Développements scientifiques

L’Électronique de Puissance est au cœur des problématiques énergétiques actuelles, notamment dans le cadre des actions autour de « l’Énergie et du Développement Durable ». L’équipe EP porte ses efforts de recherche sur les points bloquants liés à l’Électronique de Puissance au travers des problématiques d’applications industrielles énergétiques innovantes. Ses projets sont centrés sur son savoir-faire en structures, commande rapprochée, composants et réduction des perturbations électromagnétiques générées par les convertisseurs. Ceci nécessite des compétences larges au niveau du Génie Électrique (composants actifs, compatibilité électromagnétique, filtres, commande temps réel, …) afin de pouvoir adapter ces convertisseurs à leur environnement. L’objectif est d’utiliser de façon optimale les composants pour assurer le meilleur compromis « simplicité – efficacité énergétique et qualité de l’énergie ».

Actuellement, l’équipe focalise principalement son activité de recherche sur la montée en fréquence des structures de conversion pour les applications de faible et moyenne puissance, et collabore avec l’équipe Réseaux sur la montée en tension des convertisseurs reliés aux réseaux Haute Tension (HVDC) par utilisation de convertisseurs de la famille des Modular Multilevel Converter (MMC).

La montée en fréquence des convertisseurs nécessite une modélisation fine de tous les éléments des structures. Ainsi la caractérisation et la modélisation des composants (actifs, passifs, connectiques…) sont les briques de bases du design des convertisseurs HF, ainsi que la modélisation et le choix de leur commande rapprochée. Ceci permet d’exploiter au mieux les performances de ces dispositifs, tant au niveau de la conversion d’énergie, que de leur comportement CEM.

1. Modélisation, caractérisation et design des composants magnétiques pour
les convertisseurs :

Inductances et transformateurs planar de puissance

Dans l’objectif d’amélioration de la densité de puissance des convertisseurs, la réduction du volume des éléments passifs est un enjeu majeur, en particulier concernant les bobines de lissage qui doivent être adaptées à la montée en fréquence des convertisseurs (composants grand gap). Ainsi, l’équipe s’intéresse à la réalisation et l’optimisation de bobines à faible encombrement réalisées sur circuit imprimé avec des matériaux magnétiques minces, en portant une attention particulière aux effets thermiques ainsi qu’à la maîtrise des phénomènes électrostatiques pouvant limiter la plage d’utilisation en haute fréquence de ces composants.

Ces solutions sont pour l’instant destinées aux convertisseurs à grand gap de faible puissance.

Pour des puissances un peu plus importantes, les composants magnétiques planar « standards » sont une solution pour permettre l’accroissement des densités de puissances et l’efficacité des convertisseurs DC/DC embarqués. L’équipe EP développe des modèles (analytiques et numériques) permettant de prédire le comportement des transformateurs et inductances planar : Modèles comportementaux HF, modèles de pertes, inductance de fuite, capacités parasites et aspect thermique. Des prototypes peuvent ensuite être réalisés sur la base de noyau ferrite planar et d’enroulements feuillards ou sur la base de spécifications de circuits imprimés multicouches (PCB).

Composants magnétiques pour filtres CEM

L’équipe développe des méthodes de caractérisation et des outils de dimensionnement en vue d’optimiser le volume des éléments de filtrage des perturbations électromagnétiques générées par les convertisseurs de puissance. Les fréquences considérées s’étendent jusque plusieurs dizaines de mégahertz, mettant en jeu divers couplages inductifs et capacitifs entre les différents constituants du système, participant notamment à la circulation de courants de mode commun dans le conducteur de terre. À l’aide de méthodes de caractérisation développées au laboratoire, des modèles sont élaborés avec une large plage de validité en fréquence, prenant en compte les aspects magnétiques, électrostatiques, et la propagation dans les câbles de puissance.

Ces modèles permettent de déterminer le niveau des perturbations dans la chaîne de conversion, afin notamment de concevoir la bobine de mode commun nécessaire à leur filtrage avec un encombrement minimal.

 

2. Modélisation, caractérisation des composants actifs et design de cellules de conversion HF :

La montée en fréquence des convertisseurs permet une réduction de la taille, du poids et du volume des convertisseurs. Cependant, les cellules de commutation deviennent plus sensibles à leur environnement de fonctionnement. La simulation fine permet d’estimer les commutations et les pertes.
Les composants en carbure de silicium (SiC) et nitrure de gallium (GaN) commercialisés aujourd’hui permettent d’atteindre des fréquences de commutation bien plus élevées que celles de leur équivalent silicium. Dans le cadre du projet CE2I, le L2EP a choisi de concentrer ses efforts sur les composants GaN. Des modèles pour la simulation fine sont développés, s’appuyant sur des caractérisations à l’aide de méthodes innovantes pour l’électronique de puissance. L’utilisation des paramètres S permet de déterminer les éléments parasites intrinsèques au composant (résistances, inductances, capacités…) de façon précise. La caractérisation sur PCB et la modélisation de ce dernier permettent d’obtenir une bonne concordance entre les données de simulation et expérimentales.

3. Structures de conversion et applications

Convertisseurs DC/DC pour réseaux HVDC

La modélisation et la commande des convertisseurs de type MMC sont le fruit de la collaboration entre les équipes EP et Réseaux qui a mené au développement d’un modèle simplifié du convertisseur MMC (DC/AC) facilitant l’élaboration de sa commande éloignée. Ces travaux se poursuivent actuellement pour des conversions de type DC/DC pour HVDC avec des structures s’appuyant sur les bras du MMC : M2DC, double MMC… Les travaux sont orientés sur les modes de commandes, leurs degrés de liberté et le design à adapter au ratio de transformation DC/DC. Des implémentations sont prévues sur les prototypes MMC de l’équipe Réseaux.

Architecture de commande d’un bras M2DC – DCin = V1 , DCout = V2

Blocs de commande pour maquette M2DC – 3 bras                Maquette MMC (équipe Réseaux)

 

Convertisseurs HF et stockage hybride pour traction électrique

Le développement de moyens de transport décarbonés contraint les constructeurs automobiles à développer des sources d’énergie électrique performantes, économiques et durables. Les progrès sur les stockeurs, même s’ils sont importants, ne permettent pas un développement massif des véhicules électriques. L’hybridation des sources d’énergie (Puissance/Énergie) peut apporter des solutions performantes pour certaines applications. Des travaux de l’équipe EP ont permis de proposer des solutions pertinentes concernant la masse et le volume de ces sources, mais également concernant la durée de vie. L’association des différentes sources d’énergie doit se faire en utilisant des convertisseurs pour gérer les flux d’énergie.

Ces convertisseurs peuvent être un handicap en ce qui concerne le volume et la masse embarquée. Un soin particulier doit donc être porté sur l’encombrement et la masse de ces derniers. Des travaux ont déjà fait l’objet d’une thèse sur le sujet avec la société VALEO dans le cadre du projet européen SUPERLIB (thèse N. Allali) et vont être poursuivis par une seconde thèse à partir de janvier 2019. Celle-ci permettra d’explorer différentes solutions d’architecture permettant de limiter la puissance et la masse de l’électronique de puissance embarquée.

Prototype de convertisseur d’interface pour système de stockage hybride (thèse N. ALLALI -2016)