Les dispositifs DBD se répandent dans un grand nombre d’applications industrielles. Utilisés depuis plus de 150 ans pour la production d’ozone afin de décontaminer l’eau à grande échelle, ils ont depuis la fin du XXème siècle investi les domaines du traitement de surface polymère, du dépôt de couche mince sur substrat et de l’émission lumineuse pour la décontamination ainsi que la médecine. Ces dispositifs sont mis en oeuvre avec un générateur électrique dont les caractéristiques impactent fortement la qualité de la décharge. Ce travail s’inscrit en partie dans le cadre du développement d’une application de traitement de surface à pression atmosphérique. Il aborde la problématique de l’augmentation de la vitesse de dépôt de couche mince au travers des paramètres de l’alimentation électrique. Plus précisément, ce travail s’intéresse aux apports d’une alimentation en courant rectangulaire et aborde également les problématiques liées à la conception et à la fabrication de ce convertisseur. En particulier, une grande attention est portée sur l’étude du transformateur élévateur, car au travers de ses éléments parasites capacitifs, ce dernier peut limiter le transfert de puissance entre la source électrique et le dispositif DBD. Un deuxième aspect de cette étude consiste à entrevoir l’intérêt que revêtent deux convertisseurs statiques dédiés à l’alimentation de dispositifs DBD. Le premier consiste en une alimentation résonante en régime de conduction discontinue dont la particularité est de posséder trois degrés de liberté (fréquence, tension d’entrée et largeur d’impulsion), ce qui lui confère un intérêt exploratoire. Le second convertisseur consiste en une alimentation résonante haute tension et haute fréquence permettant l’éviction du transformateur élévateur, et mettant en oeuvre des interrupteurs au nitrure de gallium (GaN) afin d’atteindre une fréquence de fonctionnement supérieure au mega-Hertz avec un faible niveau de pertes. / DBD devices are widely used in industrial applications. 150 years ago, they were only employed in ozoners for water decontamination. In recent decades, the progress of knowledge and technology allowed to use them in many other applications like surface treatment, medical applications and light emission. Actually, these devices are supplied with an electrical source which parameters can strongly impact the discharge behaviour. An important part of this work comes within the framework of the development of an atmospheric pressure surface treatment involving DBDs. The issue of the influence of the generator's electrical parameters on the treatment speed is discussed. In particular, this work focuses on the merits of a rectangular shaped current source concerning the behavior of an atmospheric pressure discharge in nitrogen ; the problems related to the design and the fabrication of such a converter are highlighted. The design of the high voltage transformer is then described in detail since its lumped elements play an important role as they can strongly limit the power transfer between the electrical source and the DBD device. A second aspect of this work is to establish the interests of two particular power converters. The first one is a resonant converter operating in a discontinuous conduction mode ; its merits is to exhibit three degrees of freedom (input voltage, frequency, current pulse width) instead of two, which is a tremendous asset for exploring purposes. The second one is a high-frequency resonant converter where a resonant inductance and the DBD device structural capacitances are used instead of a high voltage transformer to perform the voltage amplification, which circumvents the issue related to the transformer parasitic elements. This converter is based on GaN HEMT switches in order to reach a low semiconductor losses level and a fairly high operating frequency (above the mega-Hertz).

Cette thèse porte sur le développement d'une structure d'alimentation sans transformateur pour des décharges à barrière diélectrique (DBD). Une DBD est une charge permettant d'obtenir des plasmas froids à la pression atmosphérique. Ce dispositif est fortement capacitif et son alimentation doit délivrer plusieurs kilovolts pour allumer et entretenir la décharge. Cette haute tension est classiquement obtenue à l'aide d'un transformateur élévateur. Dans une première partie, nous montrons que les éléments parasites du transformateur impactent fortement le transfert d'énergie vers la décharge. C'est pourquoi dans une seconde partie, nous proposons une nouvelle topologie d'alimentation sans transformateur élévateur. Les caractéristiques fondamentales et le dimensionnement de notre alimentation sont obtenus par une analyse théorique. Dans cette topologie, les interrupteurs sont directement connectés à la DBD ; ils doivent donc supporter des tensions de plusieurs kilovolts. Il y a encore quelques années, il n'existait pas de semi-conducteur capable de supporter ce niveau de tension, à moins d'utiliser des interrupteurs fonctionnant à très basse fréquence. De récents progrès sur les matériaux semi-conducteurs ont permis d'élaborer des transistors et des diodes à base de carbure de silicium (SiC) capables de supporter des tensions allant jusqu'à 10 kV. Ce niveau de tension est tout à fait compatible avec la topologie d'alimentation proposée ici.Nous consacrerons la troisième partie du manuscrit à la mise en œuvre de notre convertisseur. Ce dernier, conçu à base de semi-conducteurs SiC, est fonctionnel et permet d'allumer une décharge. Cependant le fonctionnement initialement prévu est fortement affecté par la présence des capacités parasites notamment celles des interrupteurs. Nous détaillerons le rôle de chacune d'entre elles. Nous proposerons enfin des solutions permettant d'améliorer le transfert de puissance : mise en série de semi-conducteurs basses tensions, utilisation sur DBD de forte puissance... / This thesis focuses on the development of a dielectric barrier discharge (DBD) transformerless power supply. A DBD can produce cold plasma at atmospheric pressure. This device is a capacitive load, which must be supplied by a high voltage alternative source. This high voltage is classically obtained by amplifying a low level voltage with a step up transformer. In the first part, we show that the parasitic elements of the transformer limit the power transfer to the DBD load. This is why, in a second part, we propose a new topology without step-up transformer. A theoretical study of the converter allows to size our power supply and to deduce the fundamental characteristics of the latter. In our topology, the power switches are directly connected to the high voltage. A few years ago, it was inconceivable to connect directly a transistor to a high level of voltage (5kV), unless using very low frequency switches. Recent progress on semiconductor devices led to the development of transistors and diodes based on silicon carbide (SiC), which are able to hold up to 10kV. This voltage level is compatible with our topology.In the third part, we focus on the realization of our transformerless power supply and its operation. Our power supply based on 10 kV SiC semiconductors can ignite the discharge; however the parasitic capacitance and particularly those of the switches affect the power transfer. The role of each one of them is analyzed in detail.In the last part we propose solutions to improve the power delivered by this supply: series connection of lower voltage switches, supplying a high power DBD...

Ce travail de recherche porte sur l’étude de l’effet du vieillissement par fatigue électrothermique sur la compatibilité électromagnétique des composants de puissance à base de carbure de silicium. Il est axé sur deux grandes parties ; une partie expérimentale et une autre plus orientée modélisation. Sur le plan expérimental, cette thèse étudie l’effet du vieillissement des transistors à base de carbure de silicium utilisés dans les convertisseurs statiques sur les perturbations électromagnétiques générées par ces convertisseurs. La deuxième partie porte sur la modélisation de ces transistors afin d’émuler l’effet de leur vieillissement sur les perturbations électromagnétiques des modules qu’ils composent. Cette dernière étape repose sur une étude de l’évolution des caractéristiques électriques statiques et dynamiques effectuées sur le composant sous test pour extraire les principaux paramètres intrinsèques du transistor de puissance dégradé après les séries de stress appliquées. En effet, ces paramètres intrinsèques dégradés émulent l’effet du vieillissement et sont représentatifs des principaux phénomènes pouvant influencer les convertisseurs de puissance étudiés. De ce fait, le changement de leurs valeurs dans le modèle du dit composant, décrit en VHDL-AMS et implémenté sur le simulateur de type circuit ANSYS SIMLORER, nous permet d’obtenir un modèle d’un tel composant après vieillissement. Cette étape a permis de valider la méthodologie développée pour la simulation des perturbations électromagnétiques conduites d’un composant sain dans un premier temps et d’un composant vieilli dans un second. Globalement, cette approche de modélisation innovante développée dans ce travail permet d’aider les concepteurs des convertisseurs statiques à prédire les perturbations électromagnétiques conduites avant et après vieillissement sans passer par la mesure et ses points faibles. Ceci apporte des informations complémentaires sur l’évolution des signatures CEM de tels modules durant sa durée de vie et d’estimer donc le risque lié au vieillissement des composants. / This research work focuses on the electrothermal aging effect on the electromagnetic compatibility of power components based on silicon carbide SiC. It focuses on two major parts ; an experimental part and another more oriented modelization. Experimentally, this thesis studies the aging effect of SiC transistors used in static converters on the electromagnetic interferences EMI generated by these converters. The second part deals with the modeling of these transistors in order to emulate the effect of their aging on the EMI of the modules they compose. This step made it possible to validate the methodology developed for the simulation of the conducted EMI of a healthy SiC MOFSET at first and of an aged SiC MOSFET in a second time. Overall, this innovative modeling approach developed in this work helps the designers of static converters to predict the conducted EMI before and after aging without going through the measurement. This provides additional information on the evolution of the EMC signatures of such modules during its lifetime and thus to estimate the risk associated with the aging of the components.