Moyens d’essais et caractérisation
Les moyens d’essais de l’équipe électronique de puissance visent à pouvoir tester et caractériser les différents constituants des convertisseurs de puissance. On retrouve ainsi plusieurs bancs de caractérisation pour les aspects composants actifs, composants passifs, compatibilité électromagnétique (CEM) et composants pour le stockage de l’énergie électrique, ainsi que plusieurs outils logiciels de simulation.
1. Moyens de caractérisation pour les composants actifs & passifs
Dans le cadre des activités de recherche sur les convertisseurs HF, la visualisation des signaux sur oscilloscopes met en oeuvre des mesures de tension et de courant aussi bien par sondes actives (bandes passantes d’au moins 100MHz pour des calibres d’au moins 1000V et 30A, respectivement) que passives (sonde 4kV 400MHz, shunts 1GHz…). Ces dernières sont particulièrement adaptées à la mesure des variations rapides des tensions et courants dans les cellules de commutation intégrant des composants semi-conducteurs à base de matériaux à large bande interdite (SiC, GaN). L’équipe dispose notamment d’une sonde de courant de surface permettant la mesure non intrusive et à large bande passante du courant commuté à l’échelle de la nanoseconde, avec une faible impédance d’insertion. Un oscilloscope 2GHz permet de profiter de toute la bande passante des équipements les plus performants.
CARACTERISATION COMPOSANTS GaN & SiC
L’équipe dispose de plusieurs alimentations programmables de puissance 10kW, de charges spécifiques, ainsi que de divers moyens de mesure dédiés à la caractérisation des matériaux et composants utilisés dans ses différentes activités: analyseur d’impédance (jusque 110MHz), micro-ohmmètre de précision, analyseur de réseau vectoriel (VNA, de 9kHz à 4.5GHz), amplificateur de puissance HF, pinces d’injection et de réception de courant, moyens d’acquisition de données et de pilotage d’instruments par ordinateur. Ces outils sont notamment exploités pour la caractérisation magnétique et diélectrique des matériaux magnétiques en fonction de la fréquence et des contraintes thermiques et de polarisation, ainsi que pour la caractérisation statique et dynamique des composants semi-conducteurs de puissance, afin d’établir des modèles reproduisant fidèlement le comportement des dispositifs étudiés. Concernant le prototypage électronique, l’équipe bénéficie de matériel de gravure de circuits imprimés ainsi que d’équipements de réalisation de circuits multicouches et de montage de composants CMS.
EXEMPLES DE MOYENS DE CARACTERISATION DE COMPOSANTS ACTFS & PASSIFS
Ces moyens expérimentaux sont associés à des méthodes de caractérisation développées au sein de l’équipe EP, que ce soit pour les composants actifs ou passifs.
CARACTERISATION PETIT SIGNAL DE TRANSFORMATEUR PLANAR A L’AIDE D’UN ANALYSEUR D’IMPEDANCES HP4294A
Des bancs de caractérisation spécifiques peuvent aussi être développés pour les essais en puissances des composants. Des caméras thermiques sont disponibles pour réaliser la mesure des échauffements dans les composants.
BANC DE CARACTERISATION EN PUISSANCE DE TRANSFORMATEURS PLANAR (5kW)
2. Essais de CEM
Les activités expérimentales autour de la CEM bénéficient d’espaces équipés de plans de masse, de plusieurs réseaux stabilisateurs d’impédance de ligne (RSIL) adaptés à diverses normes, d’un récepteur de mesure CEM, et de divers autres équipements permettant l’étude de la propagation des perturbations conduites à haute fréquence (HF) dans une chaîne de conversion de puissance. Ainsi, l’équipe dispose notamment d’un analyseur de spectre, de divers transformateurs de courant HF (de bandes passantes s’étendant à plusieurs centaines de mégahertz), et d’un oscilloscope à haute résolution (12 bits) permettant de compléter les mesures fréquentielles par des analyses temporelles.
BANC DE CARACTERISATION CEM
3. Banc de caractérisation et de cyclage de batteries et supercondensateurs
L’équipe électronique de puissance dispose de deux bancs de caractérisation et cyclage de composants pour le stockage de l’énergie électrique (batteries et supercondensateurs). Le premier, destiné aux tests de packs, permet de monter à 60V et 400A. Il est équipé de 12 capteurs de température et peut mesurer jusqu’à 28 tensions des éléments en série. Il a donc comme particularité de pouvoir tester un pack dans sa globalité mais également de pouvoir s’intéresser en détail aux éléments de ce module.
Banc de test de modules & Banc de test à quatre voies de mesure
Le second banc de test a pour objectif de caractériser le comportement énergétique et électrique d’éléments pour des applications à courant fort (500 Ampères). La particularité de ce banc est d’être modulaire, c’est-à-dire de pouvoir s’adapter à un grand nombre de systèmes de stockage en réalisant le minimum de modifications logicielles ou matérielles.
Le banc est composé de quatre voies de cyclage et mesure avec des calibres en tension et courant de 20V et 600A. Il permet donc de pouvoir démultiplier les essais dans différentes conditions. Les voies fonctionnent par paires et en opposition de cycle, l’objectif étant de limiter les pics de puissance à apporter lorsqu’un grand nombre de voies est utilisé simultanément.
Synoptique du banc de test à quatre voies de mesure
Ces deux moyens d’essais complémentaires vont de pair avec des méthodes de caractérisation de supercondensateurs et accumulateurs Li-Ion développées dans l’équipe et en partenariat avec l’ESTACA (Laval).
4. Outils de simulation
Les caractérisations expérimentales permettent la modélisation et la simulation numérique des dispositifs étudiés sous différents environnements informatiques dédiés à l’étude des circuits ou au calcul de champs (PSpice, PLECS, PSIM, LTspice, ADS, Comsol, InCa3D, FEMM, ANSYS) ainsi qu’au traitement des données (MATLAB, Python). Une station de travail offre une puissance de calcul conséquente avec une haute disponibilité pour les calculs longs.
OUTILS DE SIMULATIONS NUMERIQUES
