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Introduction à la conversion statique

par Agnès Gaunie Picart - publié le , mis à jour le

Contexte général

Les convertisseurs statiques sont des circuits électriques utilisant des semi-conducteurs de puissance en régime de découpage pour traiter l’énergie électrique à haut rendement et assurer les fonctionnalités suivantes :

  • Transformation : génération d’une tension alternative à partir d’une source continue et vice versa.
  • Régulation : alimentation constante d’une charge à partir d’une source variable.
  • Adaptation : alimentation d’une charge basse tension à partir d’une source haute tension et vice versa.


Objectifs de l’électronique de puissance

Nos activités de recherche couvrent les problématiques principales de la conversion d’énergie électrique et reposent sur la combinaison d’approches théoriques et expérimentales autour de la notion de cellule de commutation.

Le groupe s’est spécialisé dans l’étude de nouvelles structures de convertisseurs multicellulaires de moyenne et de forte puissance (du kW au MW) mettant en jeu des agencements originaux des cellules de commutation imbriquées séries, superposées parallèles et la parallélisation globale ou partielle par des dispositifs innovants de couplages magnétiques. Ces agencements, considérés seuls ou mixés, sont mis à profit pour produire des formes d’ondes multiniveaux à haute fréquence apparente permettant de réduire le coût du filtrage sur une très large gamme de besoins :

  • pour des applications à très basse tension d’alimentation (de 10V à 50V) : parallélisation de cellules,
  • pour des applications à très haute tension d’alimentation (>kV) et/ou à fort courant (>500A) : imbrication et superposition de cellules.

Ceci en intégrant les contraintes spécifiques à ces domaines dès la phase de conception.

La validation de ces nouvelles structures de conversion nécessite le développement spécifique de contrôles analogiques et numériques rapides permettant l’observation et la gestion de l’ensemble des variables d’état internes. Elle passe systématiquement par une réalisation expérimentale à un niveau de puissance significatif, ce qui suppose de traiter les problèmes de connectique, de thermique, d’assemblage tridimensionnel et d’intégration de la commande (ASIC, FPGA). Des outils de simulation, co-simulation et d’optimisation sont utilisés, adaptés et couplés afin de déterminer, globalement, les meilleurs compromis lors de la phase de dimensionnement et de commande rapprochée (MLI). Cette méthodologie est en particulier mise en œuvre pour la conception de convertisseurs compacts dans le cadre du programme 3DPHI. Ces études sont complétées par des travaux sur la robustesse des composants de puissance et leurs modes de défaillance en relation avec la topologie du circuit donnant lieu à de nouvelles structures sécurisées et à propriétés de tolérance de pannes.