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Conception de convertisseurs - Grenoble INP - G2Elab

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Conception de convertisseurs

Conception de convertisseurs et leur valorisation

Les travaux effectués au sein de cet axe ont pour objectif général la conception de convertisseurs statiques. Une partie importante de ces recherches concerne l’optimisation de convertisseurs statiques pour répondre au mieux aux applications relatives à nos collaborations. Plusieurs thèmes ont été développés de façon transverse pour atteindre les objectifs de compacité et d’efficacité généralement rencontrés : l’emploi de la résonance, la modularité et les composants actifs et passifs. Dans certains cas, des développements spécifiques ont été nécessaires en terme de stratégies de commande, en lien avec l’équipe SYREL, en particulier sur la gestion intelligente des sources modulaires (Photovoltaïque, Battery Management System).
De façon conjointe, l’équipe s’est engagée depuis plusieurs années sur une thématique plus amont relative aux réseaux de micro-convertisseurs, avec pour ambition d’une part de concevoir une brique de base optimisée et d’autre part de proposer l’assemblage d’un grand nombre d’entre elles pour atteindre une conception la plus générique possible.

De nouvelles topologies de convertisseurs pour des contraintes exigeantes

Le recours à la commutation douce a été nécessaire pour les systèmes de fortes puissances, seul moyen pour améliorer le rendement d’un convertisseur pour une technologie donnée. Ces principes ont été employés pour les alimentations sans interruption de fortes puissances (200kVA) avec Schneider-Electric (APC-MGE) et le L2EP. La quasi-résonance a également été introduite pour la conversion AC-DC sur des structures alimentées en courant pour des applications ferroviaires (convention Cifre avec la société ADENEO).

Une deuxième classe de convertisseurs à résonance a été exploitée pour le transfert d’énergie sans contact. L’équipe EP développe des compétences dans ce domaine, en lien étroit avec l’équipe MAGE pour l’aspect relatif au coupleur électromagnétique. Les besoins dans ce domaine sont nombreux et mettent en exergue des contraintes fortes à la fois sur le convertisseur et sur le coupleur magnétique. 3 thèses se sont déroulées pour lesquelles différentes topologies de coupleur ont été optimisées en considérant plusieurs types de résonance.
Ces travaux ont permis d’aborder trois classes d’applications : le ferroviaire avec un système de recharge de tram en station pour lequel un prototype à échelle réduite de 100 kW a été réalisé au laboratoire1, le véhicule électrique pour des recharges rapides et l’aéronautique pour laquelle un système de transfert d’énergie vers une partie tournante a été imaginé dans le contexte d’un robot de perçage vibrant (Collaboration avec EADS et Cedrat technologies dans le cadre du FUI Avibus).

La modularité

La modularité a été envisagée par l’équipe selon deux directions complémentaires : une première approche qui, à partir d’un besoin, vise à employer une association de convertisseurs avec pour objectif d’optimiser la conception du convertisseur final. Inversement, l’approche « réseaux de micro-convertisseurs » propose une nouvelle démarche de conception, indépendante du cahier des charges et qui sera basée sur l’association d’un grand nombre de cellules élémentaires optimisées.

Le développement de systèmes dédiés aux réseaux électriques nécessitent la mise au point de convertisseurs pour des applications moyenne ou haute tension. Du fait du grand nombre d’interrupteurs mis en jeu et de contraintes de disponibilité des systèmes, l’association de convertisseurs élémentaires est une réponse pertinente. Cela permet le développement de structures modulaires aptes à fournir des solutions pouvant s’adapter à des plages de tension/courant variables et d’assurer une redondance permettant d’augmenter la disponibilité des systèmes.

Ces travaux ont été appliqués dans les domaines des réseaux électriques dans le cadre de thèses en co-tutelle avec l’université de Téhéran sur le développement de transformateurs « moyenne fréquence » ou encore dans le développement de structures FACTs insérées en série sur les réseaux2. Dans des applications embarquées, comme le ferroviaire ou le véhicule électrique par exemple, ce type d’associations permet à la fois une plus grande disponibilité, mais également une adaptation plus facile à des cahiers des charges variés.

Une démarche en rupture : les Réseaux de Micro-Convertisseurs

L’approche Réseaux de Micro-Convertisseurs permet d’envisager la conception de convertisseurs de puissance par l’usage de cellules de conversion élémentaires qui, mises en série et/ou en parallèle dans un réseau configurable ou figé, permettent de répondre à n’importe quel cahier des charges de la conversion de puissance. Cette approche a nécessité, d'une part, l'étude de la mise en œuvre, du comportement et des avantages que peut présenter la mise en réseau d'un grand nombre de Micro-Convertisseurs. En effet, des points tels que la connectique, le refroidissement, la CEM mais aussi la fiabilité ont dû être
abordés afin d'estimer la viabilité de cette approche. D'autre part, il a aussi été nécessaire de proposer une brique élémentaire présentant d'excellentes caractéristiques de rendement et fortement intégrée afin de permettre un large champ d'applications. Pour cela, une structure de conversion, le Dual Active Bridge, a été choisi pour ses caractéristiques statiques et dynamiques mais aussi pour ses prédispositions à l’intégration et un Micro-Convertisseur de puissance utilisant la technologie CMOS 0,35µm a été réalisé et son hybridation avec la partie passive du composant par report de puce a été étudiée. Un premier composant d’une puissance de 10W pour une densité de puissance de 11kW/litre a ainsi été proposé dans le cadre de l’ANR MiCoNet2. Aujourd’hui les réflexions s’orientent vers le développement d’un outil d’aide à la conception, voire de conception automatique, de convertisseurs d’électronique de puissance basée sur cette approche3.

Composants passifs : intégration et optimisation

Les développements autour de l’intégration hybride de composants passifs ont été poursuivis dans deux directions complémentaires.

Un volet modélisation des composants LCT (inductance, condensateur, transformateur intégré) et optimisation du dimensionnement a été engagé. Il s’appuie, d’une part, sur les techniques de modélisation par plaques (méthode LEEC - Lumped Element Equivalent Circuit) développés par l’équipe pour le prototypage virtuel de transformateurs planar en vue de les appliquer au cas spécifique du composant LCT. D’autre part, sur une modélisation thermique de type nodale du composant LCT. Appliquée à un composant LCT de 60W, ces deux modèles, couplés dans un outil d’optimisation intégrant les contraintes technologiques ont ainsi pu conduire, grâce à une meilleure maîtrise des sources de pertes, à la réduction de 40% de son volume. Ces travaux se poursuivent dans les équipes MAGE et MADEA sur la modélisation PEEC des composants bobinés.

Un volet technologique a été abordé, en collaboration avec Thales R&D et le LGEP, dans le cadre du projet MaCoMac HF en vue d’évaluer la réalisation par cofrittage de composants bobinés (Technique LTCC – Low Temperature Co-fired Ceramics). Les premiers résultats montrent un fort potentiel pour cette technologie puisque mise en œuvre dans un convertisseur entrelacé DC/DC 12V-3,3V 10W non isolé intégrant deux inductances, cofrittés elle permettrait d’atteindre des puissances volumiques de l’ordre de 13kW/litre (pour un état de l’art à 11,4 kW/l dans le domaine considéré).

Optimisation de convertisseurs

La conception d’un convertisseur implique souvent son optimisation. Un convertisseur optimal ne résulte pas de l’assemblage de composants optimisés vis-à-vis de leurs propres contraintes et il est nécessaire de dépasser l’expertise de l’ingénieur. C’est dans cet esprit que l’équipe s’est orientée vers l’assemblage des modèles adaptés à l’optimisation et intégrés aux outils définis par l’équipe MAGE (CADES, GOT). Des résultats significatifs ont été obtenus tels que ceux avec Liebherr4.
1 J-R. Sibué, G. Kwimang, J-P. Ferrieux, G. Meunier, J. Roudet, R. Périot "A Global Study of a Contactless Energy Transfer System: Analytical Design, Virtual Prototyping and Experimental Validation" IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 28 Number10, pp 4690 – 4699, octobre 2013

2 M. Saradarzadeh ; S. Farhangi ; JL. Schanen ; PO. Jeannin ; D. Frey, “Application of cascaded H-bridge distribution-static synchronous series compensator in electrical distribution system power flow control”, IET Journal of Power Electronics, 5, 9, 1660-1675, 2012

3 O. Deleage, J-C. Crebier, M. Brunet, Y. Lembeye, H. Tran-Manh, "Design and Realization of Highly Integrated Isolated DC/DC Microconverter" IEEE Transactions on Industry Applications, Volume: 47 Issue:2, pp 930 – 938, March-April 2011

4 B. Touré, JL. Schanen, L. Gerbaud, T. Meynard, R. Ruelland, J. Roudet, "EMC Modeling of Drives for Aircraft Applications: Modeling Process, EMI Filter Optimization and Technological choice" IEEE transactions on Power Electronics Vol 28 n°3, February 2013, pp 1145 - 1156
 
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