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Accueil > Thèses et HDR > Thèses en 2021

20/07/2021 - Etienne FORAY

par Laurent Krähenbühl - publié le , mis à jour le

Etienne Foray soutient sa thèse le 20/072021 à 13:15. Lieu : INSA de Lyon, Département GE, Amphithéâtre AE1 du bâtiment Gustave Ferrié
Conception d’un convertisseur DC/DC isolé intégré, haute-tension basse-puissance pour applications automobiles.

Jury :
Yves Lembeye - Professeur - Grenoble INP - Rapporteur
Bernhard Wicht - Professeur - Leibniz University - Rapporteur
Corinne Alonso - Professeur - LAAS-CNRS - Examinatrice
Sonia Ben Dhia - Professeur - INSA Toulouse - Examinatrice
Aleksandar Prodic - Professeur - University of Toronto - Examinateur

Bruno Allard - Professeur - INSA Lyon - Directeur de thèse
Christian Martin - Professeur - Univ Lyon 1 UCBL - co-Directeur de thèse

Résumé :
Dans le contexte actuel de transitions écologique et énergétique, une multiplication des bus DC haute-tension est observée dans certaines applications telles que les véhicules électriques ou le photovoltaïque. En parallèle, certains systèmes requièrent d’être alimentés directement à partir de la source principale d’énergie : pour l’automobile, l’exemple du Pyroswitch peut être cité. Il s’agit d’un actionneur dont le rôle est de déconnecter physiquement la batterie haute-tension du véhicule électrique en cas d’accident et qui, pour des raisons de sécurité, doit être alimenté directement par la batterie principale (dont la tension aujourd’hui est proche de 400 V voire 800 V). Ainsi naît le besoin d’un convertisseur DC/DC isolé avec une forte tension d’entrée et une faible tension et puissance en sortie. De fortes contraintes liées au contexte (notamment automobile) sont placées sur le convertisseur, en termes de coût, de taille et de rendement.
Les convertisseurs actuellement disponibles sur le marché ou dans la littérature montrent une faible diversité des solutions proposées. Ils sont majoritairement basés sur une architecture similaire, qui bien qu’économique, présente de sérieuses limites en termes de performances (faible tension maximale et faible rendement). Ainsi, le design d’un convertisseur 800V-12V avec une puissance proche de 1W en sortie ne peut se satisfaire des approches utilisées classiquement, en particulier au vu du haut niveau de rendement visé (> 85%).
L’approche proposée dans cette thèse se base sur deux des principales techniques utilisées pour créer des convertisseurs de puissance : l’intégration sur puce (ou au sein d’un même package) de plus en plus d’éléments du convertisseur ; et les « modules de puissance » qui assemblent une série de composants discrets. Cette thèse propose donc d’allier les avantages de chacune de ces techniques pour créer le convertisseur voulu. En particulier, l’intégration des composants actifs permet une remise en question de l’architecture de l’étage de puissance du convertisseur ainsi qu’une augmentation significative de la fréquence de fonctionnement, qui devrait contribuer à la diminution de la taille des composants passifs. Cependant, les limites des technologies d’intégration ne permettent pas de viser l’intégration des éléments les plus volumineux du convertisseur, comme le transformateur, et une attention toute particulière est donc portée à leur dimensionnement.
Dans cette thèse, une étude de différentes topologies pour l’étage de puissance du convertisseur DC/DC isolé est d’abord menée. Elle permet d’identifier les structures les plus prometteuses en comparant un nombre limité de critères qualitatifs. Une topologie est retenue compte tenue d’un bon compromis entre performances et complexité : les convertisseurs multi-niveaux à capacités flottantes. La création d’un circuit intégré (IC) permettant l’intégration des éléments actifs de l’étage de puissance est ensuite présentée. En partant des limites imposées par la technologie choisie (Bulk Silicium haute-tension) en termes d’isolation entre composants, une solution est proposée pour contourner ces contraintes et parvenir au niveau d’intégration visé pour l’étage de puissance. Ensuite, une méthodologie de conception d’un transformateur planaire adapté au contexte et à l’application est introduite afin de prendre en compte les principaux paramètres de dimensionnement d’un tel composant. À l’issue de cette étape, quelques transformateurs sont proposés pour être mesurés au sein du convertisseur complet. Enfin, les différentes composantes du convertisseur sont assemblées et des mesures de rendement sont réalisées sur plusieurs points de fonctionnement proches de ceux définis par l’application. Les résultats des transformateurs les plus performants sont à la hauteur des attentes et offrent une nette amélioration des performances par rapport aux solutions de l’état-de-l’art, notamment en termes de rendement.

Mots-clés : Convertisseurs DC/DC, Transformateurs planaires, Circuits Intégrés, Haute-fréquence, Commutation douce