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LABORATOIRE PLASMA ET CONVERSION D’ENERGIE UMR 5213 OFFRES DE STAGES MASTER-PFE DU LAPLACE 2018-2019 Université Paul Sabatier - Bât. 3R3 - 118, route de Narbonne - 31062 Toulouse cedex 9 (France) Tél. : (33) (0)5 61 55 68 48 - [email protected] INP ENSEEIHT - 2, rue Camichel - BP 7122 - 31071 Toulouse cedex 7 (France) Tél. : (33) (0)5 34 32 24 03 - [email protected] http://www.laplace.univ-tlse.fr

OFFRES DE STAGES MASTER-PFE DU LAPLACE 2018-2019

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Page 1: OFFRES DE STAGES MASTER-PFE DU LAPLACE 2018-2019

LABORATOIRE PLASMA ET CONVERSION D’ENERGIE UMR 5213

OFFRES DE STAGES

MASTER-PFE DU LAPLACE

2018-2019

Université Paul Sabatier - Bât. 3R3 - 118, route de Narbonne - 31062 Toulouse cedex 9 (France) Tél. : (33) (0)5 61 55 68 48 - [email protected]

INP ENSEEIHT - 2, rue Camichel - BP 7122 - 31071 Toulouse cedex 7 (France) Tél. : (33) (0)5 34 32 24 03 - [email protected]

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Les recherches menées au LAPLACE s’inscrivent dans le domaine de l’énergie électrique et des plasmas et couvrent un continuum d’activités qui englobe la production, le transport, la gestion, la conversion et l’usage de l’électricité. Dans leur traduction scientifique, ces recherches dont l’esprit général est l’ingénierie, sont bâties sur un socle de sciences physiques mais font souvent appel à d’autres disciplines nécessaires pour comprendre et concevoir des systèmes et des procédés. On peut dégager des activités existantes quelques thèmes principaux :

• l’étude comportementale des matériaux et la recherche de nouveaux matériaux pour le génie électrique, l’électronique de puissance ou l’électrotechnique.

• les études sur les plasmas créés par tout type de décharges et sur leurs applications. • la conception et la commande des composants, des dispositifs et systèmes de production, de

conversion, de traitement et de stockage de l’énergie électrique, ainsi que leur sûreté de fonctionnement.

L’énergétique et l’électromagnétisme sont aussi des composantes scientifiques fortes du laboratoire. Les domaines d’application des recherches concernent les transports, l’aéronautique et le spatial, l’environnement et l’énergie, la biologie et la santé.

Le laboratoire est structuré en 12 groupes de recherches qui participent chacun au triptyque plasma/matériau/système.

• AEPPT : Arcs Électriques et Procédés Plasmas Thermiques • CODIASE : COmmande et DIAgnostic des Systèmes Électriques • CS : Convertisseurs Statiques • DSF : Diélectriques Solides et Fiabilité • GENESYS : Groupe ENergie Électrique et SYStémique • GRE : Groupe de Recherche en Électromagnétisme • GREM3 : Groupe de Recherches en Électrodynamique, Matériaux, Machines et Mécanismes

Electroactifs • GREPHE : Groupe de Recherche Énergétique, Plasmas, et Hors Équilibre • LM : Lumière et Matière • MDCE : Matériaux Diélectriques dans la Conversion d’Énergie • MPP : Matériaux et Procédés Plasmas • PRHE : Plasmas Réactifs Hors Équilibre

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OFFRES DE STAGE LAPLACE 2018

Titre stage Electrom

agnétism

e

Energétiq

ue

Maté

riaux

Math

ématiq

ues Appliq

ués

Plasmas

Systèm

es Electr

iques

Groupe de recherche Responsable(s) Lieu Page

Modelling of microwave cavities used to generate plasma by time reversal technical

GRER. PerrusselH. Kaouach

site ENSEEIHT 1

Using microwave cavity to improve the performance of an antenna array

GREN. Raveu

H. Kaouach site ENSEEIHT 2

« Qualité » d’une cavité micro-onde pour les applications basées sur le retournement temporel (Improving the quality of µ-waves cavities used for reversal time applications)

GRER. Perrussel

N. RaveuH. Kaouach

site ENSEEIHT 3

Modélisation du comportement polaire d'un matériau isolant électrique sous contrainte thermo-électrique : application au polyimide

DSF / MDCES. Leroy

L. Laudebatsite UPS 4

Caractérisation à l'échelle nanométrique des propriétés de couches minces nanocomposites TiO2/SiO2 pour les applications dans les supercondensateurs

DSFC. Villeneuve-Faure

L. Boudousite UPS 5

Fabrication et caractérisation d’électrodes à base de nanofils métalliques

LM D. Buso site UPS 6

Compréhension des mécanismes de rupture diélectrique des céramiques utilisées en électronique de puissance

MDCEN. El Horr

Z. Valdez-NavaD. Malec

site UPS 7

Céramiques AlN à propriétés contrôlées pour les applications d’électronique de puissance

MDCED. Kenfaui

Z. Valdez-Navasite UPS 8

Analyse par FTIR du plasma de molécules complexes dans un réacteur plasma basse pression (ECR microonde – 1mTorr) - Corrélation avec la croissance et les propriétés des couches minces

MPP P. Raynaud site UPS 9

Modélisation d’un propulseur à courant de Hall à écrantage magnétique

GREPHE L. Garrigues site UPS 10

Dynamique de charge dans les plasmas en rotation GREPHE R. Gueroult site UPS 11

Étude des propriétés thermodynamiques et chimiques d’un plasma d’arc interne dans un appareillage de coupure électrique moyenne tension

AEPPTP. Teulet

F. Gentils (Schneider Electric)

site UPSet Schneider Electric

(Grenoble)12

Cartographie de la concentration en ozone produite dans un réacteur corona multi-pointes utilisé pour dépolluer des gaz ou des surfaces

PRHEG. Wattieaux O. Eichwald

site UPS 13

Caractérisation du transport électronique au travers d'un cusp magnétique dans un plasma froid hors équilibre

GREPHEF. GaboriauG. Fubiani

site UPS 14

Etude du module magnétique Ansys Maxwell AEPPTP. Freton

J-J. Gonzalezsite UPS 15

Etude expérimentale d’un arc électrique éclatant dans un liquide

AEPPTJ-J. Gonzalez

P. Fretonsite UPS 16

Page 4: OFFRES DE STAGES MASTER-PFE DU LAPLACE 2018-2019

Titre stage Electrom

agnétism

e

Energétiq

ue

Maté

riaux

Math

ématiq

ues Appliq

ués

Plasmas

Systèm

es Electr

iques

Groupe de recherche Responsable(s) Lieu Page

Simulation de DBD homogène à la pression atmosphérique

MPP H. Caquineau site UPS 17

Étude des interactions entre une alimentation et une décharge à barrière diélectrique

GENESYSH. Piquet

B. Cailler (INU Albi)site ENSEEIHT

INU Albi18

Circuit intégré CMOS pour la génération de temps morts adaptatifs dans le contexte des transistors MOSFET SiC haute tension sans diode de roue libre

CS N. Rouger site ENSEEIHT 19

Conception et caractérisation de composants de puissance en diamant pour l'électronique de puissance

CS N. Rouger site ENSEEIHT 20

Commande par optimisation linéaire en ligne de convertisseurs statiques à grand nombre d’interrupteurs sur carte FPGA

CODIASEJ. RegnierM. Fadel

site ENSEEIHT 21

Evaluation de différentes topologies de conversion d'énergie dans le cadre d'une application photovoltaique connectée au réseau électrique

CODIASE

M. FadelT. Rachmilda (Institut

Technologique de BANDUNG - Indonésie)

site ENSEEIHTet Institut

Technologique de BANDUNG (Indonésie)

22

Optimisation du dimensionnement et de l'engagement de production électrique à J-1 d'une centrale éolienne avec stockage

GENESYSB. Sareni

X. Roboamsite ENSEEIHT 23

Participation des sources d'énergie renouvelable aux services système du réseau

GENESYSN. Roux

X. Roboamsite ENSEEIHT 24

Réalisation du Contrôle Numérique Décentralisé pour Convertisseur Parallèle Multiphase

CSG. Gateau

M. Mannes-Hillesheimsite ENSEEIHT 25

Etude d’une Structure de Conversion Multiniveaux type « Common Flying Capacitor »

CS G. Gateau site ENSEEIHT 26

Modélisation et conception de moteur à bobinage fractionnaire à haute puissance massique. Prise en compte de l'aspect thermique

GREM3

Y. LefevreM. Fenot (École nationale supérieure de mécanique

et d'aérotechnique ENSMA)

site ENSEEIHT 27

Conception de bobinage et décharge partielle GREM3Y. LefevreD. Malec

site ENSEEIHT 28

Enhancement of Heat Pipe robustness by SMA GREM3

F. PigacheM. Miscevic

F. Lechenault (Laboratoire de Physique

Statique)

site ENSEEIHT(et LPS Cachan)

29

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Laboratoire plasma et conversion d’énergie Offres de stages 2018-2019

1

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2018 / 2019

Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Modelling of microwave cavities used to generate plasma by time reversal technical

Contexte : The time reversal (TR) technical is a physical process used since 1990 in different areas of the electromagnetic spectrum. The TR is widely used in medical treatment [1] and acoustic. This technical consists to propagate the waves in reverse way in the aim to focus the energy in the primary source's point (original feed). According to the application of interests, the TR can be realised in two or three phases. For our application, there are two phases: registration and focalisation. For high RF energy level, a microwave cavity must be used to trap the energy and improve the focalisation quality. This process permits to transfer the energy to the electrons and generate a localised plasma (in space & in time).

Les trois phases pour la détection d'une inclusion par le retournement temporel [1]

In the aim to understand in detail what is happening in the cavity during the focalisation phase of the TR process, it is interesting to survey the EM field evolution in real time. However, once the plasma is ignited, the access to these informations (EM field evolution) is required for controlling the plasma position. Sujet : The selected student will start this project by a learning phase that consists to understand the used method (FDTD: Finite Difference in Time Domain) and also to be familiar with the already developed 2D code. Subsequently, She/He will improve this code version by taking in account the metallic losses (borders of the cavity) and obstacles (defined shapes) that can be putted inside the cavities. An important intention should be focussed on the numerical dispersion and its impact on the results (focalisation quality). Once the 2D version of the code is completed and validated, She/He will develop a 3D version in the aim to validate some of the measurement results already done in our lab (thesis project of V. Mazières, started 2017). The complete 3D code can be used as a numerical simulator (tool) to realize some interesting studies (such as parametric study) and quantify the impacts of the different freedom parameters. In the end of the project, the results can be valorized by a scientific publication with the financial support of the lab.

Profil recherché : Student in Master 2 - Engineer student in 3rd year (PFE)

Connaissances requises : Electromagnetic, microwave cavity, Propagation, Numerical method, FDTD

Responsable(s) :

Ronan PERRUSSEL : [email protected], 05 34 32 23 89 Hamza KAOUACH : [email protected], 05 34 32 24 06

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site ENSEEIHT Équipe GRE Possibilité de poursuite en thèse : ASAP

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Laboratoire plasma et conversion d’énergie Offres de stages 2018-2019

2

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2018 / 2019

Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Using microwave cavity to improve the performance of an antenna array

Contexte : Transmit-Arrays (i.e. discrete lens antennas) are based on similar concepts as for reflect-arrays [1], except that they operate in a transmission mode [2] rather than reflection. The typical configuration of transmit-arrays operating in transmission mode is schematized in Fig. 1. The transmit-arrays provide additional variables which can be used to control and shape the pattern of the radiation pattern. They are more versatile and can provide more symmetrical patterns with lower side lobes. In addition, they can be used to scan the main beam of the antenna toward any point in space. To be an excellent candidate for satellite and nanosat applications, two critical problems must be solved. The two problems are i) spill-over loss 2-3 dB and ii) power efficiency 50-60 %. The low level of power (radiation) efficiency makes this antenna bad candidate compared to the antennas currently used for space applications, such as horn antenna. The spill-over loss of this antenna reduces the power efficiency and impacts the electronic circuits placed near it, specially in the case of CubeSat.

The idea consists to use a metallic cavity in the aim to solve these problems. In this case, the main challenge is the ability to improve the coupling between the cavity (RF power source) and the unit cells (elementary cells). [1] D. Pozar, S. Targonski, “Design of millimeter wave microstrip reflect-arrays,” IEEE Trans. Ant. Propag., vol. 45, no. 2, pp. 287–295, 1997. [2] H. Kaouach, A. Kabshi “Simple Tri-Layer Linearly Polarized Discrete Lens Antenna with High-Efficiency for mmWave Applications”, IEEE Antennas

and Wireless Propag. Letters, vol. 15, pp. 259-262, 2015. Sujet : The different tasks during this research project can be listed as follow:

- A state of art about the radiating cavities, - Study and comprehension of the operating principle of the proposed design, - Design of a metallic cavity for a compact design, - Improving the coupling between the designed cavity and the radiating elements (unit cells), - Simulation of the global antenna (cavity with radiating elements) and comparison with the transmit-arrays in terms of

radiation performance.

Profil recherché : Student in Master 2 - Engineer student in 3rd year (PFE)

Connaissances requises : Electromagnetic, Antenna design, Propagation, ANSYS HFSS

Responsable(s) :

Nathalie RAVEU : [email protected], 05 34 32 23 82 Hamza KAOUACH : [email protected], 05 34 32 24 06

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site ENSEEIHT Équipe GRE Possibilité de poursuite en thèse : ASAP

Principle of a transmit-array antenna [2]

Page 7: OFFRES DE STAGES MASTER-PFE DU LAPLACE 2018-2019

Laboratoire plasma et conversion d’énergie Offres de stages 2018-2019

3

http://www.laplace.univ-tlse.fr

2018 / 2019

Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : « Qualité » d’une cavité micro-onde pour les applications basées sur le retournement temporel ( Improving the quality of µ-waves cavities used for reversal time applications )

Contexte :

Le retournement temporel (RT) est un procédé utilisé depuis les années 1990 dans différents domaines où intervient une équation d'ondes. Le RT fait revivre aux ondes leur parcours en sens inverse afin de les focaliser précisément à la source qui leur a donné naissance. On retrouve ce procédé notamment dans les applications suivantes : la détection d’objets, détection de source sismiques [1], le traitement médical [2].

Ceci peut être réalisé avec une unique antenne mais il est alors nécessaire de considérer une cavité réverbérante pour obtenir la focalisation par RT. Les propriétés spectrales de la cavité sur la bande de fréquences d'intérêt jouent alors un rôle fondamental pour l'efficacité (la qualité) du retournement temporel. Ce concept appliqué en micro-ondes dans un milieu plasma, permettrai de transférer localement de l’énergie aux électrons et ainsi de générer un plasma localisé dans l’espace et dans le temps. Dans le cadre de cette application, une cavité micro-onde (thèse de Valentin Mazières, LAPLACE) est utilisée pour réaliser le RT, nous nous proposons ici d’en améliorer les performances en jouant sur la forme, le type de parois (des méta-matériaux) ou en ajoutant des obstacles.

Sujet : Le stagiaire étudiera les différentes méthodes permettant de qualifier et d’améliorer les propriétés spectrales d'une cavité résonante micro-onde. Parmi les solutions possibles pour l'amélioration, l’ajout de métamatériaux sur les parois sera identifié et qualifié en regard des autres techniques. Les métamatériaux à implanter dans la cavité seront obtenus par une analyse analytique des modes de résonance dans cette cavité par la Théorie Modale Elargie [3-4] et une qualification de la cavité sous cette contrainte. Une méthode numérique pour la détermination des modes propres à l'aide du calcul d'une intégrale de contour [5] sera également mise en œuvre pour être capable de qualifier une large gamme de cavités (quels que soient les matériaux et la géométrie).

A la fin de ce stage, les travaux effectués pourront être valorisés par une publication scientifique.

[1] M. Shustak, E. Landa “Time reversal for wave refocusing and scatterer detection using machine learning,” Geophysics journal, Volume 83, Number 5, 2018. [2] Kosmas, C. M. Rappaport, E. Bishop “Time Reversal with the FDTD Method for Microwave Breast Cancer Detection,” EEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 53, pp. 2317-2323, 2005. [3] N. Raveu, B. Byrne, L. Claudepierre, N. Capet, “Modal Theory for waveguides with anisotropic surface impedance boundaries,” IEEE Trans on MTT, 2016, vol. 64, issue 4, pp. 1153-1162. [4] L. Kuhler, G. Le Fur, L. Duchesne, N. Raveu, “The propagation characteristic of 2-D metamaterial waveguide using the Modal Expansion Theory,” IEEE Trans on MTT, 2018, vol. 66, issue 10, pp. 4319-4326. [5] W.-J. Beyn, “An integral method for solving nonlinear eigenvalue problems,” Linear Algebra and its Applications, 436:3839 - 3863, 2012.

Profil recherché : BAC +5 (master M2, élève ingénieur en 3ème année) Formation théorique et pratique en électromagnétisme et microondes.

Connaissances requises : Electromagnétisme, cavité micro-onde, Propagation, Méthode numérique, FDTD

Responsable(s) :

Ronan PERRUSSEL : [email protected], 05 34 32 23 89 Nathalie RAVEU : [email protected], 05 34 32 23 82 Hamza KAOUACH : [email protected], 05 34 32 24 06

Lieu du stage et conditions particulières :

LAPLACE site ENSEEIHT Équipe GRE

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Laboratoire plasma et conversion d’énergie Offres de stages 2018-2019

4

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2018 / 2019

Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Modélisation du comportement polaire d'un matériau isolant électrique sous contrainte thermo-électrique : application au polyimide

Contexte :

La connaissance de la répartition du champ électrique dans les diélectriques solides, qu'ils soient utilisés comme isolants dans les technologies HVDC (high voltage direct current), dans des composants de l'électronique de puissance ou de la microélectronique, continue à être un enjeu majeur dans le choix des matériaux et l'optimisation des systèmes de nos jours au vu des évolutions en terme de niveaux de tension ou de température. L’augmentation du champ électrique peut entrainer la rupture diélectrique de l'isolant et ainsi affecter la fiabilité de l’ensemble du système. Ces diélectriques, soumis à des contraintes électriques et thermiques, peuvent accumuler des charges dans leur volume, rendant encore plus difficile l'estimation du champ électrique en tout point du matériau. Cette connaissance est d'autant plus importante qu'elle semble en lien avec le vieillissement prématuré du matériau. L’objectif du stage est de prendre en compte les contraintes thermoélectriques afin d’améliorer les modèles déjà développés afin de mieux appréhender le vieillissement des matériaux et fiabiliser les systèmes.

Sujet : Il s’agira dans un premier temps, de bien comprendre le contexte et les limites des caractérisations et des modèles utilisés pour les matériaux. De mettre l’accent sur l’importance du modèle de la permittivité et de sa caractérisation en fonction de la contrainte expérimentale (champ, température, temps/fréquence). Pour cela une campagne de mesures de la réponse polaire d'un matériau isolant électrique, par spectroscopie diélectrique sera menée. Le matériau choisi est un polyimide. Une approximation de cette réponse fréquentielle par une/des relaxations de type Cole/Cole sera ensuite effectuée, afin d'avoir une réponse continue et échantillonnable. L'implémentation de cette variable ε(t) dans un modèle de transport de charges, afin de valider le modèle sous contrainte électrique seule sera effectuée. Et enfin, l'utilisation d’un outil mathématique déjà développé, nous permettra d'ajouter la contrainte thermique à la contrainte électrique, pour valider le modèle sous multi-contraintes.

Profil recherché : Candidat(e) avec une formation dans le domaine du génie électrique, de la physique appliquée et/ou matériaux.

Connaissances requises : Une bonne connaissance en matériaux et un intérêt pour la modélisation, une aisance dans des notions générales de la simulation numérique (Matlab) sera un plus. L’autonomie, la curiosité et un esprit critique seront appréciés.

Responsable(s) : Séverine LE ROY : [email protected], 05 61 55 73 02 Lionel LAUDEBAT : [email protected], 05 61 55 62 01

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site UPS - 3R3 Équipes DSF et MDCE Possibilité de poursuite en thèse : non pas sur ce sujet

Page 9: OFFRES DE STAGES MASTER-PFE DU LAPLACE 2018-2019

Laboratoire plasma et conversion d’énergie Offres de stages 2018-2019

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2018 / 2019

Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Caractérisation à l'échelle nanométrique des propriétés de couches minces nanocomposites TiO2/SiO2 pour les applications dans les supercondensateurs

Contexte :

Les oxydes de titane (TiO2), du fait de leur forte permittivité (50- 100), présentent un intérêt pour les oxydes de grille de nouvelle génération et les condensateurs à forte densité de stockage de charges. Leur principale limitation est des courants de fuite trop importants dont l’origine est liée à la valeur du gap (Eg~3.1 eV) et à la morphologie colonnaire des dépôts en couches minces. Ce phénomène peut être contourné par l’ajout de SiO2. On peut ainsi disposer de leviers pour ajuster les propriétés des nanocomposites TiO2/SiO2 ainsi élaborés. En effet, le SiO2 possède une faible permittivité relative (environ 4) mais reste un des meilleurs isolants utilisés pour les applications en microélectronique. La stratégie proposée pour développer des matériaux plus performants consiste donc à élaborer des oxydes de titane et de silicium, aux propriétés électriques modulables (permittivité, conductivité) en fonction de la composition.

Sujet : Le stage sera réalisé dans le cadre d'une collaboration avec l'Institut des Matériaux de Nantes (IMN). Les couches minces nanocomposites TiO2/SiO2 seront élaborées à l'IMN et caractérisées au Laplace. Ces couches étant formées de domaines de tailles nanométriques, leur caractérisation sera réalisée à l'aide de la Microscopie à Force Atomique. L'objectif du stage porte donc sur l'étude des propriétés électriques à l'échelle nanométrique des couches minces de TiO2/SiO2. Plus particulièrement, il conviendra d'étudier l'influence de la permittivité diélectrique (à l'échelle macroscopique et locale) sur les phénomènes d'injection locale de charges électriques. Le stage se déroulera en deux temps. Tout d'abord l'injection locale de charges sera étudiée expérimentalement par Microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). Puis, les résultats obtenus seront interprétés au regard des caractérisations structurales (IMN) et des mesures de permittivité (Laplace).

Profil recherché : Le candidat devra être étudiant en master science des matériaux ou génie électrique avec des connaissances en physique des matériaux. Un fort intérêt pour l’expérimentation est souhaité.

Connaissances requises : Physique des matériaux

Responsable(s) : Christina VILLENEUVE-FAURE : [email protected], 05 61 55 84 10 Laurent BOUDOU : [email protected], 05 61 55 73 26

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site UPS Équipe DSF Possibilité de poursuite en thèse : Non

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Laboratoire plasma et conversion d’énergie Offres de stages 2018-2019

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2018 / 2019

Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Fabrication et caractérisation d’électrodes à base de nanofils métalliques

Contexte :

Dans le cadre de ses activités sur l’électronique organique, l’équipe de recherche Lumière et Matière développe des transistors organiques émetteurs de lumière (OLETs). Les travaux actuels sont notamment orientés vers l’étude d’une architecture dite « transistors verticaux ». Pour fonctionner correctement ces composants nécessitent la mise en œuvre d’une électrode perforée nano-structurée. Outre la nano-structuration, l’électrode doit être transparente dans la gamme du visible pour laisser passer le rayonnement produit par le transistor et son procédé de fabrication et de dépôt doit être compatible avec la couche de diélectrique sous-jacente. Plusieurs méthodes sont envisagées pour réaliser cette électrode. On peut notamment citer la lithographie par nano-impression, les maillages à base de nanotube de Carbonne et enfin les films de nanofils métalliques (Au/Ag). Cette dernière solution offre l’avantage d’être peu couteuse tout en conservant de très bonnes performances. Le dépôt en solution de nanofils métalliques peut se faire de différentes manières : impression jet d’encre, spin-coating, drop casting, spray coating ou encore par dip coating. La technique utilisée ainsi que la phase de dépôt est critique pour obtenir des caractéristiques (résistivité, transparence, épaisseur, rugosité, « fill factor », …) compatibles avec l’application visée.

Sujet : Il est proposé au stagiaire de réaliser et de caractériser des électrodes nanostructurées à base de nanofils métalliques. Le dépôt se fera par « spin coating ». Il s’agira notamment d’évaluer l’influence des paramètres de dépôt, de recuit et d’un éventuel post traitement (mécaniques, chimiques, lumineux,…) sur les caractéristiques de l’électrode. Le stagiaire utilisera les moyens de caractérisation disponibles au laboratoire : source mètre pour les mesures électriques, spectrophotomètre pour les mesures de transparence, MEB et AFM pour les mesures structurelles. Dans un deuxième temps, si les caractéristiques obtenues sont compatibles avec l’application visée, le stagiaire intègrera l’électrode réalisée dans une structure « transistor vertical » et en réalisera la caractérisation.

Profil recherché : Étudiant en école d’ingénieurs et/ou master 2 avec forte composante en micro/nanofabrication.

Connaissances requises : Il est également souhaitable que le candidat ait des connaissances dans au moins un de ces domaines : Electronique organique, Dépôt de couche mince, matériaux pour le génie électrique

Responsable(s) : David BUSO : [email protected], 05 61 55 65 06

Lieu du stage et conditions particulières :

LAPLACE site UPS Équipe LM Possibilité de poursuite en thèse : Oui

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Laboratoire plasma et conversion d’énergie Offres de stages 2018-2019

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2018 / 2019

Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Compréhension des mécanismes de rupture diélectrique des céramiques utilisées en électronique de puissance

Contexte :

Le domaine de l'électronique de puissance est un domaine en perpétuelle progression dans les applications ferroviaires, avioniques, navales et automobiles. Les progrès dans ce domaine ont eu lieu par l'émergence de nouveaux composants de puissance, plus performants et plus compacts, qui sont assemblés sur des substrats céramiques dans des modules de forte puissance. Actuellement une des principales préoccupations dans ce domaine est de comprendre l'origine des défaillances de ces modules pour augmenter leur niveau de fiabilité. Il s'agit de déterminer si ces défaillances sont de nature diélectrique (rupture diélectrique de l'encapsulant, du substrat), mécanique (rupture de fils de connection, rupture du substrat) ou thermique (points chauds, délamination-fissuration par cyclage,…). Ce type d'étude fait partie des activités du groupe MDCE (Matériaux Diélectriques dans la Conversion de l'Energie) au Laplace et ce stage concerne l'étude d'une catégorie de défaillance du module d'électronique de puissance liée à la rupture diélectrique de son substrat céramique.

Sujet : Les phénomènes physiques qui dominent le comportement diélectrique des matériaux céramiques sont mal connus jusqu'à présent. Leur compréhension est importante pour pouvoir mieux concevoir et réduire les défaillances des modules d'électronique de puissance. Des travaux visant à expliquer la rupture diélectrique des céramiques ont été effectués au Laplace au sein du groupe MDCE. Ils ont concerné l’effet de contraintes ou de précontraintes mécaniques sur la rupture diélectrique de l’Alumine, un matériau très utilisé pour la conception de substrats. Ils ont donné des résultats intéressants qui confortent l'hypothèse suivante : la rupture diélectrique de l’Alumine pourrait être d’origine électromécanique et pourrait être engendrée par la propagation de fissures préexistantes sous l’effet du champ électrique. L'objectif de ce stage est donc de poursuivre et d'approfondir les travaux qui ont été réalisés au sein du Laplace et d'avancer dans la compréhension des mécanismes de rupture diélectrique de ce matériau. Le travail demandé va consister à étudier le comportement diélectrique de l'Alumine sous l'effet de diverses contraintes (mécaniques, électriques et électromécaniques) et à effectuer des études concernant la microstructure des échantillons étudiés. En effet, la microstructure pourrait avoir des effets importants sur les propriétés mécaniques et le comportement diélectrique de ce matériau. Pour pouvoir réaliser ce stage, tous les moyens expérimentaux disponibles au Laplace et ayant déjà servi à des études antérieurs seront mis à profit. Parmi ces moyens, nous citons : un banc de mesure (développé au Laplace) capable d'appliquer d’une façon simultanée une contrainte mécanique et un champ électrique lors d'un essai de rupture diélectrique.

Profil recherché : Master EEA ou Master en physique expérimentale ou Master en science des matériaux

Connaissances requises : Des notions sur la programmation et interfaçage d'équipements de mesure serait appréciables

Responsable(s) : Nahida EL HORR : [email protected], 05 62 25 82 60 Co-encadrant Zarel VALDEZ-NAVA : [email protected], 05 61 55 83 87 Co-encadrant David MALEC : [email protected], 05 61 55 62 60

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site UPS - Bât 3R3 Équipe MDCE Possibilité de poursuite en thèse : Recherche de financement en cours

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Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Céramiques AlN à propriétés contrôlées pour les applications d’électronique de puissance

Contexte :

Les céramiques de nitrure d’aluminium (AlN) se placent avantageusement pour les applications d’électronique de puissance haute tension – haute température en raison de leur conductivité thermique élevée et de leurs bonnes propriétés diélectriques et mécaniques. Cependant, le contrôle de la conductivité électrique de ces matériaux est une voie envisagée pour améliorer les performances des systèmes d’isolation à base d’AlN utilisés dans les modules électronique de puissance. Cela requiert le développement de céramiques AlN comprenant des ajouts conducteurs. Aux laboratoires LAPLACE et CIRIMAT à Toulouse, nous avons récemment mis en œuvre une approche expérimentale qui consiste à incorporer, simultanément, dans ces matériaux, des ajouts conducteurs et oxydes (Ex. Y2O3) en vue de modifier leur conductivité électrique et de maintenir leur conductivité thermique élevée, respectivement.

Sujet : Dans le cadre de développement de ces céramiques AlN à propriétés contrôlées, nous proposons un stage qui comporte les volets suiavnts : I. Elaboration de céramiques AIN à conductivité électrique contrôlée Le (ou les) stagiaire(s) contribuera à optimiser les conditions de dispersion des précurseurs, à synthétiser les mélanges de poudres et à élaborer des céramiques AlN/ajouts par le frittage flash SPS (Spark Plasma Sintering). Il contribuera également aux caractérisations physicochimiques et microstructurales de ces matériaux et la mesure de leur conductivité électrique. Ces travaux se dérouleront aux laboratoires LAPLACE et CIRIMAT II. Etude des propriétés physiques de céramiques AlN/Ajouts Le (ou les) stagiaire(s) contribuera à effectuer des compagnes de mesure des propriétés électriques, thermiques et diélectriques de céramiques AlN/ajouts élaborées. Il étudiera la dépendance de ces propriétés à la fréquence et à la température dans des gammes respectives de 0,1 - 106 Hz et 20 - 350°C. Il évaluera également l’apport des ajouts incorporés dans les céramiques AlN dans les mécanismes de conduction électrique sous fort champ et la relation microstructure avec leur réponse diélectrique en large bande et température. Cette partie du stage se déroulera au laboratoire LAPLACE.

Profil recherché : Chimie, matériaux, mesures physiques ou génie électrique

Connaissances requises : Sciences des matériaux Procédés d'élaboration de céramiques Caractérisations microstrcturales et physicochimique Mesures électriques et thermiques

Responsable(s) : Driss KENFAUI : [email protected], 05 61 55 89 37 Zarel VALDEZ : [email protected], 05 61 55 83 87

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site UPS - Bât 3R3 Équipe MDCE Possibilité de poursuite en thèse : Non

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Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Analyse par FTIR du plasma de molécules complexes dans un réacteur plasma basse pression (ECR microonde – 1mTorr) - Corrélation avec la croissance et les propriétés des couches minces

Contexte :

Des recherches récentes concernant l’élaboration de couches minces optiques sur des substrats 2D et 3D ont été menées au Laboratoire LAPLACE dans le cadre du laboratoire Commun Pixcell (en partenariat avec Essilor). Ces études nous ont amené à travailler avec des précurseurs organométalliques (A base de Titane) et organosiliciés en plasma basse pression micro-onde. En dehors des propriétés optiques (indices de réfraction et coefficient de transmission) qu’il fallait maîtriser est apparue la notion de mode de croissance des couches. En effet suivant les conditions d’élaboration nous avons constaté qu’il était possible d’obtenir une croissance couche par couche ou bien une croissance tridimensionnelle (nano poteaux, …). Ceci a de très grandes conséquences sur les propriétés finales du matériau élaboré : optique, mécanique, barrière, électrique, … pour des applications dans les domaines tels que l’énergie solaire thermique à concentration ou photovoltaïque, les membranes, l’optique ophtalmique, l’emballage, l’aéronautique, le collage, etc etc . Il s’agit ici de déterminer et de comprendre le mode de dissociation d’un précurseur organométallique ainsi que le mode de croissance des couches minces nanométriques (100 à 200 nm) de type TiO2 et TiOxCyHz en fonction des paramètres expérimentaux (P° totale, puissance injectée dans le plasma, type de précurseur, polarisation du substrat, type substrat, température, temps de résidence, …) et de corréler les résultats avec les propriétés finales des films minces obtenues concernant les applications membranaires et solaires. Il est aussi possible de contrôler le mode de croissance par l’adjonction d’un monomère organosilicié en plus de l’organométallique initial. L’étude des phénomènes dans la phase plasma est donc une étape primordiale dans la compréhension des mécanismes de croissance et des propriétés finales.

Sujet : Ainsi, dans le cadre de ce projet (« PLASMECO ») financée par la région Occitanie, une plateforme de caractérisation des plasmas de monomères complexes par FTIR (Infrarouge à Transformée de Fourier) est mise en œuvre et sera le nouvel outil utilisé pendant le stage. Il s’agit d’un réacteur très basse pression (ECR microonde – 1mTorr)) dédié à l’analyse du plasma et équipé d’un système d’analyse du plasma par FTIR in situ Multipassage de très haute sensibilité, d’un spectromètre de Masse, d’une Sonde de Langmuir et de d’OES. Ainsi en fonction des monomères utilisés (pendant le stage : TTIP et HMDSO), l’analyse de la phase plasma (dissociation des molécules mères, détection de nouvelles espèces) par spectrométries IR et MS est envisagée afin de comprendre les corrélations entre la phase plasma et les propriétés finales des couches obtenues dans ce réacteur ou un des réacteurs équivalents à disposition dans le groupe de recherche. D’autre part, comme la plateforme sera opérationnelle depuis peu (fin 2018), le stagiaire sera très impliqué dans sa mise en œuvre, ses réglages et son optimisation.

Profil recherché : Personne pouvant devenir rapidement autonome et très impliquée sur le plan expérimental dans le domaine de l’analyse des plasmas et des couches minces « In et ex-situ » ainsi que dans le domaine des dépôts plasma basse pression. Un goût prononcé pour la compréhension des phénomènes physiques et physico‐chimiques ainsi que pour les procédés et les diagnostics sera déterminant.

Connaissances requises : Plasmas, Diagnostics, Matériaux, Couches minces, et propriétés des Surfaces et Motivation

Responsable(s) : Patrice RAYNAUD : patrice [email protected], 05 61 55 84 77 - Portable : 06 86 00 56 19 L’encadrement du stagiaire se fera conjointement par Patrice Raynaud (DR2 – CNRS) et un post doct.

Lieu du stage et conditions particulières :

LAPLACE site UPS – Bât 3R3 Équipe MPP Possibilité de poursuite en thèse : Oui

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Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Modélisation d’un propulseur à courant de Hall à écrantage magnétique

Contexte :

Les Propulseurs de Hall (PH) sont des décharges de type ExB dans lesquelles des électrons magnétisés génèrent un plasma dans un canal dont les parois sont en céramique et dont les ions fortement accélérés par le champ électrique fournissent la poussée. Ces propulseurs sont couramment utilisés pour le maintien à poste des satellites de télécommunications placés en orbite géostationnaire. Afin de s’affranchir de l’utilisation de propulseurs chimiques, les satellites du futur vont embarquer des PH de plus forte puissance afin d’assurer également la mission de transfert d’orbite. D'autre part, de moteurs de petites dimensions sont aussi à l'étude pour compenser la force de trainée agissant sur les satellites en orbite basse. Quelque soit la mission, les interactions entre les ions de la décharge et les parois du PH sont un facteur limitant la durée de vie du PH. Une nouvelle configuration du PH avec écrantage magnétique a été proposée aux Etats Unis et revistée par le laboratoire ICARE à Orléans sur des moteurs de petites tailles. Le but recherché est de limiter les interactions entre le plasma et les parois du moteur pour réduire les interactions ion-paroi et augmenter ainsi la durée de vie du PH.

Sujet : Le stagiaire se familiarisera d’abord avec le modèle hybride développé au Laplace pour des configurations standards de fonctionnement des PH. Il adaptera le modèle hybride existant afin de modéliser le fonctionnement du PH à écrantage magnétique. Il comparera les résultats aux mesures effectuées pour divers points de fonctionnement testés au laboratoire ICARE dans le moyen d’essais NExET début 2019.

Profil recherché : stage de 6 mois, niveau Master 2/3ème année école d’Ingénieur

Connaissances requises : programmation fortran, base en physique des plasmas

Responsable(s) : Laurent GARRIGUES : [email protected], 05 61 55 81 42

Lieu du stage et conditions particulières :

LAPLACE site UPS, Bât 3R2 Equipe GREPHE Possibilité de poursuite en thèse : demande en cours

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Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Dynamique de charge dans les plasmas en rotation

Contexte :

Les phénomènes de rotation dans les plasmas magnétisés, et plus particulièrement les propriétés de confinement associées à la rotation, ouvrent la voie à différentes applications. Au cours des dernières années, les plasmas en rotation ont notamment été mis en avant afin de proposer des configurations alternatives prometteuses pour la fusion par confinement magnétique ou encore pour développer des techniques de séparation par plasma.

Sujet : Un point commun à ces applications est le besoin de produire une rotation du plasma. Diverses méthodes ont été proposées pour cela, notamment l'utilisation de configurations dites de champs croisés, de champs magnétiques tournants (figure ci-dessous) ou encore d'ondes résonantes. On s'intéressa dans le cadre de ce stage aux possibilités offertes par un champ électrique oscillant, et on s'appuiera pour cela sur la compréhension et modélisation de la dynamique de particules chargées dans cette configuration. On s'attachera en particulier à évaluer comment ces résultats varient en fonction du rapport entre la fréquence de ce champ électrique et les fréquences propres d'un plasma magnétisé. Ces résultats seront comparés aux méthodes proposées à ce jour.

Champ magnétique tournant et exemple de dynamique ionique dans cette configuration.

Profil recherché : Master plasma/simulation numérique/physique fondamentale/énergétique ou formation ingénieur.

Connaissances requises : Electrodynamique - résolution équations différentielles ordinaires - physique des plasmas - méthdoes numériques

Responsable(s) : Renaud GUEROULT : [email protected], 05 61 55 62 43

Lieu du stage et conditions particulières :

LAPLACE site UPS Équipe GREPHE Possibilité de poursuite en thèse : probable, à confirmer

x-2 -1 0 1 2

y

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Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Étude des propriétés thermodynamiques et chimiques d’un plasma d’arc interne dans un appareillage de coupure électrique moyenne tension

Contexte :

De nombreux appareillages de distribution de l’énergie électrique utilisent l’hexafluorure de soufre (SF6) comme gaz de remplissage et d’isolement. Le SF6 a toutefois été désigné comme l’un des principaux gaz responsable de l’effet de serre depuis le protocole de Kyoto (1997). Le « Pouvoir de Réchauffement Global » (ou PRG) du SF6 est égal à 22200 : le rejet d’une tonne de SF6 dans l’atmosphère est donc équivalent en terme d’effet de serre à l’émission de 22200 tonnes de CO2. L’un des verrous technologiques actuels concerne donc le remplacement de l’hexafluorure de soufre par un gaz ayant une empreinte écologique moindre. Dans ce contexte, la société Schneider Electric a développé de nouveaux appareillages pour lesquels le SF6 a été remplacé par un gaz alternatif présentant des qualités diélectriques équivalentes à celles de l’hexafluorure de soufre mais ayant un plus faible impact écologique. Ces nouveaux dispositifs nécessitent toutefois des études complémentaires afin de s’assurer qu’ils respectent les normes en vigueur, notamment pour la protection des personnes en cas d’apparition d’un arc de défaut interne.

Sujet : Le nouveau gaz utilisé par Schneider Electric est composé à partir des constituants atomiques élémentaires H, F et C. La première partie du travail à réaliser dans le cadre de ce stage va concerner le calcul de la composition chimique du plasma en fonction de la pression et de la température, ainsi que la détermination des propriétés thermodynamiques du mélange plasmagène (densité de masse, énergie interne, enthalpie et chaleurs spécifiques à pression et volume constants). La seconde partie du stage sera dédiée à l’étude de la chimie du plasma de mélange H, F, C en présence d’aluminium (provenant de l’érosion de parties métalliques internes), afin d’analyser la réactivité entre le fluor et l’aluminium, et de déterminer l’énergie éventuellement dégagée par ces réactions chimiques. Au final, l’objectif général de ces travaux sera d’interpréter les montées en pression observées au sein de l’appareillage électrique en présence d’un arc interne, comparativement (au moins qualitativement) avec les cas d’appareillages remplis avec de l’air ou du SF6.

Profil recherché : Etudiant en master ou élève ingénieur, formation en plasma, physique appliquée, génie électrique.

Connaissances requises : Sans que cela soit obligatoire, des connaissances en programmation (C, Fortran, …) seraient utiles.

Responsable(s) : Philippe TEULET : [email protected], 05 61 55 82 21 François GENTILS : [email protected]

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site UPS - Le stage se déroulera principalement au laboratoire LAPLACE. Plusieurs visites au sein de la société Schneider Electric à Grenoble seront également réalisées pendant le déroulement du stage. Équipe AEPPT Possibilité de poursuite en thèse :

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Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Cartographie de la concentration en ozone produite dans un réacteur corona multi-pointes utilisé pour dépolluer des gaz ou des surfaces

Contexte :

Les réacteurs corona (voir image ci-dessous) sont utilisés dans le cadre de recherches appliquées pour la dépollution de gaz et de surfaces. A titre d'exemple, ces réacteurs à plasma froids pourraient s'avérer efficace dans le traitement des plaques de cire d'abeille polluées par des produits phytosanitaires tels que les néonicotinoïdes et d'autres pesticides rémanents. L’ozone est très souvent une espèce clé dans ce genre de procédé et est un traceur de la production de radicaux primaires (ROS) durant les phases de décharge. Augmenter son efficacité de production et mieux comprendre sa formation au sein de ces réacteurs sont donc deux enjeux importants.

Sujet : Pour répondre à ces objectifs, le diagnostic du suivi de la production d'ozone sera réalisé par spectroscopie d’absorption UV résolue spatialement et temporellement avec une caméra intensifiée et une LED émettant dans l’UVC. L’évolution temporelle et spatiale de la production d’ozone dans une décharge couronne sera ainsi déterminée pour différentes conditions expérimentales (mélanges et flux de gaz, hygrométrie, température). Ce travail permettra d’améliorer la configuration du dispositif plasma pour favoriser la production d’espèces chimiques efficaces pour la dépollution et dont l’ozone, espèce stable sur une longue durée, est une des plus importantes. Les résultats expérimentaux seront comparés à des simulations numériques actuellement développées au laboratoire en vue de valider ces dernières. En fonction de l’avancement des travaux, le développement d’un code de cinétique chimique est envisagé pour étudier les différentes voies de production d’ozone dans l’enceinte. Enfin, les diagnostics optiques couplés à des mesures électriques de puissance injectée, permettront d'extraire des paramètres tels que l'énergie spécifique, le bilan de production et le rendement énergétique du réacteur. En fonction de l'étendu des mesures, des lois empiriques pourront être dégagées reliant ces paramètres entre eux.

Réacteur corona en configuration multi-pointes

Profil recherché : - Etudiant niveau Bac +5 curieux et intéressé par la recherche appliquée - Autonomie et esprit d'initiative - Capacité de rédaction et de synthèse

Connaissances requises : - Spectroscopie - Programmation sous Matlab/Octave - Avoir de solides bases en traitement du signal et en physique des plasmas

Responsable(s) : Gaëtan WATTIEAUX : [email protected], 05 61 55 75 90 Olivier EICHWALD : [email protected], 05 61 55 60 87

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site 3R2 Équipe PRHE Possibilité de poursuite en thèse : Une demande de financement à la région d'une bourse thèse va être déposée dans le cadre du projet BeesWax Decontamination Process

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Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Caractérisation du transport électronique au travers d'un cusp magnétique dans un plasma froid hors équilibre

Contexte :

Le comportement du plasma en présence d'un champ magnétique est éudié depuis les premiers travaux sur le confinement magnétique à la fin des années 50. Les sources de plasma froid utilisant un champ magnétique se retrouvent sous différentes configurations dans de nombreuses applications telles que la propulsion spatiale, les procédés pour la microélectronique ou bien encore les injecteurs de neutres pour ITER. Ces sources plasma suscitent un intérêt croissant mais se heurtent à de nombreuses interrogations concernant les effets induits par le champ magnétique. Entre autres, il a été observé que l'efficacité d'ionisation était nettement augmentée dans ces sources en raison d'une amélioration du confinement du plasma par des cusps magnétiques. La surface de pertes électroniques est alors considérablemet réduite par rapport à la surface physique du système et on parle alors de surface effective de pertes. La structure de cusp magnétique est typiquement produite à l'aide d'aimants permanents assemblés en damiers, en ligne ou en anneau. La diffusion du plasma de la région d'ionisation au travers des surfaces définies par les cusps magnétiques reste encore mal comprise; les modèles théoriques ne peuvent pas expliquer de manière satisfaisante les surfaces de pertes effectives mesurées expérimentalement, ni prédire les courants perdus à la paroi.

Sujet : Le stage s'attachera à répondre à cette problématique en combinant expérience et simulation. Du point de vue expérimental, il s'agira de caractériser par sonde de Langmuir une source plasma radiofréquence spécialement conçue pour étudier le transport des électrons au travers de cusps magnétiques. Un diagnostic de mesure des courants à la paroi sera réalisé, mis en place et permettra de déterminer la surface effective de pertes électroniques en fonction des conditions opératoires (intensité du champ magnétique, pression, densité électronique et gaz) afin de dégager des lois d'échelle. En parallèle, un code particulaire (Particle-In-Cell) sera utilisé pour simuler (numériquement) la diffusion des particules chargées à travers le champ magnetique du cusp. Les résultats du modèle seront comparés aux données expérimentales.

Profil recherché : Etudiant(e) en master Plasmas

Connaissances requises : Physique des plasmas - diagnoctics électriques des plasmas

Responsable(s) : Freddy GABORIAU : [email protected], 05 61 55 86 87 Gwenael FUBIANI : [email protected], 05 61 55 82 44

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site UPS Équipe GREPHE Possibilité de poursuite en thèse : Non

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Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Étude du module magnétique Ansys Maxwell

Contexte :

Parmi leurs spécificités, les plasmas thermiques se caractérisent par les fortes températures atteintes (>10kK) qui conduisent à une équipartition de l’énergie. Ces températures sont dues à la circulation du courant qui par effet Joule chauffe le milieu plasma et crée un champ magnétique auto induit qui modifie les caractéristiques du milieu, notamment les champs de convection par effet électromagnétique : la force de Lorentz. Si les méthodes de résolution des équations fluides sont bien adaptées pour décrire les écoulements du plasma, l’obtention des champs magnétiques est plus délicate à obtenir. Ceci est néanmoins possible en utilisant différentes techniques telles que la résolution des potentiels vecteurs ou bien la méthode de Biot&Savart. Cependant ces techniques bien que légitimes pour un courant continu sont discutables dans le cas de courants impulsionnels ou fortement variables où les termes temporels ne sont plus négligeables. Dans certaines configurations, au champ magnétique auto induit vient se rajouter une composante extérieure. A titre d’exemple nous pouvons citer le disjoncteur basse (LVCB) tension pour lequel les amenées de courant créent un champ magnétique qui vient s’ajouter à celui auto induit. Pour d’autres applications le champ supplémentaire peut être dû à la présence d’une bobine ou galette magnétique. C’est encore le cas pour le LVCB ou parfois une bobine située au niveau « des joues » aide l’arc à pénétrer dans la chambre de coupure, ou bien dans le cadre des torches à cathode creuse où une galette magnétique est utilisée pour limiter l’érosion en faisant tourner l’arc azimutalement.

Sujet : L’équipe utilise depuis plusieurs années le solveur Finite Volume Method (FVM) du code – Ansys Fluent, agrémenté de User Defined Subroutines développées en interne pour décrire les écoulements plasmas. Dernièrement nous avons fait l’acquisition de la « suite Ansys » qui comporte les modules « Ansys Maxwell ». Ces modules sont définis pour une résolution en éléments finis (FEM) qui est peu adaptée à la description des milieux fluides et en particulier du milieu plasma. Lors de la résolution d’un problème comp lexe les deux codes (Ansys Fluent et Ansys Maxwell) doivent donc « discuter » pour un passage optimal des grandeurs après leur résolution respective. Ceci correspond à Ansys Workbench. Le stage proposé consistera à se familiariser avec les modules « Ansys Maxwell » et « Ansys Workbench » afin de proposer une démarche de couplage avec « Ansys Fluent ». Différents cas tests sont proposés afin que le candidat se familiarise avec le logiciel. Un rapport détaillé avec les différentes étapes devra être réalisé. Les limitations du produit ainsi que les avantages par rapport à une résolution directe basée exclusivement sur le logiciel Ansys Fluent devront être mis en avant. Si le temps le permet sur un cas simple de fil parcouru par un courant impulsionnel les deux approches seront confrontées et les limites d‘utilisation démontrées.

Profil recherché : L’étudiant(e) devra faire preuve de curiosité et d’initiative.

Responsable(s) :

Pierre FRETON : [email protected], 05 61 55 68 55 Jean-Jacques GONZALEZ : [email protected], 05 61 55 84 33

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site UPS Équipe AEPPT Possibilité de poursuite en thèse : Le stage pourra se poursuivre sur un sujet M2.

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Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Étude expérimentale d’un arc électrique éclatant dans un liquide

Contexte :

De nombreuses applications/procédés utilisent les propriétés d’un plasma éclatant dans de l’eau. On peut citer à titre d’exemple la fracturation, la production de nano particules, les applications de soudage et de découpe, le formage de pièces. Dans ces dispositifs, l’initiation de courant se fait par claquage au sein du milieu, par fil fusible ou par écartement des électrodes. Afin d’optimiser et de mieux appréhender l’interaction du plasma et d’une phase liquide dans différents procédés, une meilleure compréhension est nécessaire. Ainsi des maquettes expérimentales sont mises en place pour caractériser le milieu et dégager des lois sur le plasma créé. Dans le cas du réacteur de cette étude le passage du courant dans un fil fusible, positionné entre deux électrodes, conduit à son explosion, à la création d’une onde de choc et d’un plasma de vapeur d’eau. Cette bulle gazeuse au sein du liquide s’expanse progressivement et s’effondre lors de la coupure du courant appliqué. Les impulsions de courant sont de l’ordre de la milli seconde et se rapprochent des procédés liés à la coupure du courant dans les appareillages de protection.

Sujet : Dans un premier temps l’étudiant(e) se familiarisera avec le sujet au travers d’une étude bibliographique. Il appréhendera ensuite les moyens expérimentaux en place (Réacteur, caméra, sondes, boitier PXI, synchronisation) et mettra en place une description du matériel et un protocole expérimental faisant ressortir les caractéristiques de chacun des éléments (constante de temps, résolution, précautions et limitations). Durant son stage, l’étudiant se focalisera sur deux points : 1- Le développement sous Matlab d’un outil de traitement automatique des images de bulles obtenues expérimentalement, permettant l’obtention du rayon de bulle. 2- La mise en place de mesures de spectroscopie d’émission permettant d’obtenir les espèces présentes dans le plasma et si possible la température moyenne du plasma dans la bulle. Quelques campagnes expérimentales seront réalisées en utilisant l’ensemble des moyens de diagnostic et une analyse des résultats effectués. Cette analyse s’appuiera sur l’étude en cours, ainsi que sur une confrontation/comparaison avec les travaux de la littérature.

Profil recherché : L’étudiant(e) devra faire preuve de curiosité, d’initiative et avoir un gout prononcé pour le côté expérimental.

Connaissances requises : Connaissances en Physique des plasmas, Matlab et métrologie électrique appréciées. Anglais lu, écrit.

Responsable(s) : Jean-Jacques GONZALEZ : [email protected], 05 61 55 68 55 Pierre FRETON : [email protected], 05 61 55 88 34

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site UPS - Bât 3R3 Équipe AEPPT-1 Possibilité de poursuite en thèse : Oui

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Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Simulation de DBD homogène à la pression atmosphérique

Contexte :

L'utilisation des plasmas à la pression atmosphérique et notamment des décharges à barrières diélectriques (DBD) permet d'effectuer des traitements de surface ou des dépôts à faibles coûts ce qui rend ces décharges particulièrement intéressantes pour les industriels. Cependant, les conditions opératoires ont une grande influence sur l'homogéneité des DBD et donc, sur la qualité du traitement/dépôt. La compréhension des phénomènes physiques et chimiques à l'origine de cette homogénéité constitue un enjeu tant scientifique qu'économique. L'équipe MPP du LAPLACE s'intéresse particulièrement à l'effet mémoire d'une décharge à la suivante qui permet l'obtention des décharges homogènes dans l'azote.

Sujet : Parmi les approches possibles pour la compréhension des processus mis en jeu dans ce type de décharge, la simulation à l'aide d'outil tel que COMSOL donne potentiellement accès à des grandeurs difficilement accessibles expérimentalement, en particulier à l'évolution de la concentration des différents réactifs dans le gaz tant dans le temps qu'en fonction de la position dans la décharge. La confrontation entre les résultats des simulations et les résultats expérimentaux devrait permettre de valider ou d'infirmer certaines hypothèses quant aux mécanismes mis en jeu. Ainsi par itérations successives entre simulation et expérience, il est possible de construire une image réaliste de la physique de la DBD.

Dans un premier temps, il faudra construire des premières simulations simples dans l'azote en s'appuyant sur les travaux déjà menés au sein de l'équipe MPP. A partir de là, l'étudiant devra étudier l'influence des différents processus pouvant être à l'origine de l'effet mémoire en augmentant progressivement la complexité du modèle.

Profil recherché : M2 avec dominante plasma ou physique ou mécanique des fluides Motivation pour faire de la simulation physique.

Connaissances requises : De préférence il faudrait avoir des bases en Décharges dans les gaz, Physique des plasmas froids, simulation.

Responsable(s) : Hubert CAQUINEAU : [email protected], 05 61 55 84 53

Lieu du stage et conditions particulières :

LAPLACE site UPS Équipe MPP Possibilité de poursuite en thèse : Non

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Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Étude des interactions entre une alimentation et une décharge à barrière diélectrique

Contexte :

Le laboratoire DPHE (Diagnostic des Plasmas Hors Équilibre) à Albi, en collaboration avec Saint Gobain, a développé une lampe plane de type DBD (décharge à barrière diélectrique) sans mercure pour l’éclairage visuel d’ambiance [1]. L’équipe "GENESYS" (Groupe Energie Electrique et Systémique) du laboratoire LAPLACE (Toulouse) développe une opération de recherche dédiée au développement d’alimentations pour les applications plasma et a mis au point une alimentation de type source de courant pulsée [2] [1] B. Caillier, T. Beaudette, L. Therese, P. Belenguer, and P. Guillot, “Études et optimisations de lampes planes sans mercure,” Eur. J. Electr. Eng., vol. 16, no. 5–6, pp. 565–582, décembre 2013. [2] Florez, D.; Diez, R.; Piquet, H. “DCM Operated Series Resonant Inverter for the Supply of DBD Excimer Lamps” Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 50, pp. 86-93, 2014, ISSN 0093-9994 http://dx.doi.org/10.1109/TIA.2013.2271216

Sujet : L’objectif de ce stage est dans un premier temps de coupler la lampe DBD de DPHE et l’alimentation de GENESYS, pour ensuite déterminer les limites de fonctionnements. Dans un deuxième temps des études paramétriques seront mises en œuvre pour améliorer l’efficacité lumineuse et l’uniformité de la lampe, en réalisant des mesures optiques (spectrométrie, luminance, ICCD, etc..) et électriques (courant, tension, puissance, etc..). Un travail d’optimisation de l’alimentation pour un meilleur couplage énergétique est aussi prévu.

Responsable(s) :

Hubert PIQUET : [email protected], 05 34 32 24 17 Bruno CAILLIER : [email protected], 05 63 48 64 44

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site ENSEEIHT et équipe DPHE à Albi (https://www.univ-jfc.fr/ea/diagnostic-des-plasmas-hors-equilibres-dphe-ea-4562) Équipe GENESYS Possibilité de poursuite en thèse : Non

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Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Circuit intégré CMOS pour la génération de temps morts adaptatifs dans le contexte des transistors MOSFET SiC haute tension sans diode de roue libre

Contexte :

Dans les convertisseurs statiques, il est nécessaire classiquement de rajouter des diodes de roue libre afin d'assurer la continuité du courant lors des commutations. Ces diodes de roue libres sont désormais des diodes Schottky en Carbure de Silicium (SiC), dans les applications 400V-900V, et permettent de minimiser les pertes en commutation et en conduction. Cependant, ces diodes de roue libre doivent être rajoutées, avec pour conséquence un surcoût et un packaging dédié. Ceci est d'autant plus problématique que les transistors MOSFET possèdent naturellement une réversibilité en courant et que ces diodes de roue libre pourraient être supprimées. Malheureusement, de nombreux problèmes existent si l'on souhaite supprimer les diodes roue libre, tels que la parfaite maîtrise des instants de commutation et des temps morts en particulier, en complément de méthodes robustes de d'observation et de détection des phases de commutation. Dans les applications automobiles mais aussi aéronautiques, il serait souhaitable de démontrer que nous pouvons totalement nous passer de ces diodes de roue libre, tout en garantissant un niveau optimal de sureté de fonctionnement. Pour cela, nous proposons de développer un circuit de pilotage de grille ("gate driver") en technologie CMOS pour une cellule de commutation à base de transistors MOSFET SiC sans aucune diode de roue libre. Ce circuit garantira une génération des temps morts optimale et adapative à toutes les conditions d'utilisation de la cellule de commutation sans diode de roue libre.

Sujet : Ce sujet de stage s'appuiera sur une étude circuit de la commutation MOSFET-MOSFET, sur un cahier des charges en lien avec une application industrielle. Un travail de bibliographie devra être conduit, afin de recenser les méthodes déjà proposées, leurs avantages et leurs limites en termes de performances et d'intégration. Le cœur du travail consistera en la conception de fonctions intégrées permettant un contrôle robuste de la commutation sans diode de roue libre. Le ou la stagiaire dimensionnera plusieurs fonctions sur la base d'une modélisation analytique et de simulations temporelles (LTspice, Cadence avec Design Kit CMOS industriel), puis mettra en situation les solutions proposées afin de comparer les performances avec l'état de l'art. Il sera particulièrement important de vérifier le fonctionnement sur un cycle d'usage (points de fonctionnement variés et perturbations éventuelles de paramètres). Selon l'avancement, le routage (layout) des fonctions conçues sera abordé, ainsi que des essais sur un banc de test expérimental. Les tests expérimentaux pourront s'appuyer sur des fonctions et bancs de tests déjà réalisés au sein du groupe, et de façon générale le stage sera en lien rapproché avec deux travaux de thèse en cours au laboratoire et ses partenaires industriels. [REFERENCE:] R. Grezaud, F. Ayel, N. Rouger and J. Crebier, "A Gate Driver With Integrated Deadtime Controller," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 12, pp. 8409-8421, Dec. 2016.

Profil recherché :

Stage Master 2 ou PFE avec un cursus électronique de puissance et/ou conception en microélectronique.

Connaissances requises : Goût prononcé pour la recherche et l’expérimentation, ainsi que la conception de circuits intégrés et leur intégration au sein d’un système électronique de puissance. Des compétences en micro-électronique et électronique de puissance sont souhaitées.

Responsable(s) :

Nicolas ROUGER, chercheur CNRS : [email protected], 05 34 32 24 00

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site ENSEEIHT Équipe CS Possibilité de poursuite en thèse : Selon avancement et opportunités de financement

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Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Conception et caractérisation de composants de puissance en diamant pour l'électronique de puissance

Contexte :

Dans le cadre d'un projet national coordonné au laboratoire LAPLACE et d'un projet européen, de nouveaux composants de puissance en diamant sont mis au point, en lien avec nos partenaires. Il s'agit de transistors MOSFET et de diodes Schottky, ayant déjà des tenues en tension au-delà de 200V, et des états passants très attractifs pour les applications en électronique de puissance. Ceci est particulièrement vrai pour des températures de jonction au-delà de 175°C où les composants en diamant déjà démontrés sont performants. Afin de poursuivre les travaux d'amélioration de ces composants, ainsi que la caractérisation avancée des transistors et diodes en diamant, un travail complémentaire est nécessaire. Ce travail s'effectuera en lien avec le contexte collaboratif du projet national et du projet européen, et le ou la stagiaire bénéficiera de cet environnement particulièrement dynamique.

Sujet : Ce sujet de stage s'appuiera sur une étude bibliographique et les résultats existants des projets en cours. La première partie du travail s'orientera sur la modélisation physique des composants de puissance en diamant, dans une recherche de modélisation fine des phénomènes observés expérimentalement. La modélisation effectuée permettra de mieux optimiser les composants, et comparer différentes solutions d'architectures. Dans un second temps, les composants disponibles seront caractérisés, avec d'une part une caractérisation à l'échelle du composant et d'autre part à l'échelle de cellules de commutation. Pour ce dernier point, des cartes de tests devront être conçues et adaptées aux spécificités des composants en diamant, par exemple les problématiques de calibre en courant et de température. Les résultats seront présentés au sein des consortium des projets concernés. Le travail se

fera en interaction avec un postdoctorant et deux thèses en cours.

Références: [1] T. Pham, J. Pernot, G. Perez, D. Eon, E. Gheeraert and N. Rouger, "Deep-Depletion Mode Boron-Doped Monocrystalline Diamond Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor," in IEEE Electron Device Letters, vol. 38, no. 11, pp. 1571-1574, Nov. 2017. [2] Gaëtan Perez, Juliette Letellier, Aurélien Maréchal, David Eon, Gauthier Chicot, et al.. Diamond Schottky barrier diodes for power electronics applications. ECCE 2018, Sep 2018, Portland, United States

[3]https://www.cnrs.fr/insis/recherche/actualites/2018/07/transistor-mosfet.htm

Profil recherché : Stage Master 2 ou PFE avec un cursus génie électrique ou physique appliquée.

Connaissances requises : Goût prononcé pour la recherche et l’expérimentation, ainsi que la modélisation analytique et numérique. Les compétences recherchées concernent particulièrement la rigueur scientifique, à la fois dans l'analyse et dans les expérimentations. La maîtrise de la langue anglaise est souhaitable.

Responsable(s) : Nicolas ROUGER : [email protected], 05 34 32 24 00

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site ENSEEIHT Équipe CS Possibilité de poursuite en thèse : Selon avancement et opportunités de financement

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Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Commande par optimisation linéaire en ligne de convertisseurs statiques à grand nombre d’interrupteurs sur carte FPGA

Contexte :

Le défi de porter les technologies traditionnelles de conversion statique de l’énergie électrique aux domaines des fortes puissances avec une très bonne qualité harmonique a fortement motivé le développement des dispositifs de conversion statique multi-niveaux. Par ailleurs, les demandes en alimentation de charges plus complexes, polyphasées, déséquilibrées ou non-linéaires et les demandes en fonctionnalités avancées comme le filtrage actif d’harmoniques ont conduit à l’apparition de convertisseurs statiques multi-bras, offrant en outre la possibilité d’agir directement sur le potentiel neutre des charges quand il est disponible. Or, l’accroissement du nombre d’interrupteurs complexifie la commande de ces dispositifs tout en apportant de nombreuses redondances et degrés de liberté qu’il est intéressant d’exploiter pour optimiser le fonctionnement du convertisseur. Une formulation algébrique du problème de commande du convertisseur faisant apparaître les notions de consignes, de ressources de commande disponibles et de contraintes a permis de développer de nouvelles méthodes de commande dites « par allocation » ou « d’allocation de commandes », en anglais control allocation, très appréciées par exemple dans les domaines où la redondance est présente comme l’aéronautique (flight control), la marine, la robotique, etc. Dans le cadre des recherches conduites au Laplace, il est actuellement développé une méthode d’allocation appliquée à l’exemple de l’onduleur quatre bras deux niveaux, utilisé pour générer un système de tensions triphasées indépendantes. En traduisant le problème de commande sous la forme d’un problème d’optimisation linéaire, la résolution est menée à l’aide de l’algorithme du simplexe, réputé pour sa simplicité et son efficacité temps réel. Cette méthode permet d’obtenir, selon le réglage de ses paramètres, de nombreuses solutions de modulation aux caractéristiques différentes. Certaines lois de modulation bien connues ont été retrouvées en tant que solutions optimales fournies par la méthode d’allocation, comme la SVM (MLI vectorielle) ou les DPWM min et max (MLI discontinue), et de nouvelles solutions de modulation ont été découvertes aux propriétés originales et qu’il conviendra de caractériser. La méthode d’allocation reposant sur de l’optimisation en ligne, elle nécessite un grand nombre d’opérations durant la période d’échantillonnage. A cet effet, l’utilisation d’un FPGA a permis de relever le challenge de la commande temps réel de l’onduleur quatre bras deux niveaux à des fréquences autour de 10 kHz. Fort de cette expérience, nous souhaitons poursuivre cette expérimentation sur un onduleur triphasé de type condensateurs flottants (multi-niveaux) alimentant une charge équilibrée.

Sujet : Le sujet concerne la mise en œuvre d’une loi de commande pour un onduleur triphasé de type Flying Capacitor reposant sur l’utilisation de l’algorithme du simplexe en temps réel afin d’optimiser le réglage des courants de charge et des tensions aux bornes des condensateurs flottants. La commande sera assurée par un FPGA de type Altera Stratix IV dans le cadre d’une démarche HIL (Hardware In the Loop). Le déroulement du stage sera initialisé par la mise au point de la loi de commande en simulation.

Profil recherché : Etudiant 3A N7

Connaissances requises : Idéalement, des connaissances en : - Onduleurs - Optimisation linéaire - Commande numérique, voire programmation des FPGA

Responsable(s) : Jeremi REGNIER : [email protected], 05 34 32 23 60 Maurice FADEL : [email protected], 05 34 32 24 05

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site ENSEEIHT Equipe CODIASE Possibilité de poursuite en thèse : Oui

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Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Évaluation de différentes topologies de conversion d'énergie dans le cadre d'une application photovoltaique connectée au réseau électrique

Contexte :

L’émergence de panneaux photovoltaïques à bas coût facilte la diffusion des installations visant à récupérer l'énergie électrique et à la réinjecter sur le réseau d'alimentation. Dans ce cadre plusieurs topologies de conversion sont possibles répondant chacune d'elle à des impératifs particuliers (conversion directe, passage par un bus continu, transformateur, etc …). Cependant touts ces solutions sont caractérisées par des performances différentes en fonction du profil d'ensoleillement et de la pussance considérée.

Sujet : Le sujet du stage consiste à analyser et comparer différentes solutions candidates via la simulation numérique puis à l'aide une réalisation expérimentale. Il s'agira de définir de critères de comparaison et d'évaluer les performances obtenues. La modélisation veillera en prendre en compte la technologie du panneau photovoltaique ainsi que le dimmensionement du convertisseur statique avec sa comamnde. De manière non exhaustive 3 solutions sont déjà identifiées: - Hacheur survolteur suivi d'un onduleur triphasé - Onduleur basse tension connecté à un transformateur possédant un secondaire triphasé - Conversion directe à l'aide d'un onduleur à BOOST triphasé. Le projet étant lancé, il est probable que d'autres structures candidates soient identifiées avant le début du stage.

Profil recherché : Etudiant N7 3A ou Master

Connaissances requises : Connaissance en Electronique de Puissance et en Commande des dispositifs de conversion

Responsable(s) : Maurice Fadel : [email protected], 05 34 32 24 05 Tridesmana RACHMILDA : [email protected], 05 +62 81317524687

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site ENSEEIHT avec 2 mois en Indonésie ITB (Institut Tecnologique de BANDUNG) Équipe CODIASE Possibilité de poursuite en thèse : à l'étude

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Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Optimisation du dimensionnement et de l'engagement de production électrique à J-1 d'une centrale éolienne avec stockage

Contexte :

Le travail se situe dans le contexte de l'augmentation de la production électrique par énergies renvouvelables (ENR) dans les réseaux insulaires. Il s'agit notamment d'accroitre la part des ENR au-delà d'un seuil de 30% fixé par le législateur. Ce seuil a été imposé jusqu'ici pour faire face à l'intermittence des ENR et garantir par des moyens traditionnels (principalement thermiques) la continuité de la production électrique en cas d'absence de production d'origine renouvelable. Pour supprimer cette limite de 30% et augmenter la part des ENR dans le mix energétique, il est nécessaire d'une part d'associer la production ENR avec des moyens de stockage (batteries électrochimiques ou stockage hydrogène) et d'autre part, de remplir des conditions d'engagement de production imposées par le gestionnaire du réseau.

Sujet : Le sujet proposé vise à répondre à la problématique précédente dans le cas d'une centrale éolienne avec stockage. Il a pour objectif la mise en oeuvre de méthodes d'optimisation permettant de définir le jour précédent (à J-1) la production électrique du lendemain (jour J). Les méthodes développées devront garantir une bonne robustesse de l'engagement le jour J (face aux erreurs de prédiction de production) et une optimisation technico-économique de la centrale. Il s'agira plus précisément de confronter des approches de gestion du stockage à deux niveaux (pour la détermination de l'engagement à J-1 et la correction des erreurs de prédiction le jour J) basées sur l'utilisation de stratégies à base de règles d'expert (applicables au cours de la journée sans "a priori sur le futur") ou de la programmation linéaire (fournissant un optimum global pour la gestion sur un profil de production connu à l'avance sur l'ensemble de la journée). Ces approches devront être implantées au sein d'une optimisation technico-économique intégrant les couplages entre variables de dimensionnement (puissance de la centrale, taille du stockage) et variables de gestion (typiquement les seuils et paramètres de la gestion à base de règle). Une analyse approndie de l'ensemble de ces couplages au regard des variables d'environnement (caractéristiques du gisement éolien et des erreurs de prévision) devra être conduite. Cette étude vient en complément des travaux déjà réalisés dans le cadre de la thèse de Rémi BOURBON

Profil recherché :

Le candidat recherché est de niveau ingénieur ou Master 2.

Connaissances requises : Le candidat recherché doit avoir une bonne culture générale sur les réseaux électriques, les ENR et le stockage de l'énergie. Par ailleurs, il doit avoir de solides connaissances sur les techniques d'optimisation mathématiques

Responsable(s) : Bruno SARENI : [email protected], 05 34 32 23 61 Xavier ROBOAM : [email protected], 05 34 32 24 22

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site ENSEEIHT Équipe GENESYS Possibilité de poursuite en thèse : non précisée en début de stage

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Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Participation des sources d'énergie renouvelable aux services système du réseau

Contexte :

Dans le domaine des smart-grids, l’équipe GENESYS a développé une plateforme micro-réseau qui permet d’étudier des architectures avec bus continu et/ou alternatif. Diverses sources réelles comme des panneaux photovoltaïques présents sur le toit du bâtiment recherche, ou des éléments de stockage peuvent être connectées. Par ailleurs, afin de tester le plus de scénarios possibles, l’équipe a développé tout une gamme d’émulateurs d’éléments de stockage (batterie d’accumulateurs, batterie H2, supercondensateurs) et de sources (photovoltaïque, éolien) qui peuvent être interfacés au micro-réseau et simuler physiquement divers scenarii en maitrisant les conditions d'environnement (vent irradiation, …) et de charges. Une thèse, soutenue en décembre 2018, a étudié diverses architectures permettant d’assurer une gestion coopérative des sources et stockeurs connectés à un réseau AC à fort taux de pénétration d’énergies renouvelables. Il s’agit en particulier d’assurer un réglage primaire de fréquence, de façon coopérative entre les producteurs et ceci en l’absence de groupes tournants synchronisés sur le réseau AC. Afin de permettre un fort taux de pénétration de sources renouvelables, il faut que ces dernières participent au réglage de la fréquence, alors qu'aujourd'hui une injection de la puissance maximale qui peut être produite par contrôle (MPPT) est privilégiée. Par conséquent, plusieurs stratégies de pilotage des sources éoliennes et photovoltaïques permettant leur participation au service système du réseau ont été étudiées lors des travaux de thèse.

Sujet : L'objectif du stage est d'étudier et de comparer les performances des stratégies de pilotage des sources éoliennes et photovoltaïques permettant leur participation au réglage de la fréquence du réseau. Le manque à gagner en terme d'énergie annuelle par rapport à un fonctionnement MPPT pourrait être évalué selon le taux de participation au service système (réglage de fréquence). Les différentes tâches que pourraient assurer le stagiaire sont : - Reprendre les stratégies développées durant la thèse et les modèles associés afin de se les approprier ; - Valider les résultats par des simulations. Effectuer des analyses comparatives et des bilans énergétiques annuels (analyse du manque à gagner pour répondre au service système) ; - Confirmer les résultats sur le microréseau développé. Pour ce faire, un modèle d'émulateur éolien avec les différentes stratégies de contrôle évoquées devra être développé et testé. Dans un deuxième temps, la même chose pourra être faite pour les sources photovoltaïques.

Profil recherché : Le stage fait appel à des connaissances théoriques afin de modéliser le contrôle de fréquence. En parallèle, le stagiaire devra effectuer des essais en coopération avec l'ingénieur responssable de la plateforme.

Connaissances requises : Une bonne connaissance des logiciels de simulations de circuits électriques (PLECS) et des environnements de développement (Matlab – Simulink). Une bonne maitrise d’essais de circuits électriques de puissance. Une connaissance des environnements Quartus et Eclipse est souhaitable.

Responsable(s) : Nicolas ROUX : [email protected], 05 34 32 24 28 Xavier ROBOAM : [email protected], 05 34 32 24 22

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site ENSEEIHT Équipe GENESYS Possibilité de poursuite en thèse : non définie à ce jour

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Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Réalisation du Contrôle Numérique Décentralisé pour Convertisseur Parallèle Multiphase

Contexte :

Depuis plus de vingt ans, des convertisseurs multicellulaires (série ou parallèle) ont été développés pour améliorer les formes d'onde en réduisant les contraintes sur les semi-conducteurs, tout en minimisant la taille et le volume des composants de filtre externes. La connexion en série peut être réalisée en ajoutant des condensateurs afin de diviser la tension du bus continu en plusieurs cellules moyenne tension, tandis que la mise en parallèle est réalisée à l'aide d'inductances supplémentaires, pouvant être couplées ou non, divisant le courant en plusieurs branches à moyenne intensité. Le principal inconvénient de ces convertisseurs multicellulaires reste pour le contrôle qui devient complexe par le nombre de degrés de liberté disponibles et le nombre de variables d'état à contrôler. Des travaux antérieurs ont montré les avantages de la décentralisation du contrôle en termes de généricité et d'aptitude à la reconfiguration, tant pour les topologies en série que pour les topologies parallèles. Cette méthode de contrôle utilise des contrôleurs locaux qui communiquent avec leurs voisins plus proches pour imbriquer les signaux PWM et pour équilibrer les variables d'état.

Sujet : Dans cet article, nous nous concentrerons sur la mise en œuvre numérique optimisée de cette méthode de commande décentralisée dans le cas de convertisseurs multiphases parallèles avec un nombre de bras inférieur ou égal à 8. Les deux objectifs principaux seront, d’une part, d’effectuer la génération et la synchronisation des porteuses en réalisant de manière décentralisée l’entrelacement de ces porteuses et, d’autre part, le contrôle des courants de cellules afin d’équilibrer ces courants. La déconnexion de une ou plusieurs branches fera partie de l’étude. Il sera nécessaire de tester les algorithmes proposés sur une plateforme expérimentale pouvant comporter jusqu’à 6 à 8 cellu les en parallèle (400V-8x90A).

Profil recherché : Le candidat devra avoir de solides connaissances en Electronique de puissance et en commande numérique. La connaissance des convertisseurs de puissance multiniveaux sera un vrai plus pour l’étude

Connaissances requises : logiciels: PLECS / MATLAB - Langage VHDL / C

Responsable(s) : Guillaume GATEAU : [email protected], 05 34 32 24 27 Miguel MANNES-HILLESHEIM : [email protected], 05 34 32 24 26

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site ENSEEIHT Équipe CS Possibilité de poursuite en thèse : Non à priori

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Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Étude d’une Structure de Conversion Multiniveaux type « Common Flying Capacitor »

Contexte :

Les applications de traitement de l’énergie moyenne tension (typiquement vitesse variable puissance qqMW DC Bus qq 10kV) utilisant principalement des convertisseurs multiniveaux de forte puissance ne cessent de croitre et font apparaitre de nouvelles architectures de conversion utilisant des mises en série et parallèle d’interrupteurs de puissance de type IGBT. De nombreuses topologies sont maintenant proposées sur le marché comme le NPC (Neutral Point Clamp), le FC (Flying capacitor), l’ANPC 5L (Active Neutral Point Clamp 5 niveaux) ou plus récemment le CFC (Common Flying Capacitor). L’ensemble de ces topologies utilisent de nombreux composants actifs (interrupteurs de puissance) et passifs (inductance de couplage ou condensateur intermédiaires). L’enjeu est bien sur maintenant de réduire le nombre de composants actifs ainsi que la taille des composants passifs tout en conservant un rendement le plus intéressant possible..

Sujet : L’objectif de ce stage sera de réaliser l’étude et la réalisation expérimentale complète d’une nouvelle structure multicellulaire utilisant le principe de la mutualisation de composant. En utilisant d’une part le principe FC (Flying Capacitor) développé par le laboratoire Laplace dans les années 1990 et en ajoutant une mutualisation des condensateurs flottants pour la réalisation du convertisseur triphasé, on obtient un convertisseur plus compact et dont les performances augmentent. Cette nouvelle topologie parait très intéressante d’un point de vue strictement comptable car elle permet de réduire fortement l’énergie stockée dans le convertisseur triphasé (effet de la mutualisation) tout en conservant presque l’intégralité des avantages de la topologie initiale. Quelques effets négatifs de la mutualisation (en particulier l’impossibilité de réaliser certains points de fonctionnement) seront à étudier de façon détaillée. Une analyse bibliographique complète sera également à réaliser. Un des objectifs sera également de développer un support expérimental reconfigurable permettant de tester en particulier cette topologie mais également par une reconfiguration du démonstrateur, de tester d’autres solutions plus classiques afin de pouvoir confronter les résultats obtenus avec l’existant. L’aspect contrôle (l’implantation numérique du modulateur et des boucles fermées) devra faire partie intégrante de l’étude et représente une partie significative du travail dans le cas de la mutualisation.

Profil recherché : Le candidat devra avoir de solides connaissances en Electronique de puissance et en commande. La connaissance des convertisseurs de puissance multiniveaux sera un vrai plus pour l’étude

Connaissances requises : logiciels: PLECS / MATLAB - Langage VHDL / C

Responsable(s) : Guillaume GATEAU : [email protected], 05 34 32 24 27

Lieu du stage et conditions particulières :

LAPLACE site ENSEEIHT Équipe CS Possibilité de poursuite en thèse : Oui sous contraintes

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Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Modélisation et conception de moteur à bobinage fractionnaire à haute puissance massique. Prise en compte de l'aspect thermique

Contexte :

Dans le cadre du projet HASTECS, le groupe GREM3 est en charge de dimensionner un moteur à très forte puissance massique. L'augmentation de la puissance massique passe par une augmentation des contraintes thermiques au niveau des isolants du bobinage. Ces contraintes thermiques entraînent une dégradation des propriétés électriques des isolants et réduisent la durée de vie du moteur.

Sujet : Il consiste à étudier les bobinages fractionnaires qui permettent de réduire la masse de cuivre de manière importante mais qui induisent des harmoniques d'espaces du champ magnétique. Ces harmoniques d'espace entraînent des pertes Joule par effet de peau. Le laboratoire Pprime de l'ENSMA à Poitiers a mis au point un code de calcul qui permet de calculer la temperature en différents points du moteur en fonction de ses dimensions et des pertes. L'équipe GREM3 du LAPLACE a développé un code de dimensionnement de moteur à forte puissance massique. le travail consiste dans un premier temps à coupler ces deux codes et à étudier le comportement thermique des moteurs à forte puissance à bobinage fractionnaire.

Profil recherché : Génie électrique

Connaissances requises : Machines électriques, électromagnétisme

Responsable(s) : Yvan LEFEVRE : [email protected], 05 34 32 23 68 Mathieu FENOT : [email protected], 05 49 49 81 09

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site ENSEEIHT Equipe GREM3 Possibilité de poursuite en thèse : Non

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Laboratoire plasma et conversion d’énergie Offres de stages 2018-2019

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http://www.laplace.univ-tlse.fr

2018 / 2019

Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) :

Titre : Conception de bobinage et décharge partielle

Contexte :

Dans le cadre du projet HASTECS, le groupe GREM3 est en charge de dimensionner un moteur à très forte puissance massique. L'augmentation de la puissance massique passe par une augmentation des contraintes électriques au niveau des isolants du bobinage. Ces contraintes électriques augmentent le risque de décharge partielle et réduisent la durée de vie du moteur.

Sujet : Il consiste à étudier les différents types de bobinage qui sont compatibles avec l'augmentation de la puissance massique. Le groupe MDCE du LAPLACE a mis au point un code de calcul qui permet de calculer le risque de décharge partielle au sein d'une encoche. Le travail consiste, en fonction du type de bobinage, des paramètres électriques du moteur et de la connaissance du courant et de la tension d'alimentation de calculer la répartition du potentiel électrique dans les conducteurs d'une encoche. Cette répartition des potentiels électriques permet de calculer le champ électrique dans l'encoche à l'aide du logiciel ANSYS appelé par le code calcul. A partir du champ électrique le code permet ensuite de calculer les risques de décharges partielles dans l'encoche.

Profil recherché : Génie électrique

Connaissances requises : Machines électriques, électromagnétisme, matériaux diélectriques

Responsable(s) : Yvan LEFEVRE : [email protected], 05 34 32 23 68 David MALEC : [email protected], 05 61 55 62 60

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site ENSEEIHT Equipe GREM3 Possibilité de poursuite en thèse : Non

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Laboratoire plasma et conversion d’énergie Offres de stages 2018-2019

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http://www.laplace.univ-tlse.fr

2018 / 2019

Offre de Stage Master / PFE

Thématique(s) concernée(s) : Électromagnétisme Matériaux Mathématiques Appliqués Plasmas Systèmes Électriques Autre(s) : systèmes thermiques

Titre : Enhancement of Heat Pipe robustness by SMA

Contexte : Efficaces en apesanteur, offrant un excellent coefficient de transfert de chaleur pour un faible encombrement, les systèmes de refroidissement basés sur une architecture capillaire (heat pipe) avec changement d’état liquide-vapeur sont à l’œuvre dans de nombreuses applications en environnement sévère. Ils souffrent néanmoins d’un point faible qui limite leur plage de fonctionnement ; un manque de robustesse face à un flux thermique excessif.

Figure 1 Vue en coupe d'un heat pipe

En effet le principe de fonctionnement repose sur la création de ménisques à l’interface liquide-vapeur au sein d’une structure capillaire qui constituent l’origine du mécanisme de pompage. La vapeur créée attire le liquide sur les parois des capillaires, extrait les calories puis se recondense à la source froide distante. Or, lors d’un échauffement excessif ce ménisque s’étire, pouvant aller jusqu’à l’assèchement des parois du capillaire, provoquant ainsi l’arrêt du mécanisme de pompage. La disparition de cette circulation entraine par conséquent la fin du refroidissement et aboutit à la destruction du composant à refroidir. Ce simple mécanisme d’asséchement constitue le point limite de fonctionnement et restreint les possibilités de cette technologie.

Sujet : L’objectif du projet consiste à repousser ce point destructif en donnant au système capillaire les moyens d’auto-régulation, sans apport d’énergie extérieur. L’idée centrale repose sur la modification dynamique de la section moyenne des capillaires à l’aide d’un tissage d’alliage à mémoire de forme (AMF). Les AMF (ou SMA : Shape Memory Alloy en anglais) ont la faculté de voir se modifier leur géométrie sous l’effet d’une variation de température (passage d’un état martensitique à austénitique avec la montée en température). Le but de cette étude consiste à faire la preuve de concept de cette solution technologique. Le tissage AMF doit être en mesure d’afficher un changement de section de l’espace inter-fibre significatif, de sorte à faire varier sa dimension la plus faible de 50%, pour une amplitude de variation thermique de quelques dizaines de Kelvin. Le procédé doit également être réversible, c’est-à-dire que le maillage doit reprendre sa forme initial dans les phases de refroidissement. Ce stage de master inclue une dimension théorique (analytique et numérique) ainsi qu’une partie expérimentale conséquente. Il s’agira dans un premier temps d’appréhender les possibilités des tissages AMF à se conformer aux besoins des échangeurs thermiques. Ensuite un dimensionnement sera défini afin de d’aborder la réalisation concrète d’un démonstrateur.

Profil recherché :

• BAC +5 (master M2, élève ingénieur en 3ème année) • Formation théorique et pratique en conversion électromécaniques et/ou en physique appliquée et/ou en énergétique.

Connaissances requises : Notions de base en thermique, en mécanique et en modélisation numérique par éléments finis.

Responsable(s) : François PIGACHE : [email protected], 05 34 32 23 69 Marc MISCEVIC : [email protected], 05 61 55 83 07 Frédéric LECHENAULT : [email protected], 01 44 32 34 47

Lieu du stage et conditions particulières : LAPLACE site ENSEEIHT. Suivant les facultés de mobilité du candidat(e), le stage pourra se dérouler en partie au laboratoire de Physique Statistique, de l’école Normale Supérieure de Cachan. Possibilité de poursuite en thèse :