Méthodologie de conception de convertisseurs-statistiques-application à un contexte aéronautique

Optimal Design Methodology for Static Converters - Application to the Aeronautical Context

• Auteur / Autrice : Jérémy Bourdon
• Direction : Thierry Meynard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie Electrique
• Date : Soutenance le 23/05/2018
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Allard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Meynard, Bruno Allard, Sandra Ulrich Ngueveu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Gillon

Mots clés

Mots clés libres

Electronique de Puissance

Prototypage Virtuel

Conception Optimale

Optimisation

Convertisseur isolé DC/DC

Multiniveaux

Semi-conducteurs grand gap

SiC

GaN

Avion plus électrique

Dimensionnement

Filtres

CEM

Power Electronics

Virtual Prototyping

Optimal Design

Optimization

Isolated DC/DC power converter

Multilevel converters

Wide Band-gap

SiC

GaN

More electric aircraft

Power converter sizing

Filter sizing

CEM

Résumé

L’électrification croissante des fonctions à bord des avions est inévitable et s’intensifie avec l’étude de nouveaux programmes tel que l’Avion Plus Electrique (MEA). Ce concept étudié par Airbus implique l’amélioration de la performance des appareils et de leur fiabilité, ainsi que la diminution des frais d’opération et de maintenance. Il permettra de réduire considérablement les émissions de gaz afin de répondre aux nouveaux défis énergétiques et écologiques de notre société. Cependant, pour atteindre ces objectifs, l’état de l’art en génie électrique doit être amélioré. En effet les exigences en terme de conception ont changé, en raison des nouvelles architectures et contraintes technologiques. Dans ce contexte, l'électronique de puissance est devenu un facteur clé pour alimenter, traiter et transporter l'énergie électrique avec efficacité dans nos réseaux et systèmes embarqués. Les équipements relatifs à ce domaine devront donc être plus abordables, performants, écologiques et intégrés afin d’aboutir à la création du MEA. Pour y parvenir, le but de cette thèse est de proposer une nouvelle façon de concevoir et d’optimiser ces équipements de puissance, tout en prenant en compte les nombreux défis du MEA. Cela est possible grâce à la conception optimale informatisée, aussi appelée prototypage virtuel. Cette nouvelle approche en électronique de puissance promet une révolution numérique de nos méthodes de conception et de dimensionnement. En effet, le prototypage virtuel fournira plus facilement et rapidement des systèmes entièrement optimisés, tout en répondant aux objectifs et aux contraintes spécifiques d’une application. Ces logiciels permettront aussi d’améliorer drastiquement la phase de pré- dimensionnement d’un convertisseur en simplifiant la prise de décisions complexes sur des compromis technologiques, de matériaux, formes et dimensions, ainsi que de paramètres internes à l’utilisation d’un convertisseur - fréquence de découpage, filtrage, régulation, etc. En d'autres termes, la conception optimale deviendra une étape indispensable pour atteindre plus efficacement et rapidement de nouveaux niveaux de performances. De plus, bien que cette approche soit poussée par le milieu aéronautique, elle reste suffisamment flexible pour être étendue à n’importe quel domaine d’étude et d'industrie. Une méthodologie complète de plateforme logicielle d'optimisation en génie électrique est présentée dans ce manuscrit, du dimensionnement du composant de puissance jusqu’à la chaine complète de conversion, tout en passant par des problématiques connexes tel que le filtrage CEM. Cette méthodologie est réalisée notamment grâce à la création de modèles adaptés des principaux dispositifs de puissance présents à l’intérieur d’un convertisseur statique. Un écosystème complet est aussi proposé, comprenant la communication avec des solveurs multi-physiques temporels et fréquentiels. Finalement, nous nous concentrons sur des applications relatives au développement de l'avion plus électrique. Ainsi, nous proposons plusieurs exemples d’utilisation de cet outil, prenant en compte les besoins et contraintes de ce milieu très exigeant.

Nowadays, the electrification of on-board functions on planes is growing inevitably, intensified by the study of new programs such as the More Electric Airplane (MEA). This concept - studied by Airbus - involves both improving the device performance and reliability, and lowering operation and maintenance costs. This growing electrification will significantly reduce gas emissions to meet the new energy and environmental challenges of our society. However, in order to achieve these goals, electrical engineering of aircraft should be dramatically improved. Indeed, design requirements have changed due to new architectures and technological constraints. In this context, power electronics have become a key factor to supply, treat and transport electrical energy with efficiency in our embedded networks and systems. The equipment related to this area will be more affordable, efficient, ecological and integrated in order to create the MEA. This thesis proposes a new way to design and optimize the power equipment, taking into account the many challenges of the MEA. This is possible thanks to the computer-aided and optimal design, also called virtual prototyping. This new approach in power electronics is a digital revolution in our methods of design and sizing. Indeed, virtual prototyping provides easier and quicker fully optimized systems, while meeting the objectives and specific constraints of an application. This software also dramatically improves the pre-design phase of a converter by simplifying complex decisions on technological compromise, materials, shapes and sizes, as well as internal parameters of a converter - switching frequency filtering, regulation, etc. In other words, the optimal design will become an indispensable step to reach quickly and more effectively new levels of performance. Furthermore, although this approach is driven by the aviation industry, it has to remain flexible enough to be extended to any field of study and any industry. A full software platform methodology of an electrical engineering optimization is presented in this manuscript. The power component sizes up the complete chain of conversion, while going through related issues such as EMC filtering. This methodology is carried out in particular through the creation of appropriate models of the main power devices of a static converter. A complete ecosystem is also proposed, including communication with time and frequency multi-physics solvers. Finally, we focus on applications related to the development of More Electric Aircraft. Thus, we propose several use examples of this tool, taking into account the needs and constraints of this very demanding environment.