Méthodologie de modélisation d’une structure de conversion DC-DC à composants SiC en vue de son optimisation CEM et thermique

Methodology for modeling a DC-DC conversion structure with SiC components for EMC and thermal optimization

• Auteur / Autrice : Gnimdu Dadanema
• Direction : François Costa, Jean-Luc Schanen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 29/06/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Nadir Idir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Costa, Jean-Luc Schanen, Nadir Idir, Nicolas Rouger, Chérif Larouci, Florent Morel, Christian Vollaire, Régis Meuret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Rouger, Chérif Larouci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs électriques

Carbure de silicium

Aéronautique -- Recherche

Mots clés libres

SiC

Optimisation

Cem

Thermique

Modélisation

Dc-Dc

SiC

Optimization

Emi

Thermal

Modelisation

Dc-Dc

Résumé

Dans l’industrie aéronautique, tant au niveau des constructeurs que des équipementiers, les actionneurs électriques sont de plus en plus utilisés. De ce fait, l’apparition de convertisseurs de puissance à découpage basés sur les nouveaux composants à grand gap en carbure de silicium (MOSFET, JFET état on ou off) engendre de plus en plus des perturbations électriques conduites (BF et HF) et rayonnées (HF) au sein des systèmes, ils sont de plus sources de pertes. L’objectif de cette thèse est donc de mettre en place une approche de modélisation des différents éléments d’un convertisseur DC-DC qui puisse servir à mettre en œuvre un processus d’optimisation afin que soit pris en compte dès la phase de conception les contraintes liées à la CEM et à la thermique. Dans un premier temps, une étude de la physique des semi-conducteurs et en particulier celle du carbure de silicium (SiC) a été réalisée afin de développer une approche de modélisation des MOSFET et diode de puissance SiC adaptée à ces composants. Les modèles ainsi développés sont des modèles fins qui prennent en compte les effets liés à la thermique. Ces modèles ont donc dans un premier temps servi à la réalisation de simulations afin d’évaluer tant sur le plan thermique qu’électromagnétique, la validité de l’approche de modélisation. Par la suite afin de prendre en compte les contraintes CEM et thermique dès la phase de conception, une approche de dimensionnement par optimisation a été mise en œuvre. A cause de sa rapidité d’exécution, le choix a été porté sur un algorithme d’optimisation déterministe. Ce choix a donc imposé le développement préalable de modèles de dimensionnent et d’optimisation analytiques. L’ensemble de ces modèles a été utilisé dans l’environnement logiciel d’optimisation CADES et des résultats concernant les masses optimales de convertisseur pour différentes fréquences de commutation ont été obtenus. L’analyse des résultats d’optimisation a permis dans la dernière partie de se rendre compte que si l’évolution de la masse du dissipateur en fonction de la fréquence de commutation est semblable à ce que l’on peut prédire (l’augmentation de la fréquence de commutation entraîne l’augmentation des pertes et donc l’augmentation de la masse du dissipateur), celle des passifs et du filtre CEM ne peut être facilement anticipée. Il existe une compétition entre la masse du filtre et celle des passifs, car en effet une fréquence de commutation élevée suppose en première approximation des éléments passifs de lissage moins importants, mais des problèmes CEM beaucoup plus importants. Pour compléter les études menées l’approche préalablement mise en œuvre pour des composants SiC a été transposée à des composants silicium pour des besoins de comparaison.

In the aeronautics industry, both manufacturers and OEMs, electric actuators are increasingly used. As a result, the appearance of switching power converters based on new large-gap silicon carbide components (MOSFET, JFET state on or off) increasingly generates electrical (LF and HF) and radiated perturbations (HF) within the systems, they are also sources of losses.The objective of this thesis is therefore to set up a modeling approach for the various elements of a DC-DC converter that can be used to implement an optimization process so that the design phase is taken into account constraints related to EMC and thermal.First, a study of the physics of semiconductors and in particular that of silicon carbide (SiC) was carried out in order to develop a modeling approach of the MOSFET and SiC power diode adapted to these components. The models thus developed are fine models that take into account the effects related to thermal. These models were therefore used initially to perform simulations in order to evaluate both thermally and electromagnetically the validity of the modeling approach.Subsequently, in order to take into account the EMC and thermal constraints from the design phase, an optimization dimensioning approach was implemented. Because of their speed of execution, the choice was made on a deterministic optimization algorithm. This choice therefore imposed the prior development of models of analytical dimensioning and optimization. All of these models have been used in the CADES optimization software environment and results regarding optimal converter masses for different switching frequencies have been obtained.Analysis of the optimization results in the last part of the study revealed that if the evolution of the dissipator mass as a function of the switching frequency is similar to what can be predicted the switching frequency causes the losses to increase and therefore the dissipator mass increases), that of the passive and the EMC filter can not be easily anticipated. There is a competition between the mass of the filter and that of the passive, since a high switching frequency presupposes, as a first approximation, the passive elements of lesser smoothing, but EMC problems are much greater.To complete the studies carried out, the previously implemented approach for SiC components has been transposed to silicon components for comparison purposes.