Exploration d'une topologie hybride GaN/Si multiniveau pour onduleur de traction automobile électrique

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. De la recherche à l’industrie, l’innovation technologique est au cœur de son action, articulée autour de quatre priorités stratégiques : CLIMAT, ENVIRONNEMENT ET ÉCONOMIE CIRCULAIRE, ÉNERGIES RENOUVELABLES, MOBILITÉ DURABLE et HYDROCARBURES RESPONSABLES.

L’engagement d’IFPEN en faveur d’un mix énergétique durable se traduit par des actions visant :

à gagner en efficacité énergétique ;
à réduire les émissions de CO2 et de polluants ;
à améliorer l’empreinte environnementale de l’industrie et des transports ;

tout en répondant à la demande mondiale en mobilité, en énergie et en produits pour la chimie.

Dans cet objectif, IFPEN développe des solutions permettant, d’une part, d’utiliser des sources d’énergie alternatives et, d’autre part, d’améliorer les technologies existantes liées à l’exploitation des énergies fossiles.

Exploration d’une topologie hybride GaN/Si multiniveau pour onduleur de traction automobile électrique

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. IFPEN concentre ses efforts sur l’apport de solutions aux défis sociétaux et industriels de l’énergie et du climat, au service de la transition écologique. Notamment, son action sur la thématique de la mobilité durable vise à développer des solutions pour des transports efficients, à faible impact environnemental et à coût limité. Les convertisseurs électroniques de puissance ont une place stratégique au sein des véhicules électrifiés ou électriques compte tenu de leur impact sur les performances et le coût du groupe motopropulseur électrique.

L’arrivée sur le marché des composants à base de nitrure de gallium (GaN) offre des leviers d’intérêt importants pour les convertisseurs comme les DC/DC, les DC/AC basse et moyenne tension et les chargeurs. Le défi que IFPEN lance est l’exploitation de ces composants pour des applications de haute tension (>650 V_DC).

L’objectif de ce stage s’inscrit dans cette stratégie puisqu’il vise à explorer une architecture de puissance permettant de combiner les avantages des transistors Silicium (Si) actuels (faible coût, faibles pertes en conduction) avec les excellentes propriétés en commutation des semiconducteurs à base de Nitrure de Gallium (GaN).

L’originalité de cette transition hybride Si/GaN doit ainsi permettre de maîtriser les coûts des nouvelles technologies et d’optimiser le rendement du convertisseur selon le point de fonctionnement de la charge (moteur électrique) en exploitation sur un véhicule.

A titre d’exemple, il sera opportun d’explorer des stratégies de pilotage de la topologie favorisant la technologie GaN pour les points où les pertes en commutation doivent être optimisées (faible charge, faible tension), et favorisant la technologie Si pour les points fortement chargés.

Enfin, de par les bénéfices qu’elle peut apporter sur une chaîne de traction électrique à haute tension (>650 V_DC), une topologie multiniveau sera privilégiée dans le cadre de ce stage qui s’intéressera à évaluer son impact sur le moteur électrique qu’elle alimente.

Méthodologie

Ce stage débutera par une étude bibliographique associée à une analyse quantitative visant à identifier les topologies de puissance candidates (onduleur multiniveau NPC, onduleur multiniveau T-Type, onduleur multiniveau modulaire, etc…) et leur pilotage.

L’architecture retenue sera dans un second temps modélisée en vue de son étude par simulations numériques. Un point important concernera sa stratégie de pilotage favorisant la technologie Si ou GaN, et une description par séquence en fonction de l’état des transistors sera proposée. Une simulation systémique incluant notamment le moteur électrique sera envisagée pour valider la stratégie en fonction des points de fonctionnement moteur.

Cette étude pourra déboucher sur une validation expérimentale à petite échelle.

Profil recherché :

Ecoles d’ingénieurs (BAC+5) ou Master M2 avec de solides connaissances en génie électrique, électronique de puissance et contrôle des machines électriques.

Compétences techniques :

Électronique de puissance (topologies de conversion DC/AC, multiniveau)
Modélisation électrique
Contrôle/commande des machines électriques et connaissances sur les techniques de MLI
Simulations sous Matlab/Simulink (Simscape), LTSpice, etc…
Compétences en conception électronique appréciées

Aptitudes :

Envie d’innover
Dynamisme et force de proposition
Motivation pour la valorisation des résultats (rédaction d’articles scientifiques)
Motivation pour la validation expérimentale
Capacité à travailler en équipe

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