Alimentation électrique des dispositifs de décharge à barrière

En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par :
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité :
Génie Électrique
Présentée et soutenue par :
M. XAVIER BONNIN
le mercredi 10 décembre 2014
Titre :
Unité de recherche :
Ecole doctorale :
ALIMENTATION ELECTRIQUE DES DISPOSITIFS DE DECHARGE A
BARRIERE DIELECTRIQUE
Génie Electrique, Electronique, Télécommunications (GEET)
Laboratoire Plasma et conversion d'Energie (LAPLACE)
Directeur(s) de Thèse :
M. HUBERT PIQUET
M. NICOLAS NAUDÉ
Rapporteurs :
M. ERIC LABOURE, SUPELEC
M. JEAN-MARIE CORMIER, UNIVERSITE D'ORLEANS
Membre(s) du jury :
2
M. ERIC LABOURE, SUPELEC, Membre
2
M. HUBERT PIQUET, INP TOULOUSE, Membre
2
M. LAURENT PECASTAING, UNIVERSITE DE PAU ET DES PAYS DE L ADOUR, Membre
2
M. NICOLAS NAUDÉ, UNIVERSITE TOULOUSE 3, Membre
2
M. PHILIPPE CUSSAC, CIRTEM LABEGE, Membre

2

Remerciements
Ce travail n’aurait pu s’accomplir convenablement sans l’aide précieuse de personnes
que je tiens à remercier très chaleureusement.
Je tenais tout d’abord à remercier les membres de mon jury. Je remercie Mr Jean-
Marie Cormier et Mr Éric Labouré d’avoir pris le temps d’examiner mon rapport de thèse
ainsi que pour les discussions fructueuses qui ont découlé de leurs remarques. Je remercie
également Mr Philippe Cussac et Mr Laurent Pécastaing d’avoir fait partie de mon jury
de soutenance.
Mes remerciements vont également à Mr Christian Laurent et Mr Maurice Fadel pour
m’avoir accueilli au sein du laboratoire LAPLACE. À Messieurs Xavier Roboam et Patrice
Raynaud pour m’avoir accueilli respectivement au sein des équipes G-ENESYS et MPP.
Le bon déroulement de ces trois années n’aurait été possible sans l’active participation
de mes directeurs de thèse : Mr Hubert Piquet et Mr Nicolas Naudé. Je tiens à vous
remercier pour vos précieux conseils, aussi bien dans le travail quotidien que lors de l’étape
moins agréable de la rédaction du rapport. Je garde un souvenir très positif de mon passage
au laboratoire LAPLACE.
Merci également à Éric Bru, Jean-Marc Blaquière et Sébastien Vinnac sans qui la
conception, la réalisation et la mise en œuvre des prototypes réalisés au cours de ma thèse
n’aurait été possible. Un grand merci pour votre aide et vos précieux conseils !
Au cours de mon doctorat j’ai eu la chance de travailler deux mois à l’université
Javeriana de Bogotá en Colombie. Je tenais ainsi à remercier le département qui m’a
accueilli ; en particulier je remercie Mr Rafael Diez pour son accueil chaleureux et pour
ses idées qui m’ont permis d’avancer dans mon travail. Muchas gracias à toi David pour ta
générosité, pour m’avoir hébergé et fait visiter ce beau pays. J’espère que l’on se reverra !
Ma gratitude va également à mes collègues du bureau E523 avec qui j’ai passé de
belles années. Zijian, Nico, Karim, Julio, Bang, Olivier et Alvaro : j’espère que cet esprit
d’entraide et cette super ambiance perdureront. Une pensée pour les autres membres du
laboratoire : Andallah, Mickael et les autres, merci pour ces bons moments.
Un immense merci à toi Virginie pour m’avoir supporté durant ces trois ans. Ton
affection, ton enthousiasme et ton optimisme sont pour moi un réel moteur. Le meilleur
reste à venir ;). Enfin je te remercie Yann, pour ton énergie débordante et le bonheur que
tu nous apporte au quotidien.
3

4

Résumé
Mots-clés :convertisseur statique - dbd - contrôle du courant - plasma - GaN -
traitement de surface - résonance - transformateur
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 œuvre 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 trai-
tement 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 élec-
trique. 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 fabri-
cation 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 alimenta-
tion résonante haute tension et haute fréquence permettant l’éviction du transformateur
élévateur, et mettant en œuvre des interrupteurs au nitrure de gallium (GaN) afin d’at-
teindre une fréquence de fonctionnement supérieure au mega-Hertz avec un faible niveau
de pertes.
5