Outil de développement et d'optimisation dédié aux onduleurs SiC de forte puissance

Design Optimization Tool for Aeronautic High Power SiC Inverter

• Auteur / Autrice : Adrien Voldoire
• Direction : Jean-Luc Schanen, Jean-Paul Ferrieux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 02/10/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Allard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyrille Gautier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Meynard, Eric Labouré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbure de silicium

Aéronautique

Dimensionnement (ingénierie)

Composants électroniques

Onduleurs (électricité)

Mots clés libres

Electronique de puissance

Onduleur de tension

Optimisation

Filtrage

Composants passifs

Pertes

Power Electronics

Voltage Source Inverter (VSI)

Optimization

Filters

Passive components

Losses

Résumé

La volonté de diminuer la consommation en carburant en aéronautique amène à repenser les architectures de distribution et de conversion de puissance embarquées. L’utilisation d’un outil d’optimisation déterministe apparait comme une solution prometteuse pour prendre en compte les compromis intrinsèques aux convertisseurs statiques en pré-dimensionnement, avec pour objectif de minimiser leur masse. Un outil d’optimisation est donc proposé pour apporter des éléments de comparaison entre différentes topologies d’onduleur et entre différentes solutions technologiques.Le développement de l’outil passe par l’élaboration de modèles analytiques pour être compatible avec l’utilisation d’un algorithme à base de gradients. Une analyse harmonique reposant sur des transformées de Fourier permet de reconstituer les ondulations de chaque signal, en regard des normes aéronautiques. La modélisation s’intéresse également à la construction de modèles pour les composants passifs et actifs, permettant en particulier d’évaluer les pertes et donc le rendement du convertisseur. L’intégralité des modèles développés fait l’objet d’une validation expérimentale sur un prototype à 10 kW.L’utilisation d’un algorithme à base de gradient n’étant pas classique en électronique de puissance, des études sont menées pour valider la méthodologie proposée. Ces études montrent l’adéquation du choix d’un tel algorithme avec le besoin de pré-dimensionnement, tout en indiquant ses limites et les perspectives. Enfin, l’outil d’optimisation est utilisé pour comparer différentes solutions architecturales et technologiques sur des cas d’application aéronautiques. Les résultats obtenus sont discutés en regard des méthodes de dimensionnement classiques.

The exponential development of aircraft transportation is a threat in the context of global warming. One of the solutions investigated consists in increasing the amount of embedded electrical power systems and actuators. Using a deterministic optimization tool appear as a promising solution to take into account the multiple compromises in a power converter design during the pre-design step, with the goal to minimize the weight. An optimization tool is proposed to bring comparative elements between different inverter topologies and technological solutions.The development of the tool requires elaborating analytical models to be compliant with the gradient-based algorithm. Harmonic analyses with Fourier transform enable calculating the signal ripples, to respect aircraft standards. Components are also designed precisely with appropriate loss models to estimate the converter efficiency. All the developed models are experimentally validated with a 10 kW prototype.As the use a gradient-based algorithm is not common in power electronics, studies are carried out to validate this proposed methodology. These studies show the effectiveness of the algorithm choice in the pre-design step, and indicates some limits and forecasts. Finally, the algorithm is used to compare different architectural and technological solutions on aircraft cases. The results are discussed regarding classical sizing methodologies.