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]