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Accueil  >  Recherche & transfert de technologie > Electronique  > Intégration de Systèmes de Gestion de l’Energie

Intégration de Systèmes de Gestion de l’Energie

Présentation

Le LAAS est constitué en 4 pôles correspondant à ses principales thématiques. ISGE est rattaché au pôle MINAS (MIcro et NAno Systèmes) qui rassemble les activités de 8 des 19 groupes. L’activité du groupe ISGE concerne l’intégration de systèmes capables d’assurer une conversion de l’énergie électrique opérationnelle et sécurisée.

Elle s’appuie sur la plateforme technologique du LAAS et est structurée selon 5 thèmes complémentaires et interdépendants :

  • Nouveaux composants de puissance (Si, GaN, diamant)
  • Systèmes de conversion et de gestion de l’énergie (photovoltaïque, multi-sources, alimentation de réseaux de capteurs sans fil)
  • Fiabilité vis-à-vis d’agressions extérieures (décharges électrostatiques, radiations, interférences électromagnétiques)
  • Intégration de fonctions et systèmes de conversion et gestion de l’énergie (composants actifs et passifs)
  • Modélisation électrique et thermique pour la prédiction de la fiabilité

Concernant ce dernier aspect, l’approche retenue est basée sur l’analyse fine (3D) des phénomènes physiques régissant le fonctionnement des interrupteurs de puissance. Ainsi les couplages multi-physiques (notamment électro-thermique) sont pris en compte et les différents modes de fonctionnement (statique, dynamique, extrême,…) peuvent être décrits.

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Contribution, démarche, méthodologie

Concernant la modélisation des composants semi-conducteurs proprement dite, le compromis recherché est entre la rigueur de description de la physique microscopique et les temps de calcul. Le point fort de la démarche du LAAS réside dans la prise en compte dans les régions de base des composants bipolaires de puissance des phénomènes de dynamique des charges répartis décrits de manière « raisonnablement » simplifiée par l’équation de diffusion ambipolaire.

L’originalité de sa résolution consiste en une décomposition en équations simplement différentielles compatibles avec une implantation dans des simulateurs électriques classiques. L’enjeu actuel est le portage de ces modèles en VHDL-AMS qui devient le standard des langages de description multi-domaines, multi-échelles et est donc particulièrement prometteur pour la simulation au niveau système des convertisseurs d’énergie électrique. Parmi les nombreux avantages on peut citer :

  • Réalisation de modèles intégrant différents niveaux de description en fonction de la précision recherchée ou de la phase de conception
  • Auto-vérification des domaines de validité des modèles
  • Intégration possible en tant que diagrammes paramétriques de bas niveau dans des logiciels d’ingénierie des systèmes utilisant SysML (Systems Modeling Language).
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Collaboration et diffusion

Projets réalisés et en cours

Le portage en VHDL-AMS (sous Questa ADMS) du modèle de composant de base de l’électronique de puissance qu’est la diode PIN donne d’excellents résultats. L’adaptation de la démarche au composant majeur actuel qu’est l’IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) est en cours. Les travaux à venir concernent :

  • La prise en compte des couplages électro-thermiques en régime dynamique
  • L’intégration des diverses technologies d’optimisation des composants (Punch-Through, Non Punch-Through, Trench)
  • L’adaptation aux nouveaux matériaux grands gaps / haute température (GaN, SiC, diamant)
  • La modélisation de nouveaux composants (discrets ou en intégration fonctionnelle) en cours de développement.

Compétences extérieures utilisées

La mise à disposition de modèles totalement opérationnels créés par des spécialistes de la physique du semi-conducteur à destination d’utilisateurs généralistes ne peut s’envisager que grâce à la mise en œuvre complémentaire des compétences spécifiques dans les 2 axes suivants :

  • Caractérisation matérielle : bancs de tests électriques dédiés (régimes statique, dynamique, et extrême) pour l’identification des paramètres des modèles et outils d’analyse technologique
  • Optimisation logicielle : détermination de jeux de paramètres par défaut, approche « boîte noire » à partir de données constructeur, études de sensibilité et de couplage, procédures numériques de « fit », vitesse de convergence.
Formes d'ondes simulées au blocage d'une diode de puissance - influence de la température - GIF - 38 ko
Formes d’ondes simulées au blocage d’une diode de puissance - influence de la température

Valorisation transférable et application

A terme, le prototypage virtuel des convertisseurs d’énergie électrique est visé, avec pour objectif la réduction du nombre de maquettages matériels par l’accès en simulation aux éléments suivants :

  • Choix technologique et dimensionnement électrique des composants (circuits de commande, actifs, passifs, câblage)
  • Détermination des pertes, de la température de fonctionnement, du rendement global et dimensionnement du système de refroidissement
  • Prévision du comportement électromagnétique et positionnement du produit par rapport aux normes CEM applicables è Estimation de la fiabilité globale du système, de sa robustesse vis-à-vis des disparités sur ses constituants et de sa durée de vie.

Partenaires et secteurs d’activités

Les domaines visés s’étendent des micro-convertisseurs pour les systèmes personnels portables grand public en passant par les alimentations à découpage et les applications sur le réseau de distribution, la conversion électrique des énergies renouvelables, jusqu’aux niveaux de puissance élevés pour la traction électrique qu’elle soit pour l’automobile, l’aéronautique ou le ferroviaire. Dans ces derniers secteurs, les partenaires actuels ou futurs, industriels ou académiques, locaux régionaux nationaux ou internationaux seront particulièrement privilégiés dans le cadre de la plate-forme d’innovation PRIMES en création sur le site de Tarbes (http://www.primes-innovation.com/).

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