Avec l'objectif d'améliorer le rendement des lampes à excimères (Excil-ampe) à décharge à barrière diélectrique (DBD), un convertisseur en mode de courant, qui permet un ajustement précis de la puissance électrique injectée dans ce type des lampes, à été conçu et mis en œuvre. Ce convertisseur fournit à la lampe un courant de forme d'onde carrée contrôlé au moyen de trois paramètres: l'amplitude, la fréquence et le rapport cyclique, pour obtenir un contrôle total de l'énergie électrique transmise à l'excilampe DBD. La mise en œuvre intègre un transformateur élévateur comme interface entre la lampe et un commutateur. Les expériences démontrent le principe de fonctionnement de ce convertisseur, y compris les mesures de puissance du rayonnement UV. Les degrés de liberté du convertisseur sont utilisées pour analyser le comportement de la lampe sous différentes combinaisons de ces trois paramètres, et sont utilisés pour déterminer le point de fonctionnement optimal de la lampe. Ensuite, un convertisseur à résonance du type onduleur série, est proposé pour alimenter la lampe avec une grande efficacité électrique. Afin de contrôler effectivement la puissance de la lampe, le mode de fonctionnement de ce convertisseur utilise le mode de conduction discontinue et la commutation douce (ZCS), avec lequel on obtient aussi de faibles émissions électromagnétiques et l'on réduit les pertes de commutation. Les relations mathématiques obtenues à partir de l'analyse du diagramme de phase, ont été validées par des simulations et avec des résultats expérimentaux. Enfin, différentes topologies d'alimentations pour DBD sont comparées analytiquement et expérimentalement pour évaluer objectivement les avantages de chaque approche. Une des perspectives de ce travail est l'application de l'alimentation en créneaux pour l'étude de la performance d'autres types de réacteurs et d'excilampes DBD.

Avec l'objectif d'améliorer le rendement des lampes à excimères (Excilampe) à décharge à barrière diélectrique (DBD), un convertisseur en mode de courant, qui permet un ajustement précis de la puissance électrique injectée dans ce type des lampes, à été conçu et mis en oeuvre. Ce convertisseur fournit à la lampe un courant de forme d'onde carrée contrôlé au moyen de trois paramètres: l'amplitude, la fréquence et le rapport cyclique, pour obtenir un contrôle total de l'énergie électrique transmise à l'excilampe DBD. La mise en oeuvre intègre un transformateur élévateur comme interface entre la lampe et un commutateur. Les expériences démontrent le principe de fonctionnement de ce convertisseur, y compris les mesures de puissance du rayonnement UV. Les degrés de liberté du convertisseur sont utilisées pour analyser le comportement de la lampe sous différentes combinaisons de ces trois paramètres, et sont utilisés pour déterminer le point de fonctionnement optimal de la lampe. Ensuite, un convertisseur à résonance du type onduleur série, est proposé pour alimenter la lampe avec une grande efficacité électrique. Afin de contrôler effectivement la puissance de la lampe, le mode de fonctionnement de ce convertisseur utilise le mode de conduction discontinue et la commutation douce (ZCS), avec lequel on obtient aussi de faibles émissions électromagnétiques et l'on réduit les pertes de commutation. Les relations mathématiques obtenus à partir de l'analyse du diagramme de phase, ont été validées par des simulations et avec des résultats expérimentaux. Enfin, différentes topologies d'alimentations pour DBD sont comparées analytiquement et expérimentalement pour évaluer objectivement les avantages de chaque approche. Une des perspectives de ce travail est l'application de l'alimentation en créneaux pour l'étude de la performance d'autres types de réacteurs et d'excilampes DBD. / With the aim to provide a scientific tool for the enhancement of the Dielectric Barrier Discharge (DBD) Excimer Lamps (Excilamp) performance, a current-mode converter that allows an accurate adjustment of the electrical power injected into one of those lamps, is designed and implemented. With the proposed converter, the current supplied to the lamp has a square shape, controlled by means of three parameters: amplitude, duty cycle and frequency, which provides full control of the lamp electrical power. Implementation is made considering a step-up transformer interfacing the high-voltage lamp with the converter. Experiments demonstrate the operating principle of this converter, including UV power measurements for a DBD XeCl Excilamp. The capabilities of the converter are used to analyze the lamp behavior under different combinations of these three parameters, illustrating its capabilities for finding the optimal operating point. Then a series-resonant inverter for the supply of DBD) excilamp is proposed. In order to effectively control the lamp power, the operating mode of this converter combines discontinuous current-mode and soft-commutation (ZCS), obtaining as well low electromagnetic emissions, and reduced switching losses. The mathematical relationships obtained from state plane analysis, are validated with simulations and experimental results. Finally, several topologies of DBDs power supplies are compared analytical and experimentally to elucidate the advantages of each approach. After this work, one of the perspectives is the application of the square-shape supply in the performance study of other types of DBD excilamps and DBD reactors.

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. / This work presents the concept of a generator supplying a DBD lamp for UV radiation production purpose. This supply permits effective control of radiation based on degree-of-freedom provided by generator control system (lamp current frequency and ampli-tude). Lamp electrical model is used to predict the impact of power source characteristics on the produced UV radiation. A synthesis of the switching devices of power converter for current lamp control is pro-posed and the implemented solutions are studied. A design procedure for high voltage transformer optimization is proposed in particular concerning parasitic elements. The entire work is supported by experimentations.

La pile à combustible convertit l’énergie chimique des réactants en énergie électrique continue, en chaleur et en eau. Elle est généralement utilisée autour d’un point de fonctionnement (ou zone) correspondant à un maximum de puissance électrique. Le courant continu produit par la réaction d’oxydo-réduction est proportionnel à la surface active de la pile et la tension, qui est d’environ 0,6 V au point de nominal de fonctionnement, peut être augmentée par la mise en série de plusieurs cellules (constituant un stack). En raison de son faible niveau de tension continue, son utilisation dans des systèmes électriques nécessitent de l’associer à des convertisseurs de puissance. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’intéressent au potentiel d’une source électrique continue basse tension et plus exactement à l’utilisation de la pile à combustible en fonctionnement source de courant commandée (par le débit d’un des réactants). L’expertise du laboratoire GREEN dans le domaine des supraconducteurs, nous a conduits naturellement vers une application innovante à savoir substituer les alimentations de puissance dédiées aux dispositifs supraconducteurs par une pile à combustible. Un premier essai prometteur mené sur une bobine supraconductrice de 4 mH a mis en évidence tout le potentiel d’une telle application et nous a encouragés à étendre l’étude à des bobines supraconductrices fortement inductives, des plusieurs henrys. En effet, les énergies mises en jeu sont alors plus importantes et exigent de dimensionner avec soin le banc d’essai, aussi bien du point de vue de la protection de la pile que des conditions opératoires. Pour ce faire, une modélisation et une expérimentation d’un ensemble pile à combustible/bobine supraconductrice ont également été réalisées. En parallèle du travail mené sur la partie alimentation de la bobine supraconductrice, nous avons travaillé sur le dimensionnement d’un dispositif supraconducteur innovant, communément appelé aimant vectoriel, à trois axes. Ce système peut servir comme charge pour une pile à combustible mais aussi, et surtout, comme outils de caractérisation d’échantillons supraconducteurs. Cet aimant vectoriel permet d’orienter dans les 3 directions de l’espace un champ magnétique de plusieurs teslas, uniforme à plus de 95 % dans une sphère de 100 mm de diamètre. Ce dimensionnement, nous a permis de concevoir et réaliser la structure supportant le bobinage du fil et de choisir un certain fil supraconducteur. Le système complet devant coûter moins de 50 k€, cryostat inclus, nous nous sommes orientés vers du fil supraconducteur à basse température critique, refroidi à l’hélium liquide / The fuel cell (FC) converts the chemical energy of the reactants into direct electrical energy, heat and water. The FC is generally used around an operating point (or area) corresponding to a maximum of electric power. The direct current produced by the redox reaction is proportional to the active surface of the single cell and its voltage, which is approximately 0.6 V at the nominal operating point, can be increase by connecting several cells in series (constituting a stack). Due to its low DC voltage amplitude, its use in electrical systems requires the use of power converters. In this work, we have been interested taking benefit of such DC low voltage power source and more precisely the use of the FC as a current source controllable by the one of the reactant flow rates. The expertise of GREEN laboratory in the field of superconductors has naturally led us to an innovative application, namely to substitute the power supplies dedicated to the superconducting devices by a FC. A first promising test conducted on a 4 mH superconducting coil highlighted the full potential of such an application and encouraged us to extend the study to highly inductive superconducting coils where the energies involved are more important. This requires to carefully design the test bench with a protection system for the FC as well as operating conditions. To this end, a FC model supplying a superconducting coil has been developed and tested experimentally. At the same time, we have focused on the supply part of the superconducting coil by designing an innovative superconducting device, commonly called a three-axis vector magnet. This system can be used as a load for a fuel cell, but also, and above all, as a tool for the characterization of superconducting samples. This vector magnet allows to orient a magnetic field of several tesla in the three space directions, with a uniformity of more than 95 % in a 100 mm sphere of diameter. This design allowed us to realize the windings supporting structure and to choose a superconducting wire. The complete system has to cost less than 50 k€, including the cryostat, we have finally choose a superconducting wire with low critical temperature, cooled by liquid helium

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.

Ce mémoire présente une solution de conversion d’énergie permettant de couplerdeux sources de tension électrique similaire à dimensionnement réduit. Appliqué à un système de stockage hybridé puissance/énergie pour véhicule électrique, cette solution présente un compromis de coût de production, de masse et de rendement énergétique meilleur que celui des hacheurs classiques. Nous proposons en réponse à cette problématique l’utilisation d’une source de courant contrôlée placée en série avec les deux sources de tension pour réaliser leur couplage. Une structure de convertisseur permettant ce couplage est étudiée, puis comparée à une structure classique, et enfin réalisée au travers d’un démonstrateur à échelle de tension réduite afin de mettre en évidence ses avantages et inconvénients / This thesis deals with the development of a power conversion solution, allowing for the coupling of two similar voltage sources. Applied to a combined battery storage sys-tem power/energy for electric vehicles, the proposed solution presents a compromise between production costs, mass and energy performance, providing a better solution than those currently in existence. As such, the two voltage sources are coupled in series with a controlled current source. A structure of the converter allowing the coupling is studied and compared to a classic structure. Finally a demonstrator on a reduced voltage scale has been realized and shows advantages of this converter solution.