Optimisation CEM des convertisseurs à composants grand gap : vers une montée en fréquence des convertisseurs

L'électronique de puissance a pour but de convertir une forme d'énergie en une autre. Du petit chargeur de téléphone de quelques watts, au véhicule de quelques centaines de kilowatts voir même la traction ferroviaire au megawatt, la plage de puissance est large. L'électronique de puissance est partout, c'est pourquoi de tels dispositifs doivent être optimisés pour qu'ils soient économiquement viables, énergétiquement et environnementalement sobres.
L'arrivée des composants dits "grand gaps" (GG) ont permis de révolutionner l'efficience de la conversion d'énergie ainsi que la compacité des dispositifs. Cependant, ces composants génèrent plus de perturbations dans les réseaux, pouvant affecter le fonctionnement des dispositifs alentours. Le filtrage de ces perturbations est soumis à des normes de compatiblité électromagnétique (CEM) et la quantité de bruit pouvant s'échapper du dispositif s'en trouve limitée. Contrairement aux composants GG, les technologies de filtrage n'ont pas évolué aussi rapidement, et il se trouve aujourd'hui que la principale difficulté d'un dispositif d'EP à devenir un produit pouvant être vendu sur le marché est d'être compatible avec les normes CEM.

Les objectifs de la thèse sont multiples :
- Etude des différentes topologies de filtrage passif (et actif si le temps au cours de la thèse le permet)
- Etude et caractérisation de matériau magnétique, de leur design et leur efficience en fonction des fréquences de fonctionnement, des courants traités etc.
- Proposer des solutions de filtrage innovantes (matériau, intégration, contrôle déphasé etc.)
- Montée en compétence sur la modélisation CEM sur un cas d'étude donné, en prenant en compte les éléments parasites circuits, les couplages par rayonnements ainsi que les performances des matériaux magnétiques.

La question de la montée en fréquence des convertisseurs d'EP à composant GG à l'issu de cette thèse devrait faire l'objet de réponses et de la viabilité de ces composants sur des applications à CEM/coût/volume très contraints.

Cette thèse se déroulera sur le site CEA de Grenoble dans le département Système, au laboratoire d'électronique pour l'énergie et la puissance. L'environnement CEA étant très transverse, le candidat pourra nourrir sa recherche avec les ingénieurs du département et des départements alentours. Le candidat, après avoir été habilité, pourra avoir accès au laboratoire d'EP pour effectuer ses tests/recherches.

Le candidat devra avoir des compétences en électronique de puissance, en particulier être familié avec les architectures électriques de convertisseur de puissance, un goût pour la modélisation à l'aide de logiciel dédié ainsi que de la mise en pratique en laboratoire. Il devra être à l'initiative des protocoles expérimentaux et aussi faire preuve d'analyse et critique dans toutes ses démarches scientifiques.

Développement de fonctions intégrées en GaN pour la conversion d’énergie électrique

L'intégration des composants GaN (Nitrure de Gallium) dans les applications de puissance, nécessite de
prendre en compte la vitesse de commutation très rapide de ces transistors. Par ailleurs si l'on souhaite
commuter des courants de l'ordre plusieurs dizaines d'ampère il est indispensable de rapprocher au plus près
le circuit de commande des éléments de puissance. Ce rapprochement peut se faire de deux façons: intégrer
la puce de commande et la puce de puissance dans un même boitier ou intégrer ces deux éléments sur la
même puce.
La meilleure option étant la seconde, il est alors nécessaire de réaliser des fonctions logiques en GaN
permettant de concevoir un circuit de pilotage qui viendra s'intercalé entre les signaux de sortie d'un
microcontrôleur et le ou les transistors de puissance GaN.
Ce développement sera basé sur les briques technologiques réalisées au Leti à partir de composants à grille
enterrée MIS ( Métal, Isolant , Semi-conducteur) et permettra de valoriser cette technologie en montrant ses
avantages ( Vitesse de commutation ( quelques nanoseconde), fonctionnement à des température
(supérieures à 150°C)) par rapport à l’état de l’art.
Dans un premier temps, après une bibliographie approfondie sur le sujet il sera demandé de calibrer et utiliser
des modèles (de type Spice) de composants actifs et passifs pour simuler les fonctions logiques de base et
pour aider à la conception numérique complète du circuit de commande.
Une seconde partie consistera à réaliser le dessin du jeu de masques, suivi de la fabrication du circuit sur
puce intégrant la fonction de pilotage ainsi que les transistors de puissance.
Dans la suite, il sera demandé de caractériser électriquement le circuit dans un environnement proche d’une
application réelle. Cette étape sera suivie par une passe d’amélioration afin de fiabiliser et augmenter la
robustesse du circuit dans une gamme étendue de température et fréquence.

Etudes numériques et expérimentales d’un éjecteur conçu pour un cycle de production de froid ou de chaleur

L'éjecteur a fait l'objet de recherches dans la littérature comme composant principal des cycles de réfrigération utilisant la « compression thermique » grâce à sa simplicité sans pièces mobiles. Il utilise un fluide haute pression appelé « fluide primaire » pour entraîner et comprimer un fluide basse pression, appelé « fluide secondaire ». Les performances de l'éjecteur sont définies par le taux d'entraînement, qui est le rapport débit massique entre les flux secondaire et primaire ; ainsi que la pression critique, qui limite la plage de fonctionnement de l'éjecteur. La plupart des études numériques et expérimentales ont été menées sur des éjecteurs de vapeur d'eau. Les études ont montré que l'optimisation de la géométrie est cruciale pour améliorer les performances de l'éjecteur. De plus, des expériences ont montré que l’écoulement à l’intérieur d’un éjecteur est souvent supersonique et hautement compressible induisant ainsi de fortes variations de pression. Cela peut induire de fortes variations de température et l'apparition d'eau liquide et de glace dans les éjecteurs a déjà été observée.

Des études numériques réalisées précédemment ont montré l'importance de modéliser avec précision les changements de phase liquide-vapeur afin d'établir des modèles numériques cohérents et précis de l'hydrodynamique des écoulements au sein de l'éjecteur. Cependant, ces études accordent peu ou pas de considération à la répartition du champ de température au sein de l'éjecteur. La principale difficulté ici réside dans les énormes variations de pression qui se produisent à l’intérieur de l’éjecteur, qui conduisent à des changements de phase liquide-vapeur dans un écoulement hautement compressible. Dans ce projet de thèse, nous visons à étudier des solutions innovantes avec éjecteur intégré dans des cycles thermodynamiques travaillant avec des fluides naturels (ammoniac, eau, CO2 …) afin d'améliorer les performances globales. Pour cela, il est important de comprendre les phénomènes physiques locaux des écoulements à l'intérieur d'un éjecteur, notamment l'impact du changement de phase liquide-vapeur ainsi que l'impact des conditions opératoires.

En nous appuyant sur le solide bagage de recherche du CEA et de l'INSA Lyon, nous mènerons des travaux numériques et expérimentaux sur l'éjecteur et les cycles thermodynamiques avec le plan de recherche suivant :
Travail numérique :
_ Développement d'un modèle 1D et réalisation des simulations CFD pour comparaison
_ Modélisation et simulations des cycles thermodynamiques identifiés intégrés à l'éjecteur approprié
_ Conception d'éjecteur pour tests
Travail expérimental : fabrication d'un éjecteur de test et réalisation de mesures pour la validation et l'analyse du modèle

Depuis plus de 15 ans, le CEA mène des recherches approfondies sur les cycles thermodynamiques afin de développer des solutions innovantes pour la production de chaleur, de froid et d'électricité. Récemment, nous avons développé un nouveau modèle d'éjecteur destiné à être intégré dans un cycle thermodynamique. Pour investiguer des phénomènes locaux ayant lieu dans les écoulements à l'intérieur d'un éjecteur en considérant la phase liquide-vapeur, nous avons étudié et réalisé des simulations CFD. L'INSA Lyon dispose d'une solide expérience de recherche sur les thématiques liées au CO2 telles que les cycles de pompes à chaleur, les échangeurs de chaleur ainsi que les éjecteurs. Le banc d'essais d'éjecteur de l'INSA Lyon ainsi que la plateforme INES du CEA serviront aux travaux expérimentaux de ce projet.

Caractérisation non-invasive de circuits de puissance par sondes en champ proche

L’optimisation des modules de puissance est rendu complexe par les éléments parasites des circuits (inductances, capacités, résistance) qui, lorsqu’elles sont soumises à des commutations de fort courants et tension avec des vitesses élevées (di/dt, dV/dt), occasionnent des surtensions ou des oscillations de courant qui peuvent être dommageables au système et aux composants (vieillissement accélérés, défaillances précoces, claquage, emballement thermique, …).

L’intérêt de l’étude envisagée est de dépasser la méthodologie habituelle visant à utiliser des sondes ou des capteurs (invasifs et donc qui perturbent le circuit que l’on cherche à caractériser) en développant une méthode non-invasive (« Near Field Scanning ») permettant de dresser une cartographie des champs électrique et magnétique à proximité des circuits et composants (résolution GHz). Cette cartographie de champ est ainsi une image des courants et tensions du circuit, qu’il sera nécessaire de traiter par modélisation physique inverse, afin de remonter aux courants et tensions réelles dans le circuit. Le travail de thèse vise donc à développer et mettre en place une approche hybride qui vise à coupler une caractérisation en champ proche à des simulations électromagnétiques 2D ou 3D afin de dé-convoluer le signal mesuré et remonter aux informations permettant d’évaluer les différents chemins du courant.
Les perspectives à plus long terme sont de mettre en place un outil de caractérisation non-invasif couplé à de la simulation, afin d'être à même de caractériser les modules de puissance et plus généralement les circuits de puissance en mesurant leurs courants et tensions, voire les émissions électromagnétiques (EMI pour "Electro-magnectic Interferences") qui est une autre problématique majeure des circuits de puissance.

Cette thèse aura lieu au CEA Grenoble, au sein d'une équipe mixte LETI LITEN regroupant des experts de l'électronique de puissance (http://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti/Pages/recherche-appliquee/solutions-technologiques/electronique-de-puissance.aspx), en collaboration avec l'IRT St Exupéry qui apportera l'expertise NFS.

Références :
- C. Lanneluc, P. Perichon and D. Bergogne, "DC-Bus capacitors influence in a GaN Motor Drive Inverter," PCIM Europe 2019; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2019, pp. 1-8.
- S. Serpaud, A. Boyer, S. B. Dhia and F. Coccetti, “Performance Charaterisation of the Dec Capa Network using the NFS Measurement”; EMC-Europe, September 2023, Krakow, Poland.

Planification du déploiement d’infrastructures énergétiques à l’échelle d’un territoire : Approche d’optimisation économique et environnementale

Le CEA développe un logiciel d'optimisation du dimensionnement et du pilotage des systèmes énergétiques, afin de réaliser des études technico-économiques et environnementales des systèmes énergétiques pour des industriels et territoires. Le logiciel calcule grâce à un solveur MILP des dimensionnements et pilotages optimaux.

Il s'agit à présent d'aller plus loin en optimisant le déploiement des infrastructures dans le temps et dans l'espace. En effet, les évolutions de la demande, de l'environnement économique et des performances technologiques sont à prendre en compte dès le début d'un déploiement d'un système énergétique. La dimension spatiale a aussi une importance puisqu'il faut faire un choix entre centraliser des productions pour faire des économies d'échelle, ou répartir les moyens de production sur un territoire et assurer le transport.

La prise en compte de ces nouvelles problématiques plus larges mène à des temps de calcul élevés.

Les objectifs de la thèse seront donc les suivants:
- Établir un formalisme générique pour décrire ce type de problème et le rendre facilement modélisable, en prenant en compte les aspects économiques et environnementaux, et les incertitudes liées.
- Comparer, sélectionner et améliorer un algorithme d'optimisation et des méthodes d’intelligence artificielle permettant de prendre en compte la globalité du problème.
- Appliquer cet algorithme sur des cas concrets d'étude.

Nous recherchons donc un candidat ayant suivi des études en mathématiques appliquées. Il devra être intéressé par les questions de la transition énergétique.

La terre crue, un matériau millénaire aux nouvelles utilisations émergentes

Les matériaux en terre crue, qui ont trouvé de multiples utilisations depuis des millénaires, offrent aujourd'hui un potentiel considérable en matière d'adaptation au changement climatique, grâce à leurs capacités naturelles de régulation thermique et hydrique ainsi que leurs production et façonnement à faibles émissions de CO2. Toutefois, des avancées scientifiques restent nécessaires pour une compréhension plus fine de ces matériaux, à l'échelle nanométrique.

Cette thèse se concentre sur le lien entre les propriétés mécaniques des matériaux en terre crue et leur nanostructure en mettant l’accent sur les rôles de l'eau confinée, des ions et des substances organiques. Deux approches, basées sur l’expertise sur les milieux nanoporeux développée au CEA, à Saclay et à Marcoule, seront suivies : l'analyse de matériaux anciens par des méthodes de spectroscopie et de diffusion de rayonnement ainsi que la mise au point d'un protocole de criblage permettant d’identifier les paramètres physicochimiques importants pour la durabilité. Ces recherches, qui visent à terme à optimiser les formulations de matériaux en terre crue, seront menées en collaboration avec des architectes spécialistes du domaine.

Modélisation avancée des couches de diffusion des gaz (GDL) pour piles à combustibles PEMFC: imprégnation et séchage des encres, distributions 3D et propriétés effectives

Dans le cadre de solutions H2 pour la transition énergétique, la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une solution pertinente pour la production d’énergie électrique à faible teneur en carbone. Le projet européen DECODE propose de développer une chaîne entièrement numérique d’outils de conception, en intégrant les propriétés des matières premières et la fabrication et l’assemblage des différents composants, pour prédire la performance de cette pile « virtuelle ». Cela aidera à réduire le coût et le temps de développement des matériaux / composants améliorés adaptés aux différentes applications à l’avenir.
Le composant considéré dans cette thèse est la couche de diffusion de gaz (GDL), qui est une combinaison d’un substrat microporeux fibreux et d’une couche micro/nano poreuse (MPL pour la couche microporeuse). Le travail sera divisé en différentes étapes : a) basé sur des images 3D (réelles ou virtuelles) du substrat fibreux, simulation du traitement hydrophobe et du dépôt du MPL ainsi que de leur séchage pour déterminer la distribution 3D des divers composants (fibres, hydrophobie et MPL); b) simulation des propriétés de transport mono et diphasique de la GDL comme données d'entrée des modèles de performance à plus grande échelle; c) analyse de sensibilité des principaux procédés de fabrication (propriétés de l’encre, paramètres de séchage… )

Top