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Thème Intégration et CEM

Intégration et CEM

L’électrification croissante des moyens de transports automobiles ou aéronautiques est source de défis majeurs : le thème Intégration et CEM a ciblé son action sur les travaux liés à la compacité des systèmes de conversion d’énergie (réduction de l’encombrement et de la masse), à la maîtrise de nouvelles contraintes de CEM liée aux systèmes embarqués et également au diagnostic des faisceaux de câbles qui constituent souvent un maillon faible dans la distribution du signal ou de la puissance.

Les principales activités du groupe sont :

- Le développement de composants passifs intégrés ce qui comprend :

o Le développement de matériaux et leur caractérisation

o La mise au point de process de fabrication de composants intégrés

o Le développement, la modélisation et l’optimisation de composants passifs intégrés hybrides

- L’étude et la réalisation technologique de convertisseurs multicellulaires dédiés à l’intégration de puissance incluant des travaux sur la CEM de ces convertisseurs

- Le développement d’outils de modélisation du rayonnement des convertisseurs électronique de puissance

- Le développement d’outils de diagnostic de défauts non francs pour des réseaux filaires embarqués

 

Contact : Eric Labouré (eric.laboure[at]lgep.supelec.fr)

Mots clés : Electronique de puissance, intégration des composants passifs, matériaux magnétiques pour l’intégration, structure multicellulaires de convertisseurs de puissance, rayonnement des convertisseurs de puissance, diagnostic filaire

Personnels impliqués :2 chercheurs, 2 enseignants-chercheurs

Doctorants : 9 doctorants

Post-docs : 4 post-doctorants

 

1 Intégration de puissance (voir présentation)

Actuellement, un dispositif classique d'électronique de conversion d'énergie électrique est constitué d'un agencement de composants élémentaires discrets divers et hétérogènes, d'un volume significatif (évidemment croissant avec la puissance convertie) et tridimensionnels, en comparaison de l'électronique de signal qui est plutôt planaire. L'assemblage de ces différents éléments se fait par une succession d'opérations macroscopiques essentiellement thermomécanique, ce qui rend difficile la miniaturisation des dispositifs et l'automatisation de la production. Intégrer les dispositifs électroniques de conversion d’énergie électrique implique de repenser totalement les fonctions de conversion. Les actions de recherche conduites sur l’intégration de puissance s’appuient sur 3 grands axes d’investigation.

1.1 Axe intégration fonctionnelle des composants passifs :

Dans ce premier axe, l’objectif est de réaliser une intégration fonctionnelle des composants passifs placés dans la chaine de conversion de l’énergie. Nous avons proposé des architectures de composants apportant une mutualisation des matériaux et des fonctions, et une démarche d’optimisation géométrique amenant à une augmentation notable de la puissance volumique.  Ces travaux ont été réalisés dans le cadre de la thèse de Marwan ALI financée par la FRAE (Fondation de Recherche pour l’Aéronautique et l’Espace). Durant cette thèse nous nous sommes intéressés à l’intégration d’un élément passif incontournable dans la conversion électronique d’énergie i.e. le ou les filtres CEM. Dans cette étude nous avons proposé, dimensionné et réalisé une structure de filtre constituée d’une partie passive totalement intégrée dans le PCB et d’une partie active permettant le filtrage des perturbations basses fréquences. Cette structure mixte passive intégrée/active permet d’atteindre le meilleur compromis efficacité de filtrage/volume.

1.2 Axe matériaux et intégration :

Les structures intégrées imaginées et dimensionnées de façon optimale dans l’axe 1 n’ont de sens que si, dans un même temps, une étude est conduite sur les procédés de fabrication et l’élaboration de matériaux permettant de réaliser de telles structures. Ces travaux ont été réalisés en s’appuyant sur les compétences « matériau » de l’équipe IPEM du SATIE et du laboratoire de recherche de la société THALES (Thales R&T). Nous nous sommes tout particulièrement focalisés sur les technologies céramiques et sur deux procédés de fabrication permettant de réaliser des composants intégrés cofrittés : les procédés LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) et SPS (Spark Plasma Sintering). Le cofrittage de composants magnétiques avec des conducteurs et des matériaux isolants a été étudié dans deux thèses : celle d’Anthony Lucas pour le LTCC et celle de Karim Zehani pour le SPS. Ces travaux ont conduits à l’élaboration de formulations chimiques spécifiques des poudres et à l’optimisation du procédé de fabrication permettant d’atteindre les meilleures performances. Les figures suivantes montrent des exemples de démonstrateurs réalisés :

1.3 Axe Architecture de convertisseurs pour l’intégration :

Les contraintes apportées par les procédés de fabrication de composants passives intégrés ne permettent pas d’envisager la réalisation de composants passifs très volumineux. Nous proposons, dans ce troisième axe, de repenser les structures de conversion de façon à fractionner la puissance convertie pour la faire gérer par une multitude de cellules élémentaires de conversion de puissance réduite. Ces cellules deviennent alors compatibles, dans leur fabrication, avec les technologies d’intégration envisagées dans les axes 1 et 2. Nous avons pour cela proposé de nouvelles structures de conversion dites multicellulaires utilisant des composants magnétiques de filtrage particuliers couplant magnétiquement les cellules entre-elles. Les travaux conduits sur ces structures ont démontrés leur très grand intérêt en matière d’intégration et ont fait l’objet de deux dépôts de brevet. Les travaux de thèses de Fabien Adam ont permis de développer les techniques de commande de ces structures originales et de démontrer la réduction considérable de la signature électromagnétique du convertisseur. La figure suivante montre un des véhicules de test réalisés durant cette thèse.

 

2 Compatibilité électromagnétique

Le contrôle du comportement électromagnétique des dispositifs électroniques embarqués et des contraintes de compatibilité électromagnétique associées impose de disposer d’outils de modélisation fiables et rapides. Les systèmes d’électronique de puissance fonctionnent à des fréquences de plus en plus élevées et les courants commutés souvent  intenses rayonnent fortement. Afin d’envisager des solutions de réduction des perturbations électromagnétiques, il est nécessaire de localiser les principales sources de rayonnement. La démarche originale que nous avons proposée initialement dans le cadre d’une coopération avec SATIE consiste à caractériser les émissions électromagnétiques générées par un dispositif perturbateur sur la base d’une représentation en termes de dipôles équivalents. Cette approche a pour avantage de déterminer la position, l’orientation et le moment des dipôles modèles, permettant ainsi d’obtenir un modèle « léger » qui rend compte des sources réellement présentes dans le dispositif [Thèse Beghou]. La faisabilité d’une reconstruction de sources équivalentes pour retournement temporel a été étudiée en partenariat avec le L2S dans le cadre d’une allocation doctorale « Présidence » de l’Université Paris-Sud [Thèse Benhamouche].

Convertisseur_rayonnant Cartographie_champ_calcul
Alimentation à découpage Cartographie du champ rayonné par
dipôles équivalents

La réduction des perturbations rayonnées passe également par l’emploi de structures de blindage : dans le cadre de l’étude de matériaux composites pour le packaging de systèmes électroniques embarqués (projet SYRENA des pôles de compétitivité  ASTech et Aerospace Valley) une méthode homogénéisation prenant en compte l’effet fréquentiel sur l’obtention des paramètres matériaux a été proposée [thèse V. Préault]. Le développement de modèles de propagation d’ondes 3D appropriés au domaine temporel a également été engagé avec le groupe ACE (Applied Computational Electromagnetics) de l’Université de Liège sur la base d’un code de type Galerkin-Discontinu. Enfin récemment ont été amorcées des études de CEM liées à la nouvelle problématique de la recharge inductive (sans contact) de batteries pour véhicule électrique à travers le projet FUI CINELI (2011-2014).

 

3 Diagnostic filaire

Les faisceaux de câbles embarqués subissent souvent des contraintes externes (mécaniques, température, humidité …) qui sont souvent la cause d’une détérioration prématurée du réseau. De nombreuses défaillances liées aux câbles peuvent parfois être lourdes de conséquences (incendie, panne d’un véhicule …). La localisation du défaut est un atout important, car elle permet de cibler la réparation afin d’en réduire le coût. Dans le cadre d’une thèse de doctorat soutenue par la Région Ile de France en partenariat avec le L2S et le CEA-LIST au sein du RTRA Digitéo Labs. [thèse Smail] ont été développées des nouvelles itératives pour le diagnostic de l’état de câblages par réflectométrie. Ces approches se basent d’une part sur un modèle de propagation filaire et d’autre part sur un outil de résolution de problèmes inverses qui consiste à partir d’un réflectogramme à remonter vers des informations sur les valeurs des paramètres électriques R,L,C,G des lignes pouvant être représentatifs de défauts caractéristiques.  Une méthode non itérative originale dédiée aux défauts non-francs a été étudiée en coopération avec le L2S : afin d’assurer la localisation de ces défauts au sein du réseau nous avons transposé à la propagation guidée, la méthode DORT (Décomposition de l’Opérateur de Retournement temporel) habituellement dédiée aux configurations de propagation en domaine ouvert (pour localisation de cibles en télédétection radar par exemple) [thèse Abboud].