SATIE UMR 8029 IEF UMR 8622 Centre des matériaux UMR 7633

Vers le développement d’un convertisseur d’électronique de puissance instrumenté et à forte densité d’intégration à partir de composants grand gap.

Résumé : L’objectif de ce projet consiste en l’intégration d’un convertisseur d’électronique de puissance à partir de composants grands gaps, de circuits passifs et des capteurs intégrés à un PCB (Printed Circuit Board – circuit imprimé). Une collaboration étroite avec le centre des matériaux de MinesParisTech permettra d’évaluer la qualité des PCB réalisés au laboratoire SATIE mais aussi de développer l’utilisation de nouveaux matériaux magnétiques (type SMC - soft magnetic composites), conducteurs électriques et thermiques (mousses de cuivre pressées). Les compétences de l’IEF seront mises à profit dans l’élaboration de matériaux magnétiques en couches minces (Permalloy) ainsi que dans l’intégration de capteurs de courant ou de flux indispensables au pilotage de ces structures. Contexte : Dans de très nombreuses applications, la tendance est à l’électrification des fonctionnalités. Le domaine le plus concerné est celui des transports avec le passage à la traction hybride et électrique pour l’automobile et l’ambition de « l’avion tout électrique » pour l’aéronautique. Les convertisseurs d'électronique de puissance ont un rôle central à jouer puisqu'ils servent à la gestion de l'énergie en amont des actionneurs et des motorisations, mais également aux interfaces à la fois pour les systèmes de génération (générateurs, piles à combustible,…) et pour les systèmes de stockage d'énergie (batteries, super-condensateurs, …). Les industries qui utilisent ces convertisseurs exigent des dispositifs peu couteux, compacts, à fort rendement énergétique avec une fiabilité maîtrisée. Le volume occupé par les composants passifs (qui représente une part non négligeable du volume global du convertisseur) peut être diminué à condition d’augmenter de manière significative la fréquence de

découpage des convertisseurs. L’utilisation des composants grands gaps (GaN et SiC) devrait favoriser cette approche. Toutefois, l’utilisation à haute fréquence de découpage de ces composants nécessite de repenser complètement les technologies d’interconnexions électriques afin de limiter fortement les inductances de maille de commutation, de mettre en œuvre des composants magnétiques adaptés à ces fréquences de découpage et enfin d’assurer des mesures de courant

n’ajoutant pas d’inductance parasite pour le contrôle du convertisseur sur une très large bande de fréquence. Un gain supplémentaire sur le volume du convertisseur peut être apporté en intégrant au PCB les fonctions passives (condensateurs et inductances). Des travaux de ce type ont déjà été entrepris au laboratoire SATIE où un filtre CEM hybride a été intégré dans un PCB: les composants passifs ont été intégrés dans le PCB (deux inductances couplées + condensateurs) laissant libre la surface supérieure sur laquelle ont été implantées les parties actives.

Résultats attendus : L’objectif de ce projet consiste à valider les briques de base technologiques nécessaires à la mise en œuvre d’un démonstrateur complet intégrant un convertisseur à base de composants grand gap et sa connexion faiblement inductive, les capteurs de courant et de flux, les composants magnétiques et les drains thermiques. Pour ce faire, plusieurs démonstrateurs élémentaires seront réalisés afin d’en vérifier les fonctionnalités et performances.

Matériau SMC :

Microstructure - non-sintered material (A: particle; B: pore; C: grain boundary)

Solar Impulse :

1er avion 100% électrique

Association de 2 puces GaN, 200 V, 10 A

Filtre CEM Hybride

Représentation schématique d’un convertisseur complet

intégré