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I. E TAT DE L ’ ART DES CONVERTISSEURS CONFIGURABLES

I.3. E VOLUTION TECHNOLOGIQUE ET PERSPECTIVES

La discrétisation de la fonction de conversion et l’effort de conception qui justifie

l’approche réseau de micro-convertisseurs ont été mis en évidence par [Hdt09]. Dans un

premier temps l’optimisation de la cellule élémentaire ne fut pas l’objectif principal d’étude.

La recherche était focalisée sur la problématique de la mise en réseau d’un très grand nombre

de micro-convertisseurs. Une étude a été menée par rapport au stockage d’énergie au sein du

réseau pour compenser le nombre d'éléments de filtrage qui augmente en fonction du nombre

de cellules élémentaires. Dans ce contexte une solution, basée sur le couplage magnétique

entre toutes ou des groupes de cellules élémentaires, a été proposée. Elle était caractérisée par

l'introduction et la conception d’un transformateur intercellulaire, qui s’est avéré être une

approche très lourde de manière conceptuelle (voir Figure I.15).

Figure I.15 – Mise en œuvre d’un RµC [Hdt09]

[Del09] représente la base de tous les travaux suivants sur le sujet réseau de

micro-convertisseurs. La conception et la réalisation d’une cellule élémentaire de taille extrêmement

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réduite ont fait l’objet de cette thèse. La structure du micro-convertisseur a été basée sur

l’intégration et l’hybridation des composants actifs et passifs (voir Figure I.16). L’intégration

des parties primaire et secondaire de puissance (l’onduleur et le redresseur) a été faite sur la

base de technologies CMOS déjà existantes afin de réduire la taille et le volume de la cellule

élémentaire. La filière du fondeur AustriaMicrosystems AMSC35 s’avère un outil bien adapté

au contexte de la conversion d'énergie et accessible via le service CMP [AMS], [CMP]. Toute

une méthode de dimensionnement et de conception d’un bras d’onduleur intégré dans une

puce avec sa commande rapprochée et semi-éloignée a été développée et mise en œuvre. La

commande semi-éloignée avait pour objectif de simplifier la commande du RµC en

entrelaçant toutes les cellules élémentaires activées par un seul signal central de façon

aléatoire pour ne pas changer le déphasage entre elles à chaque reconfiguration du RµC. Un

autre axe de recherche dans cette thèse a été la conception d’un micro-transformateur et d’une

inductance. D’un côté grâce aux faibles calibres en courant et en tension du

micro-convertisseur (3.3V/0.3A) et d’un autre côté grâce à la fréquence de découpage élevée

(1MHz), il était possible de concevoir des composants passifs de tailles très réduites mais en

revanche la réalisation technologique est restée un point bloquant. C’est notamment la raison

pour laquelle la conception et la réalisation de micro-transformateur et micro-inductances ont

été abordées au cours de ce travail de thèse.

Figure I.16 – Vue en 3D du micro-convertisseur [Del09]

Un autre point bloquant qui a eu lieu pendant ces travaux est la réalisation globale du

micro-convertisseur. A cause d’un potentiel flottant au niveau de l’inductance du filtre de

sortie, le redresseur n’était pas opérationnel puisque son alimentation n’était pas stable.

Malgré tout, ces travaux représentent le guide de conception en ce qui concerne la partie

active de puissance et les commandes rapprochées et semi-éloignées.

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L’intégration et l’hybridation étaient les piliers des travaux suivants qui ont eu pour

objectif l’augmentation de la densité de puissance de la cellule élémentaire et la création d’un

réseau [Hiu13]. Dans ce contexte, le calibre en courant a été augmenté à 2A pour la même

technologie d’intégration des composants actifs utilisée par [Del09], ce qui donne une

puissance plus que six fois plus élevée. La structure de la cellule élémentaire a été choisie à la

base d’un compromis par rapport à des critères conceptuels comme le volume et le nombre

des composants passifs et actifs, le facteur de dimensionnement, la facilité pour la commande

et la compatibilité technologique. Le convertisseur standard en double pont complet a été

remplacé par un convertisseur DAB qui n’a pas d’inductance de filtrage à sa sortie [Kdd91].

En ce qui concerne les composants passifs, un effort a été fait pour le dimensionnement d’un

transformateur planar. Pourtant, sa taille reste importante comparée à la partie active de

puissance (voir Figure I.17). De plus, il s’est avéré que la conception de la cellule élémentaire

reste un point contraignant en termes de rendement. Les résultats pratiques ont montré un

rendement maximal non satisfaisant de 87% pour 2W de puissance transférée. Par

conséquent, bien qu’une technologie de configuration du réseau de micro-convertisseurs ait

été développée, la réalisation d’un réseau est restée en arrière plan.

Figure I.17 – Réalisation de la cellule élémentaire [Hiu13]

A l’issu des travaux précédents, les défis technologiques et conceptuels pour la réalisation

et la mise en œuvre d’un réseau de micro-convertisseurs sont mis en évidence. Il s’agit

notamment de la réalisation d’une cellule élémentaire compacte et fiable dont les

performances sont optimisées et d’une stratégie de configuration du RµC simplifiant la

commande et les interconnexions de celui-ci. Pour rendre viable la réalisation de cette

approche, les travaux dans cette thèse seront focalisés sur les aspects suivants :

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 Optimisation du volume et augmentation de la densité de puissance de la cellule

élémentaire. Ceci sera possible grâce aux technologies d’intégration et de report des

composants actifs disponibles. Jusqu’à maintenant la cellule élémentaire a été

dimensionnée pour 3.3V [Del09], [Hiu13] mais la technologie d’AMS C35b4 permet

de concevoir des circuits intégrés jusqu’à 5V [AMS], [CMP]. L’augmentation de la

puissance de la cellule élémentaire permettra d’optimiser d’une part son rendement

et d’autre part d’augmenter sa densité de puissance. Des solutions pour l’évacuation

de la chaleur par le substrat de la CE seront étudiées et mises en œuvre afin de

réduire au maximum les dimensions de la cellule élémentaire.

 Optimisation des phénomènes parasites au niveau de la cellule élémentaire. Même si

les rendements des cellules élémentaires dans les travaux précédents n’étaient pas

bons, les résultats étaient encourageants. Les technologies d’assemblage de la cellule

élémentaire ont une importance majeure pour l’amélioration de ses performances. Ce

sont notamment les procédés de report des composants actifs sur le circuit imprimé

qui rajoutent des résistances de contact et inductances parasites dans les circuits. Le

report flip-chip est une solution pour assurer un bon contact électrique et mécanique

entre les circuits intégrés et le circuit imprimé par la brasure directe des plots des

puces sur les zones de contact au niveau du substrat. Ceci permet ainsi d’étudier et

développer des solutions pour la gestion thermique de la CE. Dans ce contexte, des

techniques de report seront étudiées, caractérisées et mises en œuvre.

 Solution pour l’intégration d’une matrice de connexions qui permettra de

reconfigurer les cellules élémentaires en fonction du cahier de charges souhaité.

Cette matrice est composée de plusieurs interrupteurs [Hiu13] qui peuvent être

configurés en fonction de l’association désirée des cellules élémentaires. Ce point est

important compte tenu du fait que le nombre des interrupteurs et des connexions

dans la matrice augmente en fonction du nombre des CE au sein du réseau. Plus le

réseau est flexible au niveau des cahiers de charges, plus la matrice de

reconfiguration est complexe. Par conséquent, une solution pour l’intégration des

interrupteurs de la matrice de reconfiguration sera développée.

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 Mise en réseau et validation expérimentale de l’approche. C’est l’objectif final de la

thèse, mettre en application concrète l'approche RµC sur un ou deux cas concrets. La

réalisation d’un démonstrateur et la validation de son fonctionnement pour une ou

plusieurs applications vont justifier l’effort engagé pour la conception de la cellule

élémentaire et montrer l’originalité de cette approche.

Les objectifs listés ci-dessus sont tout à fait atteignables compte tenu du fait que nous

partons d’une base déjà développée. Il faudra s’approprier les technologies et les méthodes de

conception et de réalisation pour développer et améliorer, autant que les technologies

d’aujourd’hui le permettent, une cellule élémentaire performante et compacte. Dans ce

contexte, la section suivante porte sur les besoins de dimensionnement optimal de la cellule

élémentaire.