive alternative solution compared to the con-ventionally used technologies forcold plasma generation. Their high efficiency, thin-shaped dimensions and low voltage supplymake them serious and original candidates for numerous low power applications, particularly inbiomedical field. Operating as a plasma generator, the electromechanical conversion within thetransformer is accompanied by mechanical and dielectric losses, often converted into heat. On topof these effects, the discharge is likely to influence the electrical behavior of the device. Thedynamic and highly non-linear evolution of the dis-charge leads to an unknown behavior ofelectrical properties. Consequently, the transformer supply stage is an active research subject inthe same way as the trans-former itself. Moreover, considering the configuration of the generationprocess, which positions the piezoelectric material as the source and the spot of the plasmadischarge, it becomes necessary to consider the viability of the device. The ioniza-tion of thegaseous environment surrounding the generator causes complex elec-tronic effects, which canlead to material deposition on the surface of the generator and thus modify or even degrade it. It iswithin this framework, at the interface between electrical engineering and material science, thatthis thesis is articulated. A first part is intended to develop a setup for numerical control of thedevice using a digital phase-locked loop to ensure its continuous operation in different operatingconditions. Subsequently, a model of the plasma generator in configurations close to dielectricbarrier discharges is proposed; Simulations allow an estimation of the discharge power from anexperimental identification of the model parameters. In a second part, we seek to establish acorrelation between the material structure and its electrical properties based on a multi-scalecharacterization methodology, before and after plasma discharge. The study focuses mainly onthe surface evolution in terms of the crystalline structure and the chemical composition, related tothe over-all properties of the piezoelectric transformer before and after discharge generation.Finally, a temperature study that concerns the investigation of the effects of self-heating of thegenerator in this operating mode is performed

De nos jours, un large éventail d’applications de défense nécessite des générateurs de puissances pulsées pour produire des rayonnements électromagnétiques de fortes puissances. Dans les systèmes conventionnels, le générateur est composé d’une source d’énergie primaire et d’une antenne, séparé par un système d’amplification de la puissance, généralement un générateur de Marx ou un transformateur Tesla, qui transmet l’énergie vers l’antenne. Le système présenté dans ce mémoire, utilise un concept innovant basée sur un transformateur résonant impulsionnel compact pour alimenter l’antenne. La source développée, appelée MOUNA (acronyme de « Module Oscillant Utilisant une Nouvelle Architecture ») est composé d’une batterie, d’un convertisseur DC/DC permettant de charger quatre condensateurs, de quatre éclateurs à gaz synchronisés, d’un transformateur résonant impulsionnel qui génère des impulsions de 600kV en 265ns, d’un éclateur de mise en forme à huile, et d’une antenne dipôle. / Nowadays, a broad range of modern defense applications requires compact pulsed power generators to produce high-power electromagnetic waves. In a conventional design, such generators consist of a primary energy source and an antenna, separated by a power-amplification system, such as a Marx generator or a Tesla transformer, which forwards the energy from the source to the antenna. The present system, however, uses a novel and very compact high-voltage resonant pulsed transformer to drive a dipole antenna. The complete pulsed power source, termed MOUNA (French acronym for “Module Oscillant Utilisant une Nouvelle Architecture”), is composed of a set of batteries, a dc/dc converter for charging four capacitors, four synchronized spark gap switches, a resonant pulsed transformer that can generate 600 kV in 265 ns pulses, an oil peaking switch and, a dipole antenna.

Ce travail de thèse propose une méthodologie et des outils pour un environnement d'aide à la conception. L'objectif est le support des outils et méthodes du concepteur durant le processus de conception en considérant la complexité des produits à concevoir et l'imprévisibilité de ce processus. Nous utilisons pour cela le concept de composant logiciels métiers à partir duquel il est possible, par exemple, d'intégrer des logiciels de simulation existants sans programmation, puis de les utiliser dans des services tels que l'optimisation. L'environnement dispose également d'un service de composition visuelle et récursive pour agréger les modèles, ainsi que pour définir et mettre en oeuvre le séquencement du processus de conception. Nous détaillons des applications de l'environnement pour dimensionner un transformateur de tensions triphasées, concevoir un micro-actionneur magnétique ou assister la conception collaborative d'un contacteur électromécanique.

Les travaux de cette thèse concernent les chargeurs à couplage inductif développés pour les flottes de véhicule électriques en libre service tel qu'envisagé dans l'opération PRAXITELE de EDF. L'objectif général était la définition de l'ensemble convertisseur-coupleur magnétique adapté à ce type de recharge. Les outils et les méthodes développés dans ce mémoire ont fait progresser la compréhension du couplage par induction, et éclairé le choix de la structure adaptée. L'étude méthodique des différentes structures à trois et à quatre éléments de stockage a fait ressortir quelques montages dignes d'intérêt. Les avantages et les inconvénients de chacun de ces montages ont été soulignés et une méthode de dimensionnement a été proposée. La structure choisie permet d'exploiter au mieux le transformateur à faible couplage que constitue le coupleur magnétique, d'alléger la partie embarquée et d'améliorer les caractéristiques de sortie du chargeur. Elle s'avère également être celle qui conduit au meilleur rendement énergétique de l'ensemble convertisseur-coupleur. Le schéma équivalent du coupleur, développé au laboratoire, nous a permis de simuler le comportement de l'ensemble convertisseur-coupleur, en prenant en compte tous les aspects utiles de son comportement. Cela a mené, en particulier, à l'évaluation des pertes de ce composant. Une vérification expérimentale soigneuse a confirmé cette évaluation avec une précision honorable.

Ce travail traite de la conception de générateur alimentant une lampe DBD destinée à la production de rayonnement UV. Cette alimentation doit permettre un contrôle efficace du rayonnement, grâce aux degrés de liberté apportés par le contrôle du générateur (fréquence, amplitude du courant injecté dans la lampe). Le modèle électrique de la lampe est utilisé pour prédire l'impact des caractéristiques du générateur sur le rayonnement UV produit. Une synthèse des interrupteurs de puissance du convertisseur statique permettant le contrôle du courant injecté est proposée et des solutions d'implémentation sont étudiées. Une démarche de conception en vue de l'optimisation du transformateur haute tension est proposée, notamment en ce qui concerne la valeur de ses éléments parasites. L'ensemble de ces travaux est étayé par des réalisations expérimentales.

La conception des machines électriques a une longue tradition et l'approche " business as usual " est un processus itératif d'essais et d'erreur, certes convergent mais nécessairement stoppé prématurément, car trop couteux. Un perfectionnement récent a consisté à remplacer les prototypes et les maquettes par des prototypes virtuels, entièrement numériques, comme ceux fournis par la méthode des éléments finis. Néanmoins, le procédé s'arrête toujours sur une frustration car le concepteur n'est jamais sûr d'avoir exploré complètement l'espace de conception qui s'offre à lui. La démarche de conception optimale se propose d'améliorer ce processus en le guidant, c'est-à-dire en proposant une méthodologie, et en l'automatisant, c'est-à-dire en proposant des outils logiciels. Mais dans cette démarche apparaissent de nombreuses difficultés. Ainsi, les objectifs généraux de cette thèse sont multiples. Il s'agit de définir des problèmes d'optimisation spécifiques représentatifs des choix structurels et d'élaborer des benchmarks de référence : discret, multiphysique, multidisciplinaire, multi-objectif et multi-niveaux. Ensuite, il faut rechercher, adapter et qualifier les méthodes d'optimisation les mieux à même de résoudre ces problèmes. Enfin, les différentes méthodes d'optimisation proposées sont implantées et testées de façon à prouver leur efficacité et leur adaptation. Un objectif secondaire mais important est de les capitaliser et diffuser les connaissances élaborées

Le but de cette thèse est d'étudier et de calculer les pertes par courants de Foucault dans les transformateurs de distribution, et principalement dans leurs cuves, par la méthode des éléments finis en trois dimensions. La modélisation de ces appareils s'est heurtée à des difficultés liées : - aux faibles épaisseurs des tôles : ainsi, leur maillage avec des éléments finis volumiques conduit à un grand nombre d'éléments. - aux effets de peau qui peuvent être prononcés. Les difficultés de maillage sont encore accrues, à cause des variations rapides des champs dans la peau. - aux non linéarités de la caractéristique magnétique des matériaux. Compte tenu de ces difficultés, nous avons dû développer des méthodes numériques adaptées, qui sont : - différents types d'éléments spéciaux, permettant de diminuer les problèmes de maillage. En magnétostatique, ils permettent de décrire des entrefers minces et des régions ferromagnétiques minces. En magnétodynamique, ils permettent la modélisation de régions minces conductrices présentant une épaisseur de peau même faible par rapport à l'épaisseur de la région, de conducteurs massifs dans lesquels l'effet de peau est prononcé, décrits avec la notion d'"impédance de surface", de régions minces faiblement conductrices et de régions conductrices de type filaire. - des méthodes prenant en compte la saturation des matériaux magnétiques en régime harmonique (sinusoïdal). Une première méthode, pour des éléments volumiques, s'appuie sur une équivalence énergétique et permet de calculer uniquement des grandeurs globales. Une autre méthode, utilise la formule de l'impédance de surface calculée pour une caractéristique du matériau magnétique supposée en échelon. Les éléments spéciaux et les méthodes de prise en compte des non linéarités ont été validés par comparaison à des solutions analytiques, à des modélisations bidimensionnelles ou axisymétriques. La simulation d'un transformateur réel a été traitée pour déterminer les pertes par courants de Foucault dans la cuve.

Dans l'industrie, les demandes de modélisation de phénomènes complexes en électromagnétisrne sont de plus en plus importantes, notamment la prise en compte de conducteurs massifs (avec des courants de Foucault) reliés à des circuits électriques. En effet, le calcul des courants induits est indispensable dans la modélisation des dispositifs pour étudier leur fonctionnement (chauffage par induction, moteurs asynchrones) ou l'améliorer (tokamaks, disjoncteurs). Les travaux ont porté sur le développement de nouvelles formulations éléments finis magnétodynamiques tridimensionnelles, en potentiel scalaire magnétique et vecteur électrique, pour des conducteurs massifs à n bornes et des conducteurs bobinés à deux bornes, couplés à n'importe quel circuit électrique d'alimentation. Nous avons, grâce au calcul original d'un To nodal, amélioré la prise en compte des conducteurs bobinés fins couplés circuit, avec le potentiel scalaire magnétique. En effet, ce T0 nodal nous a permis d'améliorer la précision des résultats existants, de modéliser des entrefers par des surfaces et d'utiliser des coupures magnétiques pour s'affranchir du problème de connexité dû aux circuits magnétiques fermés entourés par un conducteur bobiné. Ensuite, nous nous sommes appliqués à détecter et à résoudre les problèmes existants pour modéliser les courants de Foucault avec la formulation T0. Ces recherches nous ont amenés à développer des techniques pour utiliser la formulation T0, avec, une interpolation nodale (Jauge modulée) ou avec une interpolation d'arête (jauge par arbre, normalisation par arête) sur T. Enfin, nous avons développé une nouvelle relation courant-tension et une nouvelle formulation en potentiel scalaire magnétique et vecteur électrique utilisant l'interpolation d'arête pour le couplage circuit avec des conducteurs massifs à n bornes. Les développements réalisés dans le logiciel FLUX3D ont été systématiquement validés sur des problèmes de géométrie simple et des problèmes industriels.