Apports des FPGAs pour la commande des systèmes de conversion de l’énergie électrique

Un composant FPGA est un circuit intégré numérique composé d’un grand nombre d’éléments ou blocs logiques programmables et reconfigurables sans modification matérielle significative. Aujourd’hui, les composants FPGAs sont devenus indispensables dans les systèmes numériques et sont utilisés dans de multiples domaines d’applications en raison des nombreux avantages obtenus lors de leur utilisation [Detrey, 2007]. Parmi tous ces avantages, on peut notamment citer :

1- L'augmentation croissante du niveau de performance temps réel tout en réduisant le coût et l’encombrement,

2- L’amélioration des performances. Ce mode d’implantation permet par exemple de réduire le temps d’exécution d’un algorithme afin de permettre au contrôleur à base de FPGA d’atteindre le niveau de performance des contrôleurs analogiques, sans présenter les inconvénients de ces derniers (dérive, manque de souplesse, problème de compatibilité électromagnétique, ….),

3- Leur grande souplesse de programmation permet de les réutiliser à volonté pour cibler des algorithmes différents en un temps très court, ceci à l’aide d’une même plate-forme de développement,

4- La rapidité et la facilité de reconfigurer un FPGA autant de fois que nécessaire pour implanter les fonctionnalités désirées.

En raison de tous ces avantages, les FPGAs sont aujourd’hui utilisés dans diverses applications nécessitant des traitements numériques importants tels que le traitement du signal et de l’image, le contrôle/commande des machines électriques, la mesure de vitesse, le contrôle des convertisseurs statiques de puissance, les équipements médicaux, la télécommunication, l’aéronautique, les transports, la bio-informatique, l’automobile, la robotique ou encore plus généralement l’accélération de calculs scientifiques.

Dans notre domaine d’application des systèmes de conversion de l’énergie électrique, les composants FPGAs ont déjà été utilisés avec succès pour la commande de ces systèmes, pour le contrôle d’onduleurs ou de convertisseurs multi-niveaux ou bien encore la commande de filtres actifs [Monmasson, 2002], [Aime, 2007], [Gateau, 2007], [Naouar, 2007], [Shu, 2008].

III.2.5.1. Structure et éléments constitutifs d’un composant FPGA

Un FPGA est programmé par l’intermédiaire de ces cellules mémoires de type SRAM (Static Random Access Memory). Cette technologie SRAM permet de sauvegarder la configuration à implanter et également de reconfigurer le FPGA autant de fois que nécessaire pour implanter les fonctionnalités désirées. Cette souplesse de programmation est très utile lorsqu’une erreur de conception est diagnostiquée car il suffit alors de reprogrammer le FPGA avec une version corrigée du contrôleur. La figure III-3 présente l’architecture générale d’un FPGA, basée sur des cellules mémoires SRAM.

Figure III-3. Architecture générale d’un composant FPGA.

Les éléments constitutifs d’un FPGA sont toujours à peu près les mêmes quelle qu’en soit l’architecture ou le fabricant. Nous citons dans ce qui suit un certain nombre de ces éléments :

Blocs logique configurable Blocs entrés/sorties configurable Matrice de routage

- Les éléments logiques

Ce sont les blocs de base de tout circuit FPGA. On peut réaliser dans ces blocs les opérations de type logique combinatoire. Ces blocs ont souvent la même constitution et cela malgré la différence de fabricants et d’architectures. La structure la plus courante est celle de la figure III-4 qui présente la structure de base. Ces structures sont généralement constitués d’une ou plusieurs tables ou LUT (Look Up Table) qui contiennent, après configuration du FPGA, la table de vérité de la fonction logique qu’elles doivent réaliser ou alors un ensemble de valeurs qui sont mémorisées. Les tables LUT sont suivies d’un registre de sortie, ce qui permet de synchroniser, si nécessaire, la sortie sur une horloge. La plupart des blocs logiques de bases sont munis d’une chaîne de propagation rapide de retenue afin de former de petits additionneurs rapides.

Figure III-4. Structure de base d’un composant programmable.

- Les éléments de mémorisation

Actuellement, les FPGAs sont utilisés pour des applications qui requièrent très souvent des capacités de stockage. La nécessité d’intégrer des blocs de mémorisation directement dans l’architecture des FPGAs est vite devenue capitale et de ce fait opérationnelle. De cette façon, les temps d’accès à la mémoire sont réduits puisqu’il n’est plus nécessaire de communiquer avec des éléments extérieurs au circuit.

- Les éléments de routage

Les éléments de routage sont les composants les plus importants dans les FPGAs. En fait, ces éléments représentent la plus grosse partie du silicium consommée sur la puce du circuit. Ces ressources sont composées de segments (de longueurs différentes) qui permettent de relier entre eux les autres éléments via des matrices de connexions. Le routage de ces ressources est un point

Sortie Entrée Entrée Clk Sortie combinatoir e Sortie Filip-Flop

puisqu’ils sont directement liés à la fréquence maximale de fonctionnement et à la surface utilisée.

- Les éléments d’entrées/sorties

Le but des éléments d’entrées/sorties est de relier le FPGA à son environnement extérieur. Ceux-ci peuvent bénéficier de protections, de mémorisation ou d’autres éléments permettant la gestion des entrées et des sorties. En particulier, il est important de noter que les circuits actuels proposent différentes normes pour les niveaux d’entrées et de sorties qui par configuration peuvent êtres choisies afin de s’adapter à l’environnement du composant.

- Les éléments de contrôle et d’acheminement des horloges

L’horloge est un élément essentiel pour le bon fonctionnement d’un système électronique. Les circuits FPGA sont prévus pour recevoir une ou plusieurs horloges. Des entrées sont spécifiquement réservées à ce type de signaux, ainsi que des ressources de routage spécialement adaptées au transport d’horloges sur de longues distances. Les circuits FPGA disposent en interne d’éléments de gestion de l’horloge (par exemple des PLLs). Ces éléments permettent de créer à partir d’une horloge d’autres horloges à des fréquences différentes de la fréquence de l’horloge d’entrée.