Amélioration des performances de la méthode intégrale de volume circuit pour la simulation des dispositifs d’électronique de puissance

Performance improvement of the circuit volume integral method for the simulation of power electronics devices

• Auteur / Autrice : Kouceila Alkama
• Direction : Olivier Chadebec, Gérard Meunier, Jean-Michel Guichon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 01/04/2022
• 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) - G2Elab-Modèles, Méthodes et Méthodologies Appliqués au Génie Electrique (G2Elab-MAGE)
• Jury : Président / Présidente : Christian Vollaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Edith Clavel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Pichon, Yvonnick Le Menach

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Mesures gaussiennes

Calcul adaptatif

Mesures électromagnétiques

Mots clés libres

Modélisations électromagnétiques

Peec

Méthodes intégrales de volume circuit

Quasi statique

Estimation d'erreur

Maillage adaptatif

Peec

Volume Integral methods

Computational Electromagnetics

Quasi static

Error estimation

Adaptive mesh

Résumé

Les travaux de cette thèse portent sur l'amélioration des performances de la méthode intégrale de volume circuit (PEEC non-structurée) permettant la modélisation des interconnexions électriques dans les dispositifs d'électronique de puissance en régime harmonique. Les formulations PEEC utilisées considèrent une approximation quasi-statique des phénomènes étudiés, où la limite de validité correspond aux fréquences où la taille du dispositif devient comparable à la longueur d’onde des signaux électriques en jeu. Cette méthode permet la traduction du dispositif étudié en un réseau de résistance, d'inductance propres et mutuelles, et de capacités. Ces améliorations consistent entre-autre à trouver une écriture efficace du système d'équations à résoudre par des solveurs itératifs dans un contexte de compression matricielle. Le préconditionnement de ces systèmes est également étudié afin d'améliorer la performance et la vitesse de la convergence du solveur itératif, notamment en utilisant un préconditionneur basé sur une décomposition LU d'une matrice comportant une partie des termes de la matrice du système d'équation, ou en explorant l'utilisation d'un préconditionneur multi-grille géométrique pour la méthode PEEC. Une autre amélioration consiste en la proposition d'une procédure de raffinement adaptatif de maillage. Elle est contrôlée par un critère d'estimation d'erreur de discrétisation permettant ainsi son autonomie complète. La précision de calcul des intégrales du noyau de Green est également améliorée à travers le développement d'algorithmes d'intégration avec points de Gauss adaptatif. Toutes ces améliorations permettent une modélisation d'un ensemble de régions volumiques 3D, surfaciques 2D et filaires 1D avec des matériaux conducteurs et diélectriques en connectant des éléments circuits 0D passifs et actifs externes

The work focuses on the improvement of the performance of the circuit volume integral method (unstructured PEEC) allowing the modeling of electrical interconnections in power electronic devices in harmonic regime. The PEEC formulations used consider a quasi-static approximation of the studied phenomena, where the limit of validity corresponds to the frequencies where the size of the device becomes comparable to the wavelength of the electrical signals computed. This method allows the representation of the studied power electronic device with a network of resistances, self and mutual inductances, and capacitances. These improvements consist, among other things, in finding an efficient writing of the equations system to be solved by iterative solvers in a matrix compression context. The preconditioning of these systems is also studied in order to improve the performance and the convergence speed of the iterative solver, in particular by using a preconditioner based on an LU decomposition of a matrix build with a part of the terms of the matrix of the equations system, or by exploring the use of a geometric multigrid preconditioner for the PEEC method. Another improvement consists in the proposal of an adaptive mesh refinement procedure. It is controlled by a discretization error estimation criterion allowing its complete autonomy. The accuracy of the computation of Green's kernel integrals is also improved through the development of integration algorithms with adaptive Gauss points. All these improvements allow the modeling of a set of 3D volume, 2D surface and 1D wire regions with conductive and dielectric materials by connecting passive and active 0D external circuit elements