Conclusion 144

Le cœur du convertisseur a été validé au long de ce chapitre. Tout d’abord nous avons dimensionné le convertisseur statique. Le dimensionnement a été fait pour deux topologies différentes ayant toutes deux 8 cellules de commutation en parallèle. Une solution de refroidissement thermique pour les composants GaN montés en surface a été étudiée et mise en œuvre. Ensuite, le dimensionnement optimal des filtres HT et BT a été discuté. La réalisation du filtre HT a été faite par mise en série d’inductances en poudre de fer et par mise en parallèle de condensateurs du type Film. Le filtre BT réalisé possède un coupleur isolé, deux inductances et un bloc condensateur réalisé par mise en parallèle des condensateurs céramiques. Le bobinage du coupleur isolé et des inductances a été réalisé sous forme d’un PCB multicouches d’une épaisseur totale de 4,5mm et les noyaux magnétiques ont été réalisés sur mesure à partir de la découpe des noyaux existants.

Les résultats expérimentaux ont permis de montrer le fonctionnement de cette topologie dans les deux sens de transfert de puissance. Les condensateurs parasites du coupleur et les inductances de connexion entre les cartes ont dégradé le fonctionnement du convertisseur et cela a interdit le fonctionnement avec un déphasage entre phases de 45°. Le rendement est inférieur à 95% prévus initialement. La cause principale est due aux condensateurs parasites du transformateur, dont l’énergie stocké est perdu lors de commutations.

Par ailleurs, nous avons noté une grande sensibilité aux temps de transmission des ordres de commande, et à la synchronisation des étages primaires et secondaires. Par exemple, il a été constaté qu’un décalage de 5 à 10 ns pouvait entraîner une variation de rendement de l’ordre de 0,3%. Cette sensibilité mériterait d’être étudiée en détail et quantifiée plus précisément ; elle pourrait éventuellement donner lieu à un réglage phase par phase, ce qui représenterait un travail important (et donc un inconvénient), mais permettrait d’identifier la cause de cet écart et in fine d’améliorer le rendement.

Dissipateur HT Noyaux Magnétique Têtes de Bobines

Chapitre 7 Conclusion Générale et

Perspectives

Ce manuscrit a décrit le dimensionnement et la réalisation d’un convertisseur bidirectionnel DC/DC isolé à plusieurs cellules pour une application aéronautique.

Dans un contexte de changement d’architecture des réseaux des bords des futurs avions, le dimensionnement optimal et la conception accélérée des convertisseurs statiques est plus que jamais nécessaire. D’un côté, les systémiers ont un grand besoin de connaître à l’avance les performances atteignables avec les systèmes d’électronique de puissance pour valider leur modèle système/réseau. De l’autre côté, les concepteurs de convertisseurs sont tenus de respecter des normes plus contraignantes et de pouvoir prévoir les performances et l’encombrement de ces convertisseurs avant même la phase de prototypage.

Actuellement, la conception assistée par ordinateur des convertisseurs reste un sujet de recherche. En particulier la conception, non pas assistée par ordinateur mais par

ordinateur, qui consisterait à laisser l’ordinateur déterminer la topologie et la valeur des

différents éléments, semble aujourd’hui largement hors de portée. Une des difficultés est liée aux temps de calcul associés aux outils d’analyse classiquement utilisés et qui interdisent l’intégration directe dans des routines d’optimisation ; il s’agit par exemple de la simulation temporelle pour l’étude des topologies, ou du calcul des champs pour l’étude du comportement magnétique ou thermique des différents composants. L’usage de modèles analytiques simplifiés est une des solutions proposées pour solutionner ce problème. Ces modèles, développés en partie durant cette thèse, accélèrent les routines d’optimisation mais sont limités du point de vue de leur domaine de validité ou de leur précision, ce qui impose des précautions et un savoir-faire particulier quant à leur utilisation. Une difficulté supplémentaire résulte de la nature discrète des composants réels; composants magnétiques réalisables uniquement avec des nombre de spires entiers, noyaux magnétiques standards ayant des valeurs discrètes, semi-conducteurs fabriqués en taille standard discrètes, etc… Actuellement des méthodes d’optimisation traitant cette difficulté sont largement étudiées mais nous n’avons pas directement abordé cette question dans cette thèse pour deux raisons principales. D’abord nous pensons qu’il y a encore beaucoup à faire dans le domaine du génie électrique pour poser correctement le problème de la conception, et par ailleurs nous avons le sentiment que les optima de ces systèmes physiques sont relativement ‘plats’ et que la discrétisation a posteriori (optimisation du système à variables continues et arrondi de la solution continue optimale) est, dans un premier temps une solution acceptable.

7.1

Sommaire

Au cours du Chapitre 2, nous avons développé des méthodes analytiques pour la conception et l’optimisation des objets utilisés en électronique de puissance. Les objets ont été séparés en trois principales classes : les matériaux, les dispositifs et les topologies. Ainsi, les routines informatiques créées sont facilement adaptables. Nous pouvons par exemple voir

l’impact du changement du matériau d’une inductance sans avoir besoin de réécrire l’objet inductance ou filtre. De plus, un nouveau matériau peut être ajouté à la routine sans changer le code informatique de l’inductance et/ou du filtre. Dans ce chapitre, nous avons décrit les objets de deux manières : par leur géométrie ou par une base de données. La description des objets par leur géométrie a été réalisée pour l’inductance et les dissipateurs, car ces objets peuvent être construits avec une assez grande liberté quant à la forme et aux dimensions que ce soit en utilisant les équipements de la plateforme 3Dphi du laboratoire ou en faisant appel à un sous-traitant. Les condensateurs et les semi-conducteurs calculés par nos routines à notre cahier des charges, ne peuvent pas, quant à eux, être produits par nous-mêmes ou commandés sur mesure auprès de grands groupes, aussi avons-nous utilisé une surface de réponse décrivant les composants existants et non un modèle de description physique. Le modèle est, dans ce dernier cas, une approximation des bases de données et se présente comme une simple équation mathématique. La programmation orientée objet adoptée dans ce manuscrit a permis de remplacer des feuilles de calcul par des routines évolutives tout en étant plus robuste à l’erreur avec des routines de vérification et créant ainsi une normalisation de la conception du convertisseur.

Le cahier des charges impose une structure de conversion bidirectionnelle et isolée. Au cours du Chapitre 3, nous avons étudié une nouvelle topologie de conversion ayant ces caractéristiques avec l’avantage de pouvoir être utilisé avec plusieurs cellules. Ainsi, le fort courant de la BT peut être réparti sur plusieurs interrupteurs. De ce fait, des composants rapides et donc propices à découper avec des fréquences de commutation élevées peuvent être utilisés. La structure de conversion est le cœur d’un convertisseur statique. C’est elle qui détermine les excitations de tous les autres composants comme les semi-conducteurs et les filtres. Ayant étudié une structure de conversion nouvelle, nous avons détaillé les modes de fonctionnement ainsi que les courants dans chaque interrupteur, la fonction de transfert moyenne et la façon dont les filtres HT et BT sont excités par cette structure.

En début de mes travaux de thèse, le calcul des pertes des semi-conducteurs rapides était peu maîtrisé au laboratoire. Or, la détermination de ces pertes est très importante pour les performances du convertisseur : rendement, poids des dissipateurs… Au long du Chapitre 4, nous développons des méthodes pour les qualifier et les quantifier. Une première approche par simulation a été réalisée. Cette approche nous a permis de qualifier l’importance des éléments dits ‘parasites’ de la maille de commutation et de quantifier de manière approximative les pertes des semi-conducteurs. Cette approche par simulation est généralement réalisable avec les seules informations disponibles dans les notices des constructeurs. Afin de prouver la validité de notre approche, un banc d’essais ayant pour but de mesurer les pertes des semi-conducteurs a été développé. Ce banc est basé sur une méthode non-intrusive de mesure de pertes. Puisqu’il a été semi-automatisé, les mesures de pertes ont pu être réalisées pour divers composants dans un court laps de temps.

L’isolation galvanique et le grand nombre de cellules nous a orienté vers l’intégration d’un ICT et d’un transformateur d’isolation, donnant naissance à un nouvel objet : le ‘coupleur isolé’. Les coupleurs non isolés ont été un des thèmes de recherche du Laplace au cours des dernières années. Les travaux menés au Chapitre 5 de cette thèse concernant le ‘coupleur isolé’ ont largement bénéficié de ce savoir-faire. Basé sur ces travaux, nous avons développé une méthode pour le dimensionnement par optimisation du coupleur isolé. Une base de données de matériaux magnétiques a été également construite et a permis d’éviter de choisir a priori les matériaux ; le choix du matériau magnétique est ici réalisé une fois l’objet

magnétique déterminé et non plus au début de la démarche, fait qui limitait la recherche du point optimal des composants magnétiques. Une routine de simulation vectorisée pour la vérification des objets a été également construite, permettant la simulation de coupleurs et des structures avec un nombre variable de phases sans changement du schéma de simulation.

Pour conclure, le convertisseur bidirectionnel DC/DC isolé a été dimensionné, construit et testé au cours du Chapitre 6. Ce dimensionnement a bénéficié de tous les outils développés dans les chapitres précédents. Une solution de refroidissement forcé qui consiste à extraire la chaleur par les bumps des composants GaN HEMT a été également implémentée. Cette solution a permis de réduire la résistance thermique jonction-air d’un composant de 47°C/W pour la convection naturelle à 9°C/W pour la convection forcée. Nous avons intégré les bobines du coupleur et de l’inductance BT dans un circuit imprimé ayant 22 couches et une épaisseur totale de 4,5mm. Ce circuit imprimé a permis de réduire les inductances parasites du coupleur isolé, très contraignantes pour le fonctionnement de la topologie. Le convertisseur final assemblé pèse 4,3kg avec une puissance volumique de 1,1kW/l. Les mesures en commutation ont montré la présence de fortes capacités de couplage entre le primaire et secondaire du transformateur estimées à 13,4nF par phase (107nF au total). Ces condensateurs sont responsables pour une baisse du rendement global de la structure de plus de 3%. Les deux sens de transfert de puissance ont été validés en boucle ouverte en tension et sans régulation des courants de phases. Les valeurs des champs magnétiques AC sont mesurées et montrent que le coupleur isolé est loin du champ de saturation, ce qui lui confère une robustesse vis-à-vis du déséquilibre du courant. Finalement, le convertisseur possède un rendement maximal de 92% pour une puissance transférée de 8,5kW dans le sens dévolteur et un rendement maximal de 90,7% pour une puissance transférée de 10kW dans le sens survolteur.