Vers une modélisation électromagnétique exhaustive et rapide du transformateur planaire par le principe de moindre action. Application à la conception d'un convertisseur isolé modulaire répondant aux contraintes aéronautiques

Towards an exhaustive and fast electromagnetic modeling of planar transformers using the principle of least action

• Auteur / Autrice : Lucas Pniak
• Direction : Olivier Bethoux, Loïc Quéval
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique, électronique, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 13/01/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Holé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Margueron, Guillaume Sandou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Lembeye, Marc Cousineau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Principe de moindre action

Transistors de puissance

Aéronautique -- Recherche

Modélisation électromagnétique

Transformateurs électriques

Mots clés libres

Transformateur planaire

Modélisation électromagnétique analytique

Euler-Lagrange

Convertisseur DC/DC isolés modulaires

Dual Active Bridge

Transistors GaN

Planar transformer

Analytical electromagnetic modeling

Euler-Lagrange

Modular isolated DC/DC converters

Dual Active Bridge

GaN transistors

Résumé

L'électrification des aéronefs définit les nouvelles exigences imposées à l'électronique de puissance moderne. Augmenter la densité de puissance, le rendement, et la fiabilité des convertisseurs, tout en faisant face à des contraintes spécifiques, faibles pressions, haute température, normes, est une priorité pour l'industrie aéronautiques. Le développement de nouvelles technologies de semi-conducteurs à grand gap (SiC et GaN) répond à ces besoins d'intégration et permet d'envisager l'augmentation des fréquences de découpage des convertisseurs de la centaine de kilohertz au mégahertz. Cette évolution a des conséquences sur les composants magnétiques qui subissent d'autant plus les effets de peau et de proximité dans leurs enroulements, les couplages capacitifs parasites entre spires et les courants de Foucault dans leur noyaux magnétiques. Ce manuscrit explore la modélisation électromagnétique analytique des transformateurs planaires, technologie bénéficiant de nombreux avantages : bonnes caractéristiques thermiques, haute densité de puissance, facilité, reproductibilité et faible coût de fabrication et éléments parasites prédictibles. L'objectif de ces travaux est de fournir au concepteur un outil et une méthode lui permettant d'estimer rapidement l'ensemble des paramètres électriques macroscopiques nécessaire au dimensionnement d'un tel composant, résistance AC, inductance de fuite, fréquences de résonance dues aux couplages capacitifs parasites et impédance en mode commun, et cela uniquement à partir de ses dimensions géométriques et des propriétés des matériaux. L'approche lagrangienne employée offre un formalisme mathématique puissant dont la complexité est à la hauteur de la difficulté du problème traité.

The electrification of aircraft defines new requirements for modern power electronics. Increasing power density, efficiency and reliability of converters, while facing specific constraints, low pressure, high temperature, standards, is a priority for the aircraft industry. The development of new wide band gap semiconductor technologies (SiC and GaN) responds to these integration needs and allows the increase of converter switching frequencies from a hundred kilohertz to megahertz. This evolution affects the magnetic components which are even more affected by skin and proximity effects in their windings, parasitic capacitive couplings between turns and eddy currents in their magnetic cores. This manuscript explores the analytical electromagnetic modeling of planar transformers, a technology with many advantages: good thermal characteristics, high power density, ease, reproducibility and low cost of fabrication and predictable and controllable parasitics. The purpose of this work is to provide the designer with a tool and a method allowing him to quickly estimate all the macroscopic electrical parameters necessary for the sizing of such a component, AC resistance, leakage inductance, resonance frequencies due to parasitic capacitive couplings and common mode impedance, only from its geometric dimensions and material properties. The Lagrangian approach used offers a powerful mathematical formalism whose complexity matches the difficulty of the addressed problem.