Study of a high-power isolated DC / DC converter for the supply of civil and military ships

 

Partners : ECA Robotics, LAPLACE Toulouse

Researchers : O. Martos (PHD Students), F. Forest (Professor), J-J. Huselstein (Assistant Professor), T. Meynard (DR CNRS - LAPLACE)

Duration : 3 years (2019-2022)

ECA Robotics, within the scope of its Couëron plant, is a major player in the field of marine electrical power conversion (civil and military). It wants to develop a new family of innovative power converters, using original principles, implementing semiconductor components of the latest generation and having a very high efficiency.
The main objective of the thesis is to demonstrate the feasibility of a 30 kW modular isolated DC / DC converter, several of which can be combined to form units with a power of up to 210 kW. The main aspects that will be addressed in this work are the search for conversion architecture capable of meeting very ambitious specifications, the choice and the modelling (with a view to the estimation of the losses) of the next generation drivers (SiC/GaN) semi-modular components, the implementation of a technologically advanced demonstrator. Optimization procedures will be applied to different subsets of the converter.

 


Development of a high performance DC / DC converter with high pulse current for application to power transmission cables

 

Partners : SuperGrid Institute (SGI)

Researchers : M. Jebli (PHD Students), T. Martiré (Assistant Professor), J-C. Laurentie (Assistant Professor), J. Castellon (Assistant Professor), P. Notingher (Professor)

Duration : 3 years (2017-2020)

The physical properties of plastic and composite materials deteriorate over time. The power cable insulation is not spared. The aging of the insulators can be evaluated from space charge measurements and their evolution over time. This is possible by applying the thermal step method. The principle is to heat the conductive core of the cable by injecting a strong current (Joule effect) and then to measure a capacitive current with a pico-ammeter.
The first step of the design is to estimate the intensity of the current to have sufficient heating to obtain a current measurable by the pico-ammeter. The numerical method of calculation adopted consists in simulating the heating of the central core of a 1.5mm² section copper cable; these simulations have highlighted the role of semiconductors in amplitude attenuation of the thermal step. In addition, the heating of the insulation is not immediate at the time of injection of the current, due to the diffusion of the temperature in the semiconductor layer between the conductor and the insulation. Thus, the duration of the heating current must not exceed the time required for the temperature wave to cross the semiconductor so as not to disturb the measurement of the thermal step current.
Based on simulation results, the converter must be able to provide at least 400 A. For the strong current applications, we have opted for a multicellular structure with magnetic coupler (cyclic cascade). The paralleling of the switching cells will make it possible to achieve high powers with low-calibre components, in addition to improving the waveforms at the output of the converter.

 


Study of a high frequency and high performance machine for an aeronautical application

 

Partners : SAFRAN

Researchers : L. Piscini (PHD Students), D. Matt (Professor),

Duration : 3 years (2017-2020)

 

One of the main lines of research of the aerospace industry is hybrid propulsion. The program, which aims to drastically reduce the emissions produced by today's aircraft, aims to identify the concepts of aeronautical hybrid propulsion systems likely to be available in the years 2030-2035 [Nasa]. Due to this growing electrification of the transport industry, a gradual increase in the mass and volume compactness of electromechanical converters is required. SAFRAN TECH, Safran group entity which aims to conduct research projects called 'low' TRL 1-4 (Technical Readiness Level), or R & T, of interest to companies of the SAFRAN group, is a carrier of innovation and funds various research projects of which this thesis work is a part. In this perspective, the latest contributions made by the collaboration between Safran group companies and the IES laboratory have shown very encouraging results in increasing compactness, while controlling additional losses. This multidisciplinary study must contribute to the minimization of the volumes / masses of the magnetic circuits constituting the electric machine, while controlling the associated losses in order to respond to an aeronautical application specified by the company. In one part of the project, test bench tests will validate the design.

Cette étude, pluridisciplinaire, doit permettre à son tour de contribuer à la minimisation des volumes/masses des circuits magnétiques constituant la machine électrique, tout en maitrisant les pertes associées afin de répondre à une application aéronautique spécifiée par l'entreprise. Dans une partie du projet, des tests sur banc d'essais viendront valider le dimensionnement.


 

Electronique de puissance à Très Hautes performances pour l'AERonautique


Partenaires : ANR ETHAER (laboratoires Ampère, Laplace, LGEP), Société Airbus

Chercheurs impliqués : J. Brunello (doctorant), Z. Belkaid (doctorant), P. Enrici (MCF), J-J. Huselstein (MCF), F. Forest (Pr)

Durée : 4 ans (2013-2016)

Le projet ETHAER se situe à l’interface recherche amont/recherche industrielle. Il relève du domaine de l’électronique de puissance et se situe dans le contexte applicatif de l’avion plus électrique sur lequel se focalisent de nombreuses recherches depuis 5 ans. Il a pour ambition de contribuer à la définition de convertisseurs de puissance électroniques pour les avions de future génération (2015‐2025). Pour atteindre cet objectif global, le projet se focalise sur une fonction électrique particulière très contraignante, l’interconnexion entre les réseaux de bord 28V et +/‐270V, ces derniers étant d’ores et déjà définis. Il contient donc un important volet expérimental et technologique qui doit déboucher sur la réalisation de démonstrateurs. Mais il va plus loin, en visant la synthèse de méthodes de conception/optimisation, la construction d’outils associés et la définition de technologies d’intégration susceptibles d’être exploitées dans les autres fonctions de conversion électriques qui vont se multiplier dans les aéronefs.

Depuis plusieurs années, l’électricité prend une importance croissante dans le domaine aéronautique. En effet, le concept d’avion ʺplus électriqueʺ induit un fort potentiel d’amélioration par rapport aux systèmes conventionnels hydrauliques et pneumatiques, principalement par une simplification de la maintenance, une amélioration des rendements et une diminution des coûts de développement et d’exploitation. Au delà des applications ponctuelles dont ont pu bénéficier lA380, l’A400M et lA350 (commande de vol électriques, inverseurs de poussée, distribution alternative à fréquence variable, etc.), les programmes correspondants ont permis d’identifier des évolutions architecturales à même d’améliorer les performances des prochains avions civils. Ceci concerne notamment l’utilisation d’une distribution électrique à courant continu à haute tension dite ʺHVDCʺ.
Ce mode de distribution, rendu possible par l’évolution de l’électronique de puissance, offre différentes perspectives comme un gain de masse sur la distribution (câbles et protections), la suppression d’étages de redressement décentralisés, l’interopérabilité du réseau HVDC avec plusieurs sources, en particulier avec le réseau basse tension LVDC 28V. C’est cette liaison HVDC‐LVDC qui sera au coeur du projet. Toutefois, l’introduction massive de l’électronique de puissance dans un contexte très contraignant, nécessitant la réalisation d’équipements compétitifs, performants et fiables, va s’accompagner de nombreuses difficultés. Pour répondre à cette triple exigence, la conception devra concilier standardisation, mutualisation, intégration, optimisation et sûreté de fonctionnement. La résolution de cette équation complexe impose, d’une part, la définition d’une approche multi‐domaine globale basée sur la conception environnementale 3D (thermique, CEM) et fonctionnelle, d’autre part, l’utilisation de solutions nouvelles (topologies, lois de commande) et de technologies émergeantes (Intégration hybride, composants SiC, GaN, …). Les perspectives globales offertes par cette démarche sont principalement la baisse des
coûts de développement, de production et d’exploitation, l’optimisation de la maintenance préventive/corrective et l’amélioration de la sûreté des systèmes.