La découverte des supraconducteurs à Haute Température Critique en 1986 relance l'intérêt porté à la supraconductivité. Ces matériaux sont arrivés à un stade où leur utilisation dans des dispositifs électrotechniques est envisageable. Néanmoins, il est primordial de connaître leurs pertes AC précisément pour dimensionner correctement les dispositifs. C'est pourquoi nous avons étudié dans un premier temps ces pertes AC dans un supraconducteur. Un modèle analytique applicable à une géométrie cylindrique (bobinages) a été ainsi développé et comparé à un modèle numérique. Nous avons réalisé des mesures expérimentales afin de comparer ces différents modèles. Dans le cadre du projet Européen READY, un transformateur supraconducteur monophasé HTC de 41 kVA a été entièrement dimensionné sur les plans électromagnétiques, thermiques et mécaniques. Ce transformateur, entièrement froid, pourra fonctionner dans l'azote liquide jusque vers 65 K ou l'hélium gazeux pour atteindre des températures inférieures. H sera refroidi par un tube puisé. De nombreuses expériences ont été faites pour valider nos choix et nous apporter certaines données expérimentales indispensables comme les pertes fer à froid où la résistance thermique de contact. Enfin, une étude très préliminaire sur différents transformateurs supraconducteurs d'une puissance de 30 MVA a permis de montrer l'intérêt de la technologie supraconductrice sur ces dispositifs.

Les transformateurs de puissance sont des éléments clés des systèmes électriques. Leurs défaillances sont très coûteuses, principalement à cause de la non-disponibilité du service électrique qu'elles entraînent. L'évaluation rapide et précise de défauts internes des transformateurs est en conséquence un facteur clé d'une exploitation efficace et sûre. Un tel diagnostic est généralement établi par un expert humain qui fait corréler différents types d'informations telles que des résultats d'essais électriques ou chimiques, le déclenchement de protections ou l'historique de l'appareil... Cette thèse présente une méthode d'aide au diagnostic de défauts originale qui reprend, en les formalisant, la démarche et la capitalisation d'expérience de l'expert. Les informations disponibles sur le transformateur à étudier sont mises en correspondance avec le système proposé de manière systématique. Des hypothèses de défaut sont alors formulées et un degré de confiance calculé pour chacune d'elle. Pour améliorer la confiance en certaines de ces hypothèses la méthode recherche, et propose, de renseigner des informations utiles pouvant améliorer le diagnostic. Il progresse ainsi jusqu'à ce que la confiance d'au moins une hypothèse soit suffisante pour l'utilisateur. Le système peut de plus évoluer efficacement dans le temps en prenant facilement en compte de nouveaux types d'essais ou de nouvelles informations pouvant être discriminants dans un diagnostic, et ainsi améliorer les diagnostics futurs automatiquement.

Mémoire (M.Eng.)--Université du Québec à Chicoutimi, 1998. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Les transformateurs de puissance sont des éléments clés des systèmes électriques. Leurs défaillances sont très coûteuses, principalement à cause de la non-disponibilité du service électrique qu'elles entraînent. L'évaluation rapide et précise de défauts internes des transformateurs est en conséquence un facteur clé d'une exploitation efficace et sûre. Un tel diagnostic est généralement établi par un expert humain qui fait corréler différents types d'informations telles que des résultats d'essais électriques ou chimiques, le déclenchement de protections ou l'historique de l'appareil… Cette thèse présente une méthode d'aide au diagnostic de défauts originale qui reprend, en les formalisant, la démarche et la capitalisation d'expérience de l'expert. Les informations disponibles sur le transformateur à étudier sont mises en correspondance avec le système proposé de manière systématique. Des hypothèses de défaut sont alors formulées et un degré de confiance calculé pour chacune d'elle. Pour améliorer la confiance en certaines de ces hypothèses la méthode recherche, et propose, de renseigner des informations utiles pouvant améliorer le diagnostic. Il progresse ainsi jusqu'à ce que la confiance d'au moins une hypothèse soit suffisante pour l'utilisateur. Le système peut de plus évoluer efficacement dans le temps en prenant facilement en compte de nouveaux types d'essais ou de nouvelles informations pouvant être discriminants dans un diagnostic, et ainsi améliorer les diagnostics futurs automatiquement. / Power transformers are keys components to the electrical systems. Its failures are very expensive mostly by causing long electrical service unavailability. Quick and accurate assess of transformer's internal faults is consequently a key issue for an efficient and safe service life. Such diagnosis is mainly led by a human expert, due to his ability to link together many different kind of information as electrical or chemical tests, tripped protections or history of the apparatus… This thesis presents an original method of diagnosis aid that behaves somehow like an expert, and capitalizes his experience, by formalizing it. The available information on a particular transformer are used to search any similarities within the developed system, on a systematic base. Then faults hypothesis are proposed and according confidences are calculated. To improve those hypothesis' confidences the method will propose to inform new useful information that could improve the diagnosis. Then it continues up until at least one hypothesis confidence is high enough for the user. This system could easily evolve over time by taking into account new kind of tests or new information that could be significant in any diagnosis, and then improve future diagnosis automatically.

Les systèmes de communication sans fil en fréquences millimétriques ont gagné considérablement en importance au cours des dernières années. Des applications comme les réseaux WLAN et WPAN à 60 GHz, le radar automobile autour de 80 GHz ou l’imagerie à 94 GHz sont apparues, demandant un effort conséquent pour la conception des circuits intégrés émetteurs et récepteurs sur silicium. Dans ce contexte, les transformateurs intégrés sont particulièrement intéressants. Ils peuvent réaliser des fonctions comme l’adaptation d’impédance, la conversion du mode asymétrique au différentiel et la combinaison de puissance. La conception et la modélisation de ce type de transformateur font le sujet de cette thèse. Une étude détaillée des topologies de transformateurs est présentée, concernant le dessin des inductances, leur position relative, leurs dimensions géométriques, le blindage du substrat et l’obtention de rapports importants de transformation. Leur modélisation par des simulations électromagnétiques et par un circuit électrique à éléments discrets est également discutée. Le modèle présente une topologie 2-π et une série d’équations analytiques dépendant de ses caractéristiques technologiques et géométriques pour évaluer tous ses composants. Un très bon accord entre les simulations et les mesures est observé pour des transformateurs en technologies CMOS 65 nm et BiCMOS 130 nm jusqu’à 110 GHz. Finalement, les transformateurs sont appliqués à la conception d’un mélangeur BiCMOS à 77 GHz et un amplificateur de puissance CMOS à 60 GHz. / Millimeter-wave wireless communication systems have considerably gained in importance in recent years. Important applications as 60-GHz WLANs and WPANs, 80- GHz automotive radar, and 94 GHz imaging have emerged, requiring significant effort on the design of transceiver’s silicon-based integrated circuits. In this context, integrated transformers are of a particular interest. They may perform, among other functions, impedance matching, single to differential conversion, and power combination. The design and modeling of this type of transformers is the subject of this thesis. A comprehensive study on the topology of transformers is presented, regarding the layout of individual coils, their relative position, geometric dimensions, substrate shields, and the achievement of high transformation ratios. Their modeling through electromagnetic simulations and a lumped-element electric circuit is discussed as well. The model presents a 2-π topology and analytical equations depending on both technological and geometric characteristics to evaluate the totality of its components. A close agreement between model and measurement is shown for 65-nm CMOS and 130-nm BiCMOS transformers up to 110 GHz. Those transformers are then applied to the design of a 77-GHz BiCMOS mixer and a 60-GHz CMOS power amplifier.

Les alliages magnétiques nanocristallisés (FeCuNbSiB) sont depuis quelques années présents sur le marché de l'électronique de puissance. Cependant, les lois comportementales décrites et profitables en vue de l'optimisation de ces alliages ne sont pas établis pour les nuances les plus performantes industriellement. Dans un premier volet, cette étude s'oriente alors vers l'analyse et la compréhension des mécanismes d'aimantation. L'importance des effets magnétoélastiques et la discrimination des différentes sources d'anisotropie sont alors mises en exergue. Dans un second volet, l'intégration des alliages nanocristallins dans les applications d'électronique de puissance est investiguée par le biais de dimensionnements optimisés de composants. L'étude des performances dynamiques de ces alliages dans le cas de sollicitations électromagnétiques générées par les alimentations à découpage est alors présentée et s'appuie sur le développement d'un modèle d'hystérésis scalaire dynamique LS (Loss Surface). Le dernier point fédère tous les points précédents et concerne le dimensionnement optimisé de transformateurs nanocristallins hautes fréquences. Dans le cadre d'une démarche d'optimisation, des modèles analytiques de pertes magnétiques, Joule et un modèle thermique sont alors développés. Dans ce contexte, le dimensionnement optimisé d'un transformateur en rubans nanocristallins est alors considéré pour valider in fine la démarche globale.

De nos jours, pour accroître le potentiel applicatif des machines de hautes puissances pulsées, il est nécessaire de développer des modulateurs compacts capables de délivrer des impulsions de l’ordre de plusieurs Mégawatts de durée pouvant atteindre plusieurs centaines de microsecondes. Cette amélioration requiert le développement de structures innovantes dont le but est de produire aussi bien des puissances moyennes que des puissances crêtes importantes. Les modulateurs étudiés dans ce mémoire sont basés sur l’utilisation de divers transformateurs pour la génération d’impulsions de très forte puissance. Le projet AGIR (acronyme de « Architecture pour la Génération d’Impulsions Rectangulaires de forte de puissance ») est réalisé dans le cadre d’un RAPID (Régime d’Appui Pour l’Innovation Duale) financé par la Direction Générale de l’Armement (DGA). Le projet est une collaboration avec EFFITECH, une entreprise spécialisée dans les puissances pulsées. L’objectif est de développer deux générateurs pour deux gammes de puissance crête (jusqu’à 10MW pour l’un et 1GW pour l’autre). Le premier modulateur « AGIR1 » repose sur l’association d’un convertisseur AC-DC et de 12 convertisseurs résonants DC-DC qui permettent la génération de plusieurs types d’impulsions (fort courant ou forte tension) en fonction de la configuration choisie. Le second modulateur repose sur le développement d’un transformateur impulsionnel à quatre primaires synchronisés. Chaque primaire est relié à un système de mise en forme de type Blumlein dont le déclenchement est assuré par un éclateur pressurisé à trois électrodes. La synchronisation des quatre éclateurs est assurée par un générateur impulsionnel innovant à faible gigue. La principale difficulté du travail effectué au laboratoire réside dans l’étude des différents transformateurs haute-tension utilisés (résonant ou impulsionnel) et du système de synchronisation des éclateurs. Chaque élément constituant le système est étudié et simulé de manière électrostatique, électromagnétique ou électrique avant d’être réalisé et assemblé. Des essais ponctue l’étude afin de valider le fonctionnement en récurrent avec un système de dissipation thermique adapté. / Nowadays, to increase the application potential of high power pulsed machines, it is necessary to develop compact modulators able to deliver pulses in the range of several megawatts with duration of up to several hundred microseconds. This improvement requires the development of innovative structures whose purpose is to produce both average power and large peak power. Modulators studied in this thesis are based on the use of various transformers for the generation of very high power pulses. The AGIR project (French acronym for "Architecture for Rectangular High Pulse power generation") is achieved within the framework of a RAPID (Dual Innovation Support Regime) funded by the French Defense (DGA). The project is carried on by a collaboration with EFFITECH, a company specialized in pulsed powers. The goal is to develop two generators for two peak power ranges (up to 10MW for one and 1GW for the other). The first modulator "AGIR1" is based on the association of an AC-DC converter and 12 DC-DC resonant converters allowing the generation of several types of pulses (high current or high voltage) depending on the chosen configuration. The second modulator is based on the development of a four synchronized primary pulse transformer. Each primary is connected to a Blumlein pulse forming line triggered by a three-electrode pressurized spark gap. The synchronization of the four spark gaps is ensured by an innovative pulse generator with low jitter. The main difficulty of the work which was completed in the laboratory relies in the study of the different high-voltage transformers used (resonant or pulse) and the spark gap synchronization system. Each element constituting the system is studied and simulated electrostatically, electromagnetically or electrically before being realized and assembled. Trials punctuate the study to validate the recurrent operation with a suitable heat dissipation system.

Cette thèse concerne la détermination des paramètres R et L de matériels bobinés à hautes fréquences par la méthode des éléments finis 3D. Les travaux se sont axés sur les transformateurs de puissance.<br />Le travail réalisé a consisté à développer une méthode permettant de s'affranchir du calcul des courants de Foucault par éléments finis. Cela a abouti au concept de perméabilité magnétique complexe. Par l'utilisation d'une formulation en potentiel scalaire magnétique et de la perméabilité complexe il a été possible de mettre en place une méthode de détermination des parmètres caractéristiques d'un transformateur de puissance. Paramètres sous forme matricielle qui seront utilisés pour des simulations de réseaux électriques.

Les convertisseurs multicellulaires parallèles permettent de traiter des puissances importantes et de profiter d'une certaine standardisation des équipements. Ces dernières années, ces structures ont connu un regain d'intérêt lié notamment à la possibilité de couplage magnétique des inductances. Ce couplage aboutit à un composant magnétique aux propriétés très différentes appelé Transformateur Inter-Cellules (ICT) ; il ne modifie pas le courant de sortie, par contre il réduit l'ondulation de courant dans les bobines et l'ondulation de flux dans certaines parties du noyau. On peut montrer que ce couplage entraîne une réduction des pertes Joules dans les conducteurs et des pertes magnétiques dans le noyau. La réduction de l'ondulation de courant diminue également le courant efficace dans les semiconducteurs ce qui réduit les pertes par conduction, et la différence entre le courant à l'amorçage et au blocage des interrupteurs, ce qui permet la diminution des pertes dans les semiconducteurs lorsque les pertes au blocage sont supérieures aux pertes à l'amorçage. Le dimensionnement d'un ICT n'est pas fondamentalement différent de celui fait pour d'autres composants magnétiques en ce sens qu'il est basé sur le respect de certaines valeurs limites (induction, température) ce qui suppose une évaluation des différentes pertes et l'élaboration d'un modèle thermique. Par contre, la manière d'évaluer ces différentes grandeurs est tout à fait spécifique et n'a que quelques points communs avec les méthodes de calcul des inductances et des transformateurs Dans ce travail de thèse, on montre comment dimensionner ces ICTs en considérant plusieurs topologies et méthodes différentes, correspondant à différents niveaux de sophistication et de complexité. L'explication de ce dimensionnement est divisée en quatre parties : Pertes Cuivre, Pertes Fer, Densité de Flux de Saturation et Aspects Thermiques. L'évaluation des pertes cuivre liées aux composantes alternatives des ICTs constituent un point particulièrement délicat dans la mesure où elles résultent de la combinaison de deux facteurs eux-mêmes difficiles à évaluer ; l'inductance de fuite qui détermine l'amplitude des courants alternatifs mais dépend des flux principalement non canalisés et circulant dans l'air (volume d'étude important, effets 3D...), et la résistance équivalente des bobinages qui en haute fréquence est sujette à des phénomènes complexes comme les effets de peau et de proximité. En se basant sur l'utilisation d'un logiciel simple mais néanmoins robuste et fiable pour calculer précisément les résistances en haute fréquence et les inductances de fuite des ICTs, plusieurs astuces permettant de réduire les pertes cuivre non seulement des ICTs mais aussi des transformateurs et des inductances sont suggérées. Des tableaux simples sont développés pour aider le concepteur de transformateurs à identifier la meilleur configuration de conducteurs dans une fenêtre de bobinage en prenant en compte la forme d'onde du courant, le nombre de tours des enroulements, la fréquence des courants et les paramètres géométriques. Des formules analytiques et des outils de calcul adéquats ont ensuite été utilisés pour développer des routines d'optimisation ayant pour but la réduction de la masse, du volume, des pertes ou du coût des ICTs. Des interpolations multidimensionnelles des valeurs présimulées des résistances et inductances de fuite en haute fréquence sont utilisées afin de réduire le temps d'exécution de la routine d'optimisation. Plusieurs dimensionnements des ICTs ont été comparées vis-à-vis des matériaux du noyau et des conducteurs, du nombre de cellules de commutation et de la fréquence de découpage. Des comparaisons avec des selfs ont également été faites afin de montrer les avantages de ces ICTs. Des aspects de la commande des convertisseurs multi-niveaux triphasés ont également été étudiés vis-à- vis du flux circulant dans les ICTs. Des homopolaires, spécifiques pour chaque stratégie MLI et chaque topologie convertisseur/charge, sont créées afin de minimiser le flux dans les ICTs et par conséquent de réduire davantage la masse et la taille de ces composants. Des comparaisons entre différentes méthodes de MLI sont effectuées et vérifiées expérimentalement.

Dans l’aéronautique et plus précisément dans les avions tout électrique, l’objectif visé est de réduire les masses et volumes des composants. Pour cela, les actionneurs électriques remplacent progressivement les actionneurs hydrauliques et mécaniques. Ces actionneurs électriques ont besoin d’être commandés ; le projet THOR (projet européen dans lequel s’inscrit cette thèse) vise entre autres à développer un étage de commande permettant de piloter des interrupteurs de puissance. Les interrupteurs étant situés à proximité directe de l’étage driver et les tensions de sorties pouvant atteindre 3 kV, une isolation galvanique est obligatoire. Anciennement, les optocoupleurs étaient utilisés pour assurer l’isolation galvanique dans les étages de commande. Cependant, afin de pouvoir utiliser ces composants dans un environnement thermique contraignant et assurer une meilleure intégration, les opto-coupleurs ne sont plus adaptés et sont remplacés par des transformateurs. Dans ce contexte, s’inscrivent les travaux de cette thèse où l’objectif principal est de développer, réaliser et caractériser des transformateurs planaires intégrables répondant au cahier des charges THOR. Dans un premier temps, un état de l’art sur les différentes technologies de fabrication de transformateurs planaires est établi avant de choisir la technologie et les matériaux utilisés dans ces composants. Dans un deuxième temps, on s’intéresse au choix et au dimensionnement du transformateur. Deux structures répondant au cahier des charges THOR ont été retenues et dimensionnées à l’aide d’un logiciel de simulation (HFSS) : une structure entrelacée et une structure ‘face to face’. Ces deux structures ont été réalisées et caractérisées à l’aide d’un LCRmètre en basse fréquence et d’un Analyseur Vectoriel de Réseaux (VNA) en haute fréquence. Pour les deux structures, la caractérisation a permis de vérifier les valeurs des inductances magnétisantes supérieures à 1 μH souhaitées par le projet THOR et des facteurs de couplages supérieurs à 0,9 déterminées par simulation. D’autres paramètres importants du cahier des charges ont été également extraits à savoir la capacité interbobinage où des capacités inférieures à quelques pF ont été obtenues et des résistances d’enroulement inférieures à 10 Ω ont été relevées / In aeronautics and more specifically in an all-electric aircraft, the main objective is to reduce the mass and volume of the components. For this, the electric actuators gradually replace hydraulic and mechanical actuators. These electric actuators need to be commanded; THOR project (European project supporting this thesis) aims to develop a control stage to command the power switches. The switches are located in the direct vicinity of the driver stage with an output voltage that can reach up to 3 kV hence the need for a galvanic isolation. Formerly, the opto-couplers were used to provide galvanic isolation in the control stages. However, in order to use these components in thermal constraining environment and ensure better integration, opto-couplers are no longer appropriate and are replaced by transformers. In this context, the main objective of this thesis is to develop, realize and characterize integrated planar transformers that meet the THOR specifications. At first a state of art on the different manufacturing technologies of planar transformers is established before choosing the technology and the materials used in the fabrication of our planar transformers. In a second step, we are interested in the choice and size of the transformer structure. Two structures that met the THOR specifications were selected and resized using a simulation software (HFSS). Finally, these two structures were realized and characterized using an RLC-meter at low frequency and a Vector Network Analyzer (VNA) at high frequency. For both structures, the characterization allowed to verified the magnetizing inductance greater than 1 μH desired by the THOR project and a coupling factor greater than 0,9 obtained par simulations. Other important parameters were also extracted namely the inter-winding capacity where less than few pF wasobtained and the windings resistance has been identified less than 10 Ω