Réseaux de convertisseurs et conception assistée: du concept à la filière technologique

par Théo Lamorelle

Projet de thèse en Genie electrique

Sous la direction de Jean-Christophe Crebier et de Yves Lembeye.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de Génie Electrique (laboratoire) et de Electronique de Puissance (equipe de recherche) depuis le 13-02-2017 .


  • Résumé

    Le laboratoire G2Elab et plus particulièrement l'équipe EP sont engagés dans un travail de recherche visant à faire évoluer les méthodes de conception des convertisseurs de puissance ainsi que leurs méthodes de production en proposant une approche basée sur des briques (ou cellules) de conversion élémentaires qui, par associations série et/ou parallèle permettent de répondre à tous types de cahiers des charges. Cette démarche, appelée Réseaux de Micro-Convertisseurs (RµC), a déjà donné lieu à plusieurs thèses au G2ELab. Durant celles-ci des efforts importants ont été consentis pour mettre en œuvre les technologies nécessaires (actifs intégrés, passifs planars, reports sur PCB, …), développer, prototyper et caractériser des architectures et topologies innovantes, le tout pour réaliser plusieurs briques de conversion élémentaires compactes et efficaces permettant de répondre aux besoins et exigences de cette approche (>90%, densité de puissance transférée 10kW/L). Aujourd'hui tous les constituants de ces briques de conversion élémentaires ainsi que les techniques d'assemblage semblent prêts pour passer à la phase de mise en œuvre et de démonstration en réseau et d'ores et déjà sur la base de cette approche les premiers convertisseurs ont vu le jour (Figure 1). Le cœur de la démarche part du constat que tous les types de cahiers des charges en électronique de puissance peuvent être satisfaits par l'association en série et ou en parallèle de cellules de conversion élémentaires performantes. Cela ouvre la voie à un formalisme à partir duquel une démarche de conception et de fabrication conduit à réduire la diversité des composants et des fonctions utilisés. Dès lors, une approche analytique robuste peut être développée pour répondre efficacement à n'importe quel cahier des charges compatible avec le champ applicatif considéré. Pour cela, trois axes majeurs ont été développés, et continuent de l'être, pour pleinement profiter du formalisme et du rationalisme offerts par cette nouvelle approche de conception. • Méthode et outil de conception (Outil PEDA Power Electronics Design Automation) Le premier axe repose sur le développement d'une méthodologie de conception, fortement automatisée, robuste et efficace, permettant à l'ingénieur concepteur de ne pas rentrer dans les détails pointus de la discipline. Cette méthodologie a été implantée dans un outil/environnement de conception spécifique. Pour cela, nous avons conduit un travail de fond pour formaliser la démarche de conception, sous-entendu les algorithmes permettant de synthétiser un convertisseur statique DC/DC à partir de l'association en série et/ou en parallèle en entrée et en sortie de cellules élémentaires. Pour compléter la partie hardware, l'outil permet de générer également, la partie firmware à associer au convertisseur statique. Plus concrètement, nous avons conçu un outil de type « Design Platform » capable d'exploiter les données d'un Design Kit, de faire mouliner des algorithmes pour produire l'ensemble des fichiers nécessaires à la production du convertisseur statique ainsi synthétisé. Pour cela, nous nous sommes fortement appuyés sur un environnement de conception très utilisé en électronique, la suite d'outils Altium Designer • Environnement technologique Le second axe consiste à développer un environnement technologique permettant de répondre aux exigences de performances et de fiabilité des cahiers des charges modernes tout en garantissant, pour le concepteur, les meilleurs compromis. L'environnement technologique inclut une plateforme de production d'un jeu de cellules élémentaires ainsi que de tous les éléments de contrôle et de mesure permettant de répondre aux besoins d'un champ applicatif donné. • Design Kit Entre les deux axes précédents, un design kit décrit le contenu de l'environnement technologique et alimente l'outil de conception. Ce design Kit prend la forme d'une base de données. Cette base de données renferme toutes les informations nécessaires à la description de la technologie (domaine d'application, caractéristiques générales, certifications) mais aussi informe sur l'ensemble des composants et macro composants (composants complexes permettant de réaliser une fonction donnée : cellule élémentaire, organe de contrôle, élément de mesure, …) utilisables pour les réalisations dans cet environnement technologique. Enfin, est aussi décrit dans cette base de données l'ensemble des informations concernant les conditions de fabrication des convertisseurs faits dans cette technologie. Dans ce contexte l'objectif de cette thèse est principalement de co-développer et déployer une filière technologique industrielle c'est à dire aller jusqu'à l'industrialisation dès la conception (pousser l'exercice au-delà de la POC) dans le domaine d'application de MAATEL qui est le médical. Le projet consiste à définir, en lien avec l'industriel, les contours et le cahier des charges de la filière technologique industrielle, répondant aux champs applicatifs de l'industriel. L'activité de recherche sera concentrée sur la généralisation des méthodes de sélection et de mise en œuvre des composants et fonctions composant la filière, la structuration des règles de conception, une partie importante étant consacrée à l'introduction des contraintes de certification dans tout le processus de développement. Tous les travaux seront conduits avec pour fil conducteur les travaux et l'approche de conception automatique développés au laboratoire. Des travaux complémentaires sont d'ailleurs déjà engagés au laboratoire pour compléter le développement des filières et permettre la définition des DRM et des PDK (Design Rule Manual et Process Design Kit) adaptés à chaque filière, ces éléments étant également essentiels à la mise en œuvre d'une filière et du processus de conception assisté. Ces travaux précurseurs doivent permettre de dégager la méthodologie avec laquelle cette technologie pourrait être proposée à d'autres acteurs et pour d'autres champs applications que ceux évoqués plus haut. Quelques éléments spécifiques autour de la certification seront étudiés avec plus d'attention : Mise en place des procédures de caractérisation qui permettront d'extrapoler le comportement d'une cellule ou d'un nombre prédéfini de cellules pour garantir le comportement d'un convertisseur réalisé par ce procédé afin de garantir (travail en compléments de ce qui est fait par la thèse G2ELab) : • les certifications (qualifications) • le respect des normes CEM, CE ... • Spécifier les cahiers de fabrication afin de garantir la conformité de ce qui est réalisé • Évaluer l'impact du sourcing sur la variabilité des caractéristiques obtenus (caractéristiques électriques, fiabilité, ...). Une deuxième facette de ce travail sera de confronter la démarche de conception et de fabrication proposée ici à la démarche classique. Cela se fera en partant de cahier des charges réalistes de fonctions de conversion que MAATEL doit ou a du concevoir et réaliser et en comparant les objets réalisés par ces deux approches sur tous les aspects pertinents : coût, volume, fiabilité, réponse aux normes … afin de dégager des pistes de progrès. Ce travail se déroulera dans les locaux de la société MAATEL et du G2Elab au sein de l'équipe Electronique de Puissance.

  • Titre traduit

    Converters newtork et assisted design: from concept to manufacturing process


  • Résumé

    Grenoble Electrical Engineering Laboratory is working on power converters design. We would like to design power converters by an approach based on modular converter. The software (Altium's Addon) will use a tool named PEDA (Power Electronis Design Automation) to create the association of modular converter. Moreover, a technological industry will be created in order to complete the software. Maatel will work with G2Elab and will use the manufacturing process we are going to build.