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Mesurer et réduire les impacts environnementaux de l’électronique de puissance : du matériau grand gap (SiC, GaN) aux systèmes

Défis technologiques Electronique et microélectronique - Optoélectronique Matériaux et procédés émergents pour les nanotechnologies et la microélectronique Sciences pour l’ingénieur

Résumé du sujet

L’utilisation des semiconducteurs à grand gap tels que le Carbure de Silicium (SiC) et le Nitrure de Galium (GaN) en lieu et place du silicium (Si) aujourd’hui largement répandu permet d’obtenir des transistors de puissance plus petits et plus efficaces, ce qui limite les pertes et les échauffements lors des étapes de conversion d'énergie électrique, et par ricochet de réduire la taille et le coût des systèmes de conversion. Les applications concernées vont du chargeur USB universel à l’onduleur photovoltaïque, en passant par la chaine de traction ou le chargeur du véhicule électrique et les alimentations sans interruption (ASI) utilisées notamment pour les datacenters.

Les objectifs de cette thèse sont d’évaluer puis d’analyser les impacts environnementaux pour l’électronique de puissance à base de composants grand gap (SiC, GaN) au-delà des critères traditionnels d’efficacité énergétique et de densité de puissance (W/kg). Les travaux pourront alors proposer et tester de nouvelles manières de concevoir pour réduire les impacts environnementaux. Pour cela, en collaboration entre le Département Composants (DCOS), le Département Systèmes (DSYS) du CEA-Leti et le Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2ELab), il s’agira d’établir l’empreinte environnementale des composants de puissance grand gap, des convertisseurs de puissance à base de composants grand gap, en prenant en compte les différentes phases du cycle de vie du dispositif (fabrication, distribution, usage, gestion de la fin de vie), à l’aide de la méthodologie analyse de cycle de vie (ACV).

Cette évaluation sera réalisée pour plusieurs cas d’applications, et plusieurs intégration système possibles, sur des projets réalisés au CEA-Leti ou avec ses partenaires, afin d’identifier les aspects les plus impactants selon les cas. Le travail de thèse comprendra des analyses comparatives et le développement d’une méthodologie pour estimer les impacts et extrapoler à l’échelle industrielle à partir de données calculées à l’échelle R&D ou pré-industrielle. Les résultats d’ACV permettront d’établir un ensemble de règles et méthodes de conception prenant en compte les impacts environnementaux. Ces travaux pourront prendre la forme d’outils et/ou méthodologies adaptés pour prendre en compte et minimiser les impacts environnementaux lors de la conception, notamment guider vers les composants de puissance et l’intégration système adaptés.

Laboratoire

Département Composants Silicium (LETI)
Service Intégrations et Technologies pour les conversions d'énergies
Laboratoire des composants de Puissance à Semiconducteur
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