Méthode de pré-design par optimisation en électronique de puissance

par Mylène Delhommais

Thèse de doctorat en Genie electrique

Sous la direction de Jean-Luc Schanen et de Frédéric Wurtz.


  • Résumé

    Lorsqu'un concepteur de systèmes d'électronique de puissance est engagé dans un processus de pré-design, c'est-à-dire la définition du cahier des charges du système, il doit surmonter plusieurs difficultés. La première étant de trouver grâce à son expérience et à la littérature, toutes les architectures, topologies de conversion et technologies de composants susceptibles de répondre aux besoins du système. A partir de cette éventail, le concepteur doit en éliminer un certain nombre via des arguments qualitatifs ou quantitatifs jusqu'à ce qu'il n'en reste plus qu'un nombre très restreint. Il est primordial pour le concepteur que parmi les choix restant, celui-ci en connaisse les limites de design pour définir avec certitude le plan de développement du produit et les problématiques futures à résoudre. En d'autres termes, il lui faut définir la juste formulation du problème qui lui est posée. Posséder une méthode lui permettant d'atteindre cet objectif en toute confiance et dans les délais impartis est fortement désirable. Ceci est l'objet de cette thèse. Nous proposons donc une nouvelle approche basée sur le pré-dimensionnement par optimisation dans le monde continu (imaginaire) de systèmes d'électronique de puissance. La méthode proposée utilise en effet un algorithme d'optimisation basé sur le calcul du gradient du modèle du système. Cet algorithme permet de gérer un très grand nombre de paramètres de design, autrement dit permet d'explorer un large éventail de solutions dans le monde imaginaire. Il nécessite donc des modèles de systèmes d'électronique de puissance continus et dérivables avec des variables d'optimisation continues (imaginaires) malgré le caractère discret des composants utilisés en électronique. Les présents travaux de thèse ont donc consistés à proposer des modèles d'optimisation continus et dérivables d'un convertisseur Buck entrelacé utilisé dans un aéronef appelé « Stratobus » et à valider ces modèles d'optimisation par une démarche expérimentale sur un prototype complet. Ces modèles ont ensuite été utilisés pour le pré-dimensionnement de ce convertisseur dans le cadre du projet Stratobus permettant dans un premier temps une étude sur le mode de conduction et les matériaux magnétique minimisant la masse du convertisseur, puis une analyse de l'impact de variation de cahier des charges sur la masse du convertisseur. Enfin, les convertisseurs étant construits à partir de composants électroniques choisis sur étagère, une procédure de discrétisation a été mise en place pour revenir au monde réel.

  • Titre traduit

    Pre-Design by Optimization Methodology in Power Electronics


  • Résumé

    When a designer of power electronics systems is involved in a pre-design process, i.e. the definition of the system specifications, he/she has to overcome several difficulties. The first is to find, based on its experience and literature, all the architectures, conversion topologies and component technologies that can meet the needs of the system. From this list of possibilities, the designer must eliminate a certain number of them via qualitative or quantitative arguments until only a small number remains. It is essential for the designer that he/she knows the design limits of each remaining choices to define with certainty the product development plan and the future design issues to be solved. In other words, it must define the correct problem formulation. Having a method to achieve this objective with confidence and on schedule is highly desirable. This is the purpose of this thesis. We therefore propose a new approach based on preliminary design by optimization in the continuous (imaginary) world of power electronics systems. The proposed method uses an optimization algorithm based on the calculation of the gradient of the system model. This algorithm allows to manage a very large number of design parameters, in other words to explore a wide range of solutions in the imaginary world. It therefore requires continuous and differentiable models of power electronics systems with continuous (imaginary) optimization variables despite the discrete nature of the components used in electronics. The present thesis work has thus consisted in proposing continuous and derivable optimization models of an interleaved Buck converter used in an aircraft called "Stratobus" and validating these optimization models by an experimental approach on a complete prototype. These models have then been used for the pre-dimensioning of this converter as part of the Stratobus project. Firstly a study on the conduction mode and magnetic materials minimizing the mass of the converter has been performed. And then the impact of variation of the specifications on the mass of the converter has been analyzed. Finally, since the converters are built from electronic components chosen off the shelf, a discretization procedure has been set up to return to the real world.