Le choix d’un convertisseur est une tâche qui repose encore beaucoup sur l’expérience du concepteur, et sur des méthodologies basées sur essai/erreur, en simulation et/ou en expérimentation. L’équipe s’est positionné pour proposer des méthodologies plus efficaces permettant de réduire drastiquement les temps de développement. Deux approches complémentaires ont été poursuivies :
1°) Dimensionnement par optimisation
2°) Conception automatique à base de cellules standards de conversion
Dimensionnement par optimisation
Les convertisseurs d’électronique de puissance doivent répondre à des cahiers des charges bien précis, et parfois même impossibles à tenir. L’expérience du concepteur est déterminante pour choisir d’emblée un point de l’espace des solutions (topologie, choix technologiques et premier choix de dimensionnement « vraisemblable ») qui permettra d’aboutir à une solution éligible, qui devra ensuite être dimensionnée et optimisées par des simulations fines itératives et souvent des prototypes.
Nous avons proposé dès les années 2000 une méthodologie générique de dimensionnement par optimisation, en formulant le problème sous forme d’optimisation sous contraintes. La résolution de ce problème permet d’obtenir un optimum théorique du convertisseur, de comparer des topologies ou des technologies de manière objective, ou d’analyser l’impact du cahier des charges sur le convertisseur.
Exemple de comparaison de topologies d’onduleurs de 75kW de puissance nominale en fonction des critères Coût-Volume-Rendement (thèse Meriem Ouzouigh – CIFRE Schneider Electric)
Conception automatique à base de cellules standards de conversion
Cette approche consiste à concevoir les convertisseurs par assemblage de cellules standards de conversion préconçues, optimisées et caractérisées. Les options de configuration automatisée de ces cellules standards en série et/ou en parallèle en entrée comme en sortie permettent d’obtenir un convertisseur satisfaisant au cahier des charges et dont on connait parfaitement le comportement avant même sa réalisation.
Pour cela, un banc complet de caractérisation des cellules standards de conversion permet d’extraire le comportement de tous types d’associations dans toutes les conditions normales de fonctionnement. Un algorithme automatique d’association des cellules et de détermination des interconnexions a été développé, permettant d’obtenir un convertisseur complet dimensionné, facile à assembler et à produire en quelques heures à partir de cellules de conversion et d’interconnexions standardisées.
Cette méthode, inspirée de la microélectronique, est en rupture vis-à-vis des usages de conception en électronique de puissance, allant bien au-delà des « Power Electronics Building Blocks » des années 90, elle présente de nombreux avantages en termes de modularité, circularité, de CEM et de vitesse et simplicité de conception qui la rendent aujourd’hui très intéressante à développer.
Réalisation d’un convertisseur 1kW à base d’une cellule élémentaire Dual Active Bridge de 20V-20V-100W.
Banc de caractérisation Courant-Tension-Température pour déterminer le comportement de la cellule élémentaire en fonction de sa mise en situation
Collaborations en cours
L'équipe est impliquée dans plusieurs projets en cours
Dernières publications
A.Voldoire, JL.Schanen, JP.Ferrieux, B.Sarrazin, C.Gautier, "Predesign Methodology of Voltage Inverters using a Gradient-Based Optimization Algorithm", IEEE JESTPE (Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics), vol. 9, no. 5, pp. 5895-5905, Oct. 2021, doi: https://10.1109/JESTPE.2021.3092576
M.Delhommais, T.Delaforge, JL.Schanen, F.Wurtz, C.Rigaud, "A Predesign Methodology for Power Electronics Based on Optimization and Continuous Models: Application to an Interleaved Buck Converter", MDPI Designs 2022, 6, 68. https://doi.org/10.3390/designs6040068
M. Tadbiri-Nooshabadi, J-L. Schanen, H. Iman-Eini and L. G. A. Rodrigues, "Optimization of EMI Filters of Multi-Level Flying Capacitor Boost Converter," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 60, no. 5, pp. 7156-7169, Sept.-Oct. 2024, doi: https://10.1109/TIA.2024.3425796
A Andreta , L F Lavado Villa 2 , Y Lembeye and J-C Crebier “A novel automated design methodology for power electronics converters”. (2021). Electronics, 10(3), 271. doi: https://doi-org.sid2nomade-1.grenet.fr/10.3390/electronics10030271
F. Salomez, H. Pichon, Y. Lembeye and J. -C. Crébier, "PWM Strategy for the Cancellation of the Common Mode Noise Generated in a Multicell DC–AC Converter," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 39, no. 9, pp. 11124-11133, Sept. 2024, doi: https://10.1109/TPEL.2024.3406770
G. de Freitas Lima, F. Ndagijimana, Y. Lembeye and J. -C. Crebier, "Prediction and Optimization of Near Magnetic Field Produced by Interconnections of Multi-cell Converters," PCIM Europe digital days 2021; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Online, 2021, pp. 1-8.