Après avoir fait partie et contribué au projet Epowerdrive à l’IRT Saint Exupéry, Hans Hoffmann Sathler a soutenu sa thèse le 9 décembre 2021 au B612 à Toulouse. Ses travaux ont été encadrés par l’Ecole Doctorale EOBE (Electrical, Optical, Bio-Physics, and Engineering), l’Université Paris-Saclay, le Laboratoire SATIE et l’IRT Saint Exupéry.
SUJET DE THESE
« Optimisation d’un onduleur triphasé multi-niveaux série-parallèle à base de GaN pour des applications aéronautiques«
Abstract
L’électrification des moyens de transport est une réalité difficile qui s’est imposée au fil des ans. L’impact socio-environnemental de la combustion des combustibles fossiles et leur rareté future ont guidé les efforts de développement durable et polyvalent de la consommation d’énergie. Le domaine aérospatial a fixé des objectifs ambitieux en matière de limitation des émissions de gaz, ce qui a donné lieu à de nouveaux concepts et à de nouvelles architectures de systèmes dans plusieurs secteurs. Le remplacement de systèmes lourds, tels que les systèmes mécaniques, pneumatiques et hydrauliques, réduit le poids des avions et la consommation de carburant par leurs équivalents électriques. Plusieurs projets ont émergé au cours des dernières décennies visant à remplacer ces systèmes en utilisant de nouvelles technologies.
Cette thèse présente une conception optimisée d’un convertisseur DC – AC (filtres inclus) avec une densité de puissance gravimétrique supérieure à 8 kW/kg et un rendement supérieur à 98.5 % pour un système d’entraînement MEA de 70 kVA. Parmi différentes topologies d’onduleurs et technologies de semiconducteurs, on a opté pour la construction d’un onduleur triphasé à condensateurs volants à 7 niveaux, composé de trois branches parallèles de topologie à condensateurs volants à 3 niveaux par phase avec 4 GaNs en parallèle par commutateur.
Le prototype présentait environ 14 litres et 10,04 kg (il comprend les filtres, la structure métallique et la carte de contrôle). Le poids mesuré est supérieur de moins de 4 % par rapport à la solution proposée en simulation, ce qui corrobore la précision des modèles utilisés dans la procédure d’optimisation. Un convertisseur traditionnel à deux niveaux utilisant 1200 V pour les mêmes conditions de fonctionnement sera 74 % plus lourd que l’onduleur à sept niveaux, avec une densité de puissance 43,4 % inférieure à celle de la topologie multiniveau. Une branche de condensateur volant à trois niveaux avec 4 GaNs en parallèle par commutateur a été explorée de manière approfondie, et la solution a atteint presque 99,2 % du rendement mesuré, pour 38 A / 5,8 kW à la sortie du convertisseur (test DC-DC Buck) et 98,8 % dans le test de l’onduleur monophasé (42 A / 6,6 kW à la sortie du convertisseur), tous deux à 40 kHz avec une charge RL (résistance + inductance).
La vérification expérimentale de l’ensemble du convertisseur a conduit à un rendement de 98,6 % à 24,6 kVA (flf= 240 Hz, fsw= 40 kHz et Mi= 0,76). En raison des courants de circulation entre les branches en parallèle, le fonctionnement sûr du convertisseur a été limité à 500 V/38 kVA/87 A (fonctionnement nominal de 70 kVA/130 A) avec une commande en boucle ouverte. En ce qui concerne la modélisation EMI, cette thèse a proposé un modèle générique pour le circuit équivalent du convertisseur multiniveau avec une bonne correspondance jusqu’à 5 à 6 MHz (soutenu par les résultats expérimentaux) et peut aider à la conception prédictive du filtre EMI.
Publications scientifiques
- A. Piat, H. H. Sathler, F. Gallard and B. Cogo, « A Multidisciplinary Design Optimization Approach for EMC Filters Design For More Electric Aircraft Applications, » 2021 23rd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’21 ECCE Europe), 2021, pp. P.1-P.10.
- O. Mendes, H. H. Sathler, B. Cogo, M. M. Stopa, F. Costa and D. Labrousse, « Impact of PWM Techniques in Efficiency and Power Density of a 70kVA Multilevel Inverter for More Electric Aircrafts, » 2021 23rd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’21 ECCE Europe), 2021, pp. P.1-P.10.
- H. H. Sathler et al., « Design of three-level flying-capacitor commutation cells with four paralleled 650 V/60 A GaN HEMTs, » 2021 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2021, pp. 2277-2284, doi: 10.1109/APEC42165.2021.9487160.
- H. H. Sathler, B. Cogo, J. -P. Carayon, F. Costa and D. Labrousse, « Modeling of Common-Mode Voltage Source for Multilevel Inverter Topologies, » 2020 International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC EUROPE, 2020, pp. 1-3, doi: 10.1109/EMCEUROPE48519.2020.9245681.
- B. Cogo, H. H. Sathler, R. Riva, V. D. Santos, N. Roux and B. Sareni, « Characterization of Low-Inductance SiC Module With Integrated Capacitors for Aircraft Applications Requiring Low Losses and Low EMI Issues, » in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 7, pp. 8230-8242, July 2021, doi: 10.1109/TPEL.2020.3014529.
- H. H. Sathler, L. Nagano, B. Cogo, F. Costa and D. Labrousse, « Impact of multilevel converters on EMC filter weight of a 70 kVA power drive system for More Electrical Aircraft, » CIPS 2020; 11th International Conference on Integrated Power Electronics Systems, 2020, pp. 1-8.
DIRECTEURS DE THESE ET ENCADRANTS
| François COSTA | Directeur de Thèse | Université ENS Paris Saclay / SATIE |
| Denis LABROUSSE | Co-Encadrant | CNAM / SATIE |
| Bernardo COGO | Co-Ecandrant | IRT Saint Exupéry |
JURY
| Eric LABOURE | Examinateur | Centrale Supélec / GeePs |
| Bertrand REVOL | Examinateur | Safran |
| Thierry MEYNARD | Rapporteur | CNRS / LAPLACE |
| Jean-Luc SCHANNEN | Rapporteur | ENSE3 / G2ELAB |