Habilitation à diriger des recehrches, Arnaud VIDET, 23 Janv. 2024

Des composants de puissance aux perturbations conduites :
Vers la conception de convertisseurs statiques à encombrement réduit

Mardi 23 janvier 2024, 10h00

Bâtiment ESPRIT – salle Atrium

résumé :

L’énergie électrique transite par des convertisseurs électroniques de puissance dont la réduction d’encombrement représente un enjeu majeur, en particulier dans les systèmes embarqués. Cette problématique se répercute principalement sur les contraintes de dissipation thermique et de filtrage passif dans une large plage de fréquences. Elle nécessite alors des actions aussi bien sur les composants de puissance actifs et passifs que sur les structures et la commande des convertisseurs statiques qui les emploient.

Les travaux de recherche exposés dans ce mémoire présentent des avancées obtenues par action sur les topologies et stratégies de commande des convertisseurs, réduisant les contraintes de filtrage liées à la pollution harmonique du réseau et aux perturbations électromagnétiques (PEM) conduites à hautes fréquences (HF). Pour limiter les pertes et le volume des éléments de dissipation et de lissage, des composants semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) sont employés, apportant néanmoins de nouvelles contraintes sur le plan de la compatibilité électromagnétique (CEM). Des travaux de caractérisation et de modélisation des composants jusqu’au système complet permettent alors l’analyse par simulation des PEM se propageant dans l’ensemble d’une chaîne de conversion. Enfin, ces développements permettent la mise en œuvre robuste des composants WBG au sein de convertisseurs compacts qui bénéficient, à la fois, de méthodes de commande optimisant leur comportement HF et d’un dimensionnement à volume minimal des bobines de mode commun associées.

Ces recherches mettent en évidence les interactions entre les travaux menés à l’échelle des composants d’une part, et de la structure et la commande des convertisseurs d’autre part. Les perspectives proposées visent à développer des actions combinées partant des composants de puissance et s’orientant vers la conception de systèmes complexes multiconvertisseurs compacts, « propres » et efficaces.

From power devices to conducted electromagnetic interferences:
Towards the design of compact static converters

Abstract :

Electrical energy is processed by power electronics converters whose compacity is a major challenge, especially in embedded systems. This issue primarily affects constraints in terms of thermal dissipation and of passive filtering in a wide frequency range. It requires actions, both, on the active and passive power components, and on the structures and control of the static converters that use these devices.

The presented research work shows advances obtained by action on the topologies and control strategies of converters, reducing the filtering constraints linked to harmonic pollution of the electrical network and to conducted electromagnetic interferences (EMI) at high frequencies (HF). To limit the losses and the volume of dissipation and smoothing elements, wide-bandgap (WBG) semiconductor components are used, however involving undesired constraints in terms of electromagnetic compatibility (EMC). Then, characterization and modeling from power devices to the full system allows analysis by simulation of EMI propagation throughout a conversion chain. Finally, these developments allow robust implementation of WBG components within compact converters that benefit, both, from control methods optimizing their HF behavior and from minimal-volume design of the associated common mode coils.

This research highlights the interactions between work carried out at the component level on the one hand, and on the structure and control of converters on the other hand. The proposed perspectives aim at developing combined actions starting from power components and moving towards the design of complex multi-converter systems that are compact, « clean » and efficient.