A Global Study of a Contactless Energy Transfer System: Analytical Design, Virtual Prototyping and Experimental Validation

International audienceThis paper presents a design methodology dedicated to a two-winding transformer with large air gap and magnetic cores. To design this kind of components, it is necessary to consider the influence of inductive parameters on electrical magnitudes and the converter, which supplies this magnetic device. Indeed, this kind of a magnetic device has a large leakage inductance and a small magnetizing inductance. Therefore, to transfer the desired power, the transformer needs important reactive energy to magnetize magnetic core and to provide leakage flux. Like inductive parameters can be determined only when geometry is known, sizing has to be iterative. Moreover, resonant converters can be used to compensate inductive behavior, but modify electrical constraints of the transformer. A robust algorithm of design and all necessary tools are presented in order to make it easier to size such components. After the analytical design, 3-D FEM simulations and experimental measurements have been carried out in order to validate the theoretical study. Moreover, the power electronics converter has been optimized in order to improve the efficiency of power transfer. A prototype of 1.6 kW 100 kHz with an air gap of 6 mm has been realized with its converter. The global efficiency is 93.3%

Packaging 3D pour MOSFET en carbure de silicium

International audienceLe développement d'un packaging dédié aux transistors à grand gap (SiC et GaN) est un point clef pour tirer pleinement profit de leurs caractéristiques remarquables. Un packaging en trois dimensions, basé sur un procédé de fabrication des circuits imprimés, est présenté dans cet article. Une cellule de commutation à base de MOSFET SiC est développé avec une inductance parasite de seulement 0.25nH. De plus, les interconnexions électriques du module sont réalisées sans brasures ni fil de bonding. Un module 3D est fabriqué puis validé expérimentalement. Des caractérisations électriques statiques et dynamiques sont réalisées et valident électriquement le concept « Power Chip On Chip » avec un procédé de fabrication de circuit imprimé

Optimisation d'une structure de conversion DC-DC réversible pour application aéronautique

International audienceLe véhicule aérien a connu de nombreusesrévolutions durant les dernières décennies afin d'être pluséconome en énergie et plus respectueux de l'environnement. [1]Dans cet objectif, l'électricité est apparue comme le vecteurénergétique le plus adapté associé aux sources conventionnellesd'énergie. C'est dans ce contexte que nos recherches se sontportées sur ce mode de transport qui va voir des bouleversementsstructurels importants et de plus en plus d'équipementsélectriques installés à bord. Cet article s'intéresse à une brique deconversion DC/DC nécessaire au transfert d'énergie entre les busHVDC et LVDC présent sur les avions actuels, pour cela nousétudierons la structure, le contrôle et les résultats expérimentauxde la topologie Dual Active Bridge. Une maquette basse puissancea permis la validation des lois de commande tandis qu'unprototype 3,75kW à forte densité d'intégration sera présenté avecpour objectif une puissance massique de 2kW/kg. L'originalité deses travaux réside dans la volonté de concevoir un produitindustrialisable dans le domaine de l'aéronautique en favorisantplusieurs ruptures technologiques jusqu'alors rédhibitoire chezles avionneurs.</p

Les alimentations de Puissance: avancées récentes

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Systèmes photovoltaïques raccordés au réseau (choix et dimensionnement des étages de conversion )

L'énergie photovoltaïque connaît actuellement un fort développement. Après être restée pendant de longues années un moyen de production anecdotique (site isolé) le photovoltaïque devient aujourd'hui une source d'énergie connectée au réseau, en compétition avec les sources conventionnelles. Ce développement concerne principalement les installations de moins de 3kWc (90% des installations françaises). L'augmentation du nombre de ces centrales de petites puissances au cœur des bâtiments (intégré au bâti) met en exergue les problèmes d'ombrages et peu fortement limiter la production. C'est dans ce contexte de maximisation de la production PV et de changement des fonctionnalités que cette thèse explore les topologies de champs PV (générateurs PV + électronique de puissance) pouvant répondre à ces nouvelles exigences.The grid connected application knows a strong development these last years thanks to the very attractive price incentives of the electricity produced by this kind of application. These new devices with their strong buildings integration and their developments in urban zones can be subjected to severe shadows. ln these conditions the PV field works in mismatching conditions which can lead to important power losses. ln this context (maximizing the PV production and new requirements), this thesis explores different PV field topologies (PV generators + power electronics) to decrease the effects of shadow and increase the functionalities.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Etude de régulateurs linéaires et à découpage intégrés (application à la téléphonie portable)

Un facteur clé des systèmes portables, tels que les téléphones mobiles, est l'autonomie de la batterie qui dépend essentiellement de la source d'énergie, mais aussi de la façon dont sont gérés la tension et le courant qu'elle délivre, facteurs relatifs au régulateur et à son rendement. Les autres critères sont bien sûr la compacité et le côut, d'où la nécessité d'intégrer ces régulateurs de tension. Le premier chapitre présente brièvement trois types de régulateurs, ainsi que les contraintes imposées par les composants externes et la technologie de fabrication. Après avoir expliqué l'utilité de passer à une réalisation en technologie CMOS, le deuxième chapitre décrit le schéma final d'un régulateur linéaire ((LDO,Low Drop Out), puis détaille sa stabilité et sa protection contre les courts-circuits. Pour cela, nous expliquons dans les deux cas la méthode habituellement utilisée, nous montrons ses limites dans le cadre de notre application, puis nous développons la solution adoptée qui consiste en une compensation Miller s'adaptant au courant de sortie pour sa stabilité et en un asservissement du courant de sortie plus performant pour limiter le courant de court-circuit. Des mesures sur silicum ont permis de valider les simulations effectuées lors de cette conception. Les alimentations à découpage sont une alternative à ces régulateurs linéaires, et procurent la possibilité d'élever la tension de batterie, mais nécessitent des éléments inductifs difficilement intégrables. Une étude du comportement statique permet de déterminer les pertes et le rendement de la structure choisie pour répondre à notre cahier des charges. L'analyse de sa stabilité par sa fonction de transfert complète ce chapitre. Les systèmes à pompe de charges sont abordés de façon succincte. Egalement basés sur le principe du découpage, ils sont un compromis entre les deux précèdents principes et permettent, moyennant des pertes supplémentaires, d'éviter l'utilisation des composants inductifs.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Etude et conception d'une nouvelle alimentation à découpage à transfert d'énergie mixte basée sur un composant passif LCT intégré

Dans le contexte de l'amélioration de la compacité des alimentations d'électronique de puissance, l'intégration des composants passifs constitue l'un des principaux leviers pour atteindre des niveaux de miniaturisation conséquents. Dans ce cadre, différents travaux ont déjà été engagés de part le monde. Les travaux présentés dans ce mémoire concernent la réduction des volumes des composants passifs, inductance - transformateur condensateur, indispensables à toute structure d'électronique de puissance, en mariant ces trois éléments en un seul et unique appelé composant LCT . L'adaptabilité de cette association dépend en grande partie des performances des diélectriques utilisables dans cette réalisation permettant l'intégration de capacités élevées pour ainsi insérer ce dispositif LCT dans tout type de structure. Actuellement, le développement des matériaux ne permettant pas d'envisager toutes les applications classiquement rencontrées en électronique de puissance, nous avons étudié une nouvelle structure de convertisseur à transfert d'énergie mixte (MET) adaptée au LCT pouvant offrir un intérêt industriel dans un futur proche compte tenu de sa similitude avec une alimentation à découpage classique Forward. Outre les matériaux diélectriques en cours d évolution, l'expansion de ce concept passe par un travail de modélisation conséquent, ainsi que par des technologies de mise en œuvre performantes comme les circuits multicouches. A l issu de ce travail, un prototype a été réalisé dont les performances sont présentées, comprenant un composant LCT au sein de cette structure MET.In the context of improving of the compactness of supplies power electronics, integration of passive components is the major keypoints to reach a high level of reduction. In order to achieve this, different works have already begun in the world. The works presented in this report include the reduction of volumes of passive components, transformer - inductor-capacitor, which are essential to any structure of power electronics, combining these three elements in a single component called "LCT". The adaptability of this association principally depends on the performance of dielectric used in this achievement allowing the integration of high capacity to insert the device LCT in any type of structure. Currently, the development of materials don t permit to consider all applications typically used in power electronics. Therefore we studied a new converter with a mixed energy transfer (MET) adapted at the LCT which could provide industrial interest in the future. It presents similarity with the conventional converter Forward. In addition to the dielectric material actually in evolution, the expansion of this concept requires a consequence modelling work, and news technologies of implementation with high performance such as multilayer circuits. At the end of this work, a prototype was produced whose performances are presented, including a component LCT within this structure MET.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Power Electronics

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