CS – CONVERTISSEURS STATIQUES

PRÉSENTATION

Responsable de groupe : Nicolas ROUGER

Le groupe Convertisseurs Statiques est basé sur le site N7 et développe à partir du concept de cellule de commutation des recherches selon 2 grandes thématiques qui sont d’une part le développement et l’utilisation de nouvelles topologies de convertisseurs multiniveaux et d’autre part l’intégration de puissance avec comme objectif un haut rendement et une forte densité de puissance.

Mots clés :

  • Efficacité énergétique
  • Densité de puissance (kW/kg)
  • Topologies multi-niveaux
  • Nouveaux composants
  • Fiabilité
  • Sureté de fonctionnement
  • Optimisation multi-échelle
  • Intégration de puissance

Les activités du groupe ainsi que les domaines d’application sont présentés dans le document ci-dessous :

Ces deux thématiques transversales nous ont conduit à structurer notre équipe selon 4 opérations de recherche :

OP1 : Architectures de forte puissance, applications réseaux d’énergie et pilotage numérique de structures hybrides complexes
OP2 : Méthodes d’études et outils pour la conception des convertisseurs de puissance
OP3 : Architectures et technologies pour l’intégration de puissance
OP4 : Architectures et technologies adaptées pour la sécurité électrique intégrée et la disponibilité

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, HIL). 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). 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.

Les objectifs scientifiques développés par le groupe CS sont de développer des recherches en Electronique de puissance afin de contribuer à l’avancement et l’acquisition de nouvelles connaissances dans notre domaine pour ensuite en mener la valorisation au travers de partenariats industriels ayant comme sujet des préoccupations sociétales majeurs en termes de gestion de l’Energie Electrique (Efficacité, transformation, intégration, fiabilité, …).

La stratégie de l’équipe est déclinée en deux étapes principales qui consiste à développer, étudier ou améliorer des nouvelles technologies / topologie / méthodes par utilisation de moyens et financements internes ou financements « public ». Cette première étape a bien sûr pour objectif l’innovation et de faire avancer le front des connaissances dans notre domaine. La seconde étape consiste quant à elle à réaliser le transfert et valorisation à l’aide de partenariats industriel (soit directement sous forme contractuelle soit au travers de projet nationaux ou Internationaux). Cette seconde étape peut également être propice à la collaboration étroite avec des partenaires industriels voir même susciter la création de startup.

Anne Castelan, Didier Flumian et Nicolas Rouger – Transformateur électronique de forte puissance à base de composants SiC :

Yuying Shi, Maxime Pain et Thierry Meynard- Validation de procédures de dimensionnement de tranformateur intercellules :

THÉMATIQUES

OP1 : Architectures de forte puissance, applications réseaux d’énergie et pilotage numérique de structures hybrides complexes

Les recherches menées dans le cadre de cette opération concernent principalement le développement et la conception de convertisseurs multicellulaires avec comme objectif, par l’association de cellules de commutation élémentaires ou association de convertisseurs, l’optimisation de l’efficacité énergétique ainsi que l’optimisation des formes d’ondes.

Transformateur électronique de forte puissance à base de composants SiC :

Convertisseur multicellulaire parallèle – Mise au point de lois de commande – Plateforme de test reconfigurable :

OP2 : Méthodes d’études et outils pour la conception des convertisseurs de puissance

Les architectures de conversion multicellulaires sont devenues une spécialité reconnue de l’équipe ; elles ont donné lieu à plusieurs transferts réussis vers l’industrie, tout d’abord en Moyenne Tension et Forte Puissance (1-10kV, 1_10MW) et se sont ensuite propagées dans des domaines de tension et de puissance de plus en plus basse, les plus récentes concernant les alimentations internes de nos téléphones portables (1-5V, 1-10W).
En parallèle, la révolution des composants semiconducteurs de puissance à grand gap est venue bouleverser notre discipline et a permis d’espérer des améliorations de nos systèmes.
Entre les architectures série, parallèle, ou hybrides qui permettent de mettre en compétition des composants de calibre de tension et de courant différents, et le choix entre composants Si ‘classiques’ ou grand gap, les concepteurs disposent donc aujourd’hui d’un nombre augmenté de degrés de liberté, mais aucune hiérarchie immuable ne peut être établie en ce domaine. Des méthodes et outils spécifiques doivent donc être développés pour assister la conception des convertisseurs de demain.

Lien de démonstration : http://power-conversion.enseeiht.fr/

OP3 : Architectures et Technologies pour l’intégration de Puissance

L’arrivée des transistors à matériaux grands gaps tels que le GaN, SiC voire diamant est maintenant une réalité et une opportunité pour aller au-delà des compromis classiques CEM/pertes/densité de puissance/thermique. Afin de tirer le plein bénéfice offert par ces nouveaux composants de puissance, il est nécessaire de proposer de nouvelles architectures et technologies pour l’intégration de puissance. Les applications où la densité de puissance est particulièrement contrainte sont visées (automobile, aéronautique, spatial), tout en ayant des contraintes fortes sur l’efficacité énergétique et la maîtrise des sources de perturbation CEM. Parmi les actions de recherche effectuées récemment, nous citons ici trois exemples particulièrement innovants, à la fois sur des concepts originaux mais aussi sur des mises en œuvre et démonstrations expérimentales à la pointe des avancées mondiales : thème 1. Gate Driver en technologie CMOS pour les transistors GaN HEMT et SiC MOSFET pour les applications 48V, 400V et au-delà, thème 2. Commande décentralisée et thème 3. Electronique de puissance à base de composants en diamant.

Banc de caractérisation électrique de composants à granp gap en régime extrême de fonctionnement et circuit intégré de commande rapprochée associé.

OP4 : Architectures et technologies adaptées pour la sécurité électrique intégrée et la disponibilité

Les activités de recherche spécifiques relevant de cette opération portent, depuis une quinzaine d’années, sur la conception de nouveaux composants et de nouvelles architectures de conversion plus robustes, plus sûrs et plus disponibles. En mêlant des concepts amonts et des développements technologiques, de la caractérisation et de la modélisation, les résultats obtenus au cours de ce quinquennat adressent aussi bien la fiabilité globale des secteurs critiques habituels (transports, aéronautique) que les applications exigeantes dites « à longue durée de vie » où la maintenance est annoncée comme extrêmement réduite pour des questions d’inaccessibilité, d’intégration, de risque de dé-fiabilisation et de coût (photovoltaïque, éolien, …). Nous présentons dans la suite un résumé des sujets les plus originaux et sources d’innovation, regroupées en trois thèmes allant de la puce de puissance jusqu’à la structure de conversion.

OP4 – Thème 1: Etude de la robustesse de semi-conducteurs WBG, exploitation de propriétés singulières, identification et maîtrise d’un nouveau mode de défaillance naturellement « sûr » et développement d’une protection active dédiée hautement intégrable. Les travaux les plus marquants à nos yeux ont été obtenus sur la famille Mosfet SiC dont les niveaux de fragilité et de maturité évolutifs constituent un frein aujourd’hui à sa diffusion malgré un niveau de performance très attractif. Notre approche consiste à compenser ce manque de fiabilité intrinsèque par des approches nouvelles de diagnostic et de mise en sécurité rapprochée de la puce par des solutions discrètes ou hybridées (Thème 2), ou de l’intégration fonctionnelle (opé. n°3 du groupe).

Tara Niakan et Frédéric Richardeau – Banc de caractérisation électrique de composants à granp gap en régime extrême de fonctionnement et circuit intégré de commande rapprochée associé.

OP4 – Thème 2: Technologies avancées pour l’amélioration de la fiabilité par l’intégration de puissance.

La démarche amont et originale conduite ici repose sur de l’intégration fonctionnelle et sur la simplification des assemblages de puissance par la suppression des interconnexions filaires puce-boitier jusqu’à l’intégration hybride de puces « nues » WBG (off-package) sur PCB : un bras d’onduleur Mosfet SiC mêlant flip-chip, clip et condensateurs enfouis, nous a permis de réaliser une maille de commutation orthogonale de seulement 1,2nH. Nous contribuons également, en lien avec l’opération n°3 du groupe et l’équipe ISGE du LAAS, à l’intégration monolithique verticale de cellule de commutation « ultime » sur puce silicium : un onduleur en pont ZVS dont la partie high-side est totalement intégrée dans une seule puce tripôle RC-IGBT à anode commune a été validé et constitue à nos yeux une très belle avancée ainsi que l’illustration d’une collaboration fructueuse de plus de dix avec l’équipe ISGE du LAAS.

OP4 – Thème 3: Topologies de conversion sécurisées et à tolérance de panne interne.

La démarche de fond, qui est aussi une des spécialités reconnues du groupe, vise à montrer que l’ajout ou l’exploitation de degrés de liberté topologiques permet de compenser un niveau de fiabilité initial potentiellement réduit en raison d’un nombre élevé de composants ou d’un niveau de maturité limité comme sur les composants WBG. Notre vision est donc d’aller au-delà de la notion de fiabilité déduite d’un taux d’occurrence au premier défaut pour considérer une fiabilité plus globale définie sur un critère de disponibilité incluant les propriétés de redondance topologique qu’elles soient intrinsèques ou ajoutées.

MOYENS SCIENTIFIQUES

Le groupe Convertisseurs Statiques dispose d’outils de conception de prototypes, ainsi que le test des convertisseurs (4 x 15kVA, 2 x 25kVA, 1 x 60kVA, 1 x 100kVA, Raccordement 150kW et charge 50kVA), incluant la génération de la commande (numérique, analogique, HIL) et la conception et la caractérisation de circuits intégrés CMOS utiles pour la commande rapprochée et éloignée des cellules de commutation ou convertisseurs de puissance.

Le groupe Convertisseurs Statiques est fort de nombreux partenaires industriels et universitaires :

  • Industriels : AIRBUS, ALSTOM et Transport Plate-forme PRIMES, CIRTEM, HELION, LIEBBHER Aerospace, S2M, SCHNEIDER ELECTRIC-APC, SNCF-Direction de l’Ingénierie, NXP semicondcutors, TECHNOFAN, RENAULT-TECHNOCENTRE, VALEO, ZODIAC, RONGXIN POWER ELECTRONIC Co, …

  • Universitaires : G2ELAB, LAAS ; SATIE, Insitut Néel, University of Cambridge, GRUCAS (Université Fédérale Santa Catarina, Brésil), LEEPCI (Université Laval, Quebec), Ecole Nationale d’Ingenieurs de Tunis – LSE, PowerLab (Université technique fédérale Santa Maria Valparaíso, Chili), IES, …

Le groupe CS est porteur du laboratoire commun Systèmes Embarqués pour la Mobilité Autonome SEMA, en partenariat avec la société NXP semiconductors et les laboratoires LAAS et Laplace (voir le site du SEMA)

Le groupe CS est également à l’origine de nombreux brevets (accessibles gratuitement ici), comme par exemple :

  1. « MULTIPHASE DC TO DC CONVERTERS WITH PHASE SHEDDING, AND SUB-UNITS AND METHODS THEREFOR », Application Number 19306558.8 , NXP USA, Inc. and INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE, date de dépôt 03 December 2019 , inventeurs : Loic HUREAU, Marc Michel COUSINEAU.

  2. « DISTRIBUTED INTERLEAVING CONTROL OF MULTIPHASE SMPCS », Application Number 19306559.6 , NXP USA, Inc. and INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE, date de dépôt 03 December 2019 , inventeurs : Miguel MANNES HILLESHEIM, Marc Michel COUSINEAU, Eric Pierre ROLLAND, Philippe GOYHENETCHE and Guillaume Jacques Leon AULAGNIER.

  3. « DISTRIBUTED CONTROL OF A VOLTAGE REGULATOR », Application Number 19306578.6, NXP USA, Inc. and INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE, date de dépôt 05 December 2019 , inventeurs : Guillaume Jacques Leon AULAGNIER, Miguel MANNES HILLESHEIM, Eric Pierre ROLLAND, Philippe GOYHENETCHE and Marc Michel COUSINEAU.

  4. GATEAU, Guillaume, MEYNARD, Thierry, POSTIGLIONE, Gianluca, et al. Electric power converter. U.S. Patent Application No 16/420,128, 28 nov. 2019.“Multi-Level Inverter Topologies for Medium and High Voltage Applications,”

  5. Odriozola, T.A. Meynard, and A. Lacarnoy, US patent A2000-7629 (APC-0704-US-PSP). (déposants Schneider Electric, CNRS, INPT)

  6. « Détecteur de court-circuit pour transistor de puissance par surveillance du courant de sa grille », Frédéric RICHARDEAU, Jean-Marc BLAQUIERE, François BOIGE, Sébastien VINNAC, FR2011599, 12/11/2020, INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE, CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE, UNIVERSITE TOULOUSE III – PAUL SABATIER

  7. « MULTIPHASE DC TO DC CONVERTERS WITH PHASE SHEDDING, AND SUB-UNITS AND METHODS THEREFOR », Application Number 19306558.8 , NXP USA, Inc. and INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE, date de dépôt 12/02/2020, inventeurs : Loic HUREAU, Marc Michel COUSINEAU.

  8. « DISTRIBUTED INTERLEAVING CONTROL OF MULTIPHASE SMPCS », Application Number 19306559.6 , NXP USA, Inc. and INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE, date de dépôt 12/02/2020, inventeurs : Miguel MANNES HILLESHEIM, Marc Michel COUSINEAU, Eric Pierre ROLLAND, Philippe GOYHENETCHE and Guillaume Jacques Leon AULAGNIER.

  9. « DISTRIBUTED CONTROL OF A VOLTAGE REGULATOR », Application Number 19306578.6, NXP USA, Inc. and INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE, date de dépôt 12/02/2020, inventeurs : Guillaume Jacques Leon AULAGNIER, Miguel MANNES HILLESHEIM, Eric Pierre ROLLAND, Philippe GOYHENETCHE and Marc Michel COUSINEAU.

  10. « MODULAR INTERLEAVING TECHNIQUES FOR SCALABLE POWER ELECTRONICS CONVERTER », Application Number 20305395.4, NXP USA, Inc. and INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE, date de dépôt 12/02/2020, inventeurs : Miguel MANNES HILLESHEIM, Marc Michel COUSINEAU, Eric Pierre ROLLAND, Philippe GOYHENETCHE and Guillaume Jacques Leon AULAGNIER.

  11. FR 252156 – « PROCEDE DE COMMANDE D’UN CONVERTISSEUR ALTERNATIF-CONTINU DE TYPE MMC, CONVERTISSEUR ALTERNATIF CONTINU DE TYPE MMC ET PRODUIT PROGRAMME D’ORDINATEUR », D. GUEDON, S. CORNET, P. LADOUX, S. SANCHEZ – Co-déposants EDF, CNRS, INPT – Décembre 2020.

  12. Multi-level inverter topologies for medium-and high-voltage applications ; K Odriozola, T Meynard, A Lacarnoy ; US Patent App. 16/883,174

  13. Electric power converter, G Gateau, T Meynard, G Postiglione, G Borghetti, D Falchi, US Patent 10,574,130

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