Convertisseurs CC-CC à batterie commutée pour applications basse consommation

Switched battery DC-DC converters for low-power applications

• Auteur / Autrice : Carlos Augusto Berlitz
• Direction : Bruno Allard, Gaël Pillonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, micro et nano-électronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Vinassa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Allard, Gaël Pillonnet, Jean-Michel Vinassa, Marc Cousineau, Aleksandar Prodic, Romane Dumond, Sami Oukassi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Cousineau, Aleksandar Prodic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs électriques

Basse tension

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique

Convertisseur de puissance

Batterie

Capacité commutée

Convertisseur CC-CC

Convertisseur de basse tension

Power Electronics

Power Converter

Battery

Switched-Capacitor

CC-To-CC Converter

Low Voltage Converter

Résumé

Avec la popularisation récent des dispositifs électroniques portables, des capteurs sans fil et de l'Internet des objets (IoT), la demande de solutions de gestion d'alimentation efficaces et adaptables a atteint des sommets sans précédent. Les applications à faible puissance, couvrant un large éventail de domaines et sont devenues essentielles à notre mode de vie moderne. Ces applications, souvent alimentées par des ressources énergétiques limitées, présentent un ensemble unique de défis et d'opportunités dans le domaine de l'électronique de puissance. Alors que les convertisseurs CC-CC traditionnels ont démontré leur efficacité dans de nombreuses situations, leurs conceptions conventionnelles pourraient ne plus suffire à répondre aux exigences distinctes et strictes des systèmes à faible et ultra-faible puissance. La recherche des nouveaux convertisseurs CC-CC commuté spécifiquement adaptés aux applications à faible puissance est au cœur de cette thèse. Traditionnellement, convertisseurs CC-CC reposent sur des inducteurs ou des condensateurs pour une conversion à haute efficacité. Cependant, malgré les avances dans des nombreux domaines de l'électronique de puissance, certaines limitations physiques et intrinsèques subsistent dans le domaine de faible-puissance, telles que les pertes de partage de charge ou la difficulté de miniaturisation des inducteurs. De telles contraintes appellent à des solutions innovantes pour ce genre d'application des convertisseurs CC-CC. Le manuscrit commence par présenter les convertisseurs CC-CC et les défis particuliers auxquels sont confrontées de telles solutions dans des scénarios à faible puissance. Il est suivi par l'étude de certaines des solutions proposées pour relever de tels défis et leurs limitations, servant de pierre angulaire au reste de la thèse. Ayant identifié que certaines des limitations des solutions actuelles sont intrinsèques aux dispositifs passifs utilisés, l'étape suivante consiste à proposer une solution pour relever ce défi, une nouvelle famille de topologies de convertisseurs CC-CC basée sur des batteries en tant que dispositif passif volant. Cette nouvelle famille de topologies est validée expérimentalement et comparée à une solution plus traditionnelle. Dans une étape naturelle suivante, le concept est davantage expérimenté pour des topologies de convertisseurs plus avancées, y compris des possibles stratégies de contrôle et de régulation. Cela conduit en fin de compte à explorer différentes chimies de batteries mais aussi d'autres technologies telles que les piles à combustible et leur impact sur la topologie. Une nouvelle famille de topologies pour les convertisseurs CC-CC à basse fréquence et faible puissance est proposée et validée expérimentalement avec des avantages par rapport aux convertisseurs CC-CC traditionnels dans les mêmes conditions. Cela ouvre également un nouveau domaine d'étude pour les technologies passives jusqu'alors non explorées dans ce contexte.

With current popularization of portable electronic devices, wireless sensors, and the Internet of Things (IoT), the demand for efficient and adaptable power management solutions has risen to unprecedented heights. Low-power applications, spanning a broad spectrum of domains from healthcare to environmental monitoring, have become integral to our modern way of life. These applications, often operating on limited energy resources, present a unique set of challenges and opportunities in the realm of power electronics. While traditional DC-DC converters have demonstrated their efficacy in a myriad of scenarios, their conventional designs may no longer suffice to address the distinct and stringent requirements of low- and ultra-low-power systems. This thesis embarks on a comprehensive exploration of this intricate landscape, unveiling a tapestry of challenges, innovations, and solutions that define the domain of low-power DC-DC converters. The pursuit of novel switched DC-DC converters specifically tailored to low-power applications is at the heart of this thesis. As technology advances, the call for power-efficient solutions becomes ever more compelling, driven by a confluence of factors that underscore the significance of this research endeavor. Traditionally DC-DC converters rely on inductors or capacitors for high efficiency conversion. However, despite advances on plenty of domains of power electronics, some physical and intrinsic limitations are still present when dealing with low-power applications, like charge sharing loss or the difficulty of inductor miniaturization. Such constraints call for innovative solutions for this application field. The manuscript starts by presenting DC-DC converters and the particular challenges that are faced by such solutions at low-power scenarios. It is followed by studying some of the solutions proposed to address such challenges and their limitations, serving as cornerstone to the remaining of the thesis. Having identified that some of the limitations of current solutions are intrinsic to the passive devices used, the next step is to propose a solution tackling this challenge, a new topology family of DC-DC converters based on batteries as flying passive device. This new family topology is then experimentally validated and compared to a more traditional solution at a simple scenario. In a next natural step the concept is further experimented to more advanced converter topologies, including promising control and regulation strategies. Ultimately it leads to exploring different battery chemistries and their impact on the topology but also other passive technologies like fuel cells. A new topology family for low frequency and low-power DC-DC converters is proposed and experimentally validated with advantages against traditional DC-DC converters ate the same conditions. It also opens a new field of study for passive technologies not before explored in this context.