Optimal Design Methodology for Static Converters - Application to the Aeronautical Context

Méthodologie de conception de convertisseurs-statistiques-application à un contexte aéronautique L’électrification croissante des fonctions à bord des avions est inévitable et s’intensifie avec l’étude de nouveaux programmes tel que l’Avion Plus Electrique (MEA). Ce concept étudié par Airbus implique l’amélioration de la performance des appareils et de leur fiabilité, ainsi que la diminution des frais d’opération et de maintenance. Il permettra de réduire considérablement les émissions de gaz afin de répondre aux nouveaux défis énergétiques et écologiques de notre société. Cependant, pour atteindre ces objectifs, l’état de l’art en génie électrique doit être amélioré. En effet les exigences en terme de conception ont changé, en raison des nouvelles architectures et contraintes technologiques. Dans ce contexte, l'électronique de puissance est devenu un facteur clé pour alimenter, traiter et transporter l'énergie électrique avec efficacité dans nos réseaux et systèmes embarqués. Les équipements relatifs à ce domaine devront donc être plus abordables, performants, écologiques et intégrés afin d’aboutir à la création du MEA. Pour y parvenir, le but de cette thèse est de proposer une nouvelle façon de concevoir et d’optimiser ces équipements de puissance, tout en prenant en compte les nombreux défis du MEA. Cela est possible grâce à la conception optimale informatisée, aussi appelée prototypage virtuel. Cette nouvelle approche en électronique de puissance promet une révolution numérique de nos méthodes de conception et de dimensionnement. En effet, le prototypage virtuel fournira plus facilement et rapidement des systèmes entièrement optimisés, tout en répondant aux objectifs et aux contraintes spécifiques d’une application. Ces logiciels permettront aussi d’améliorer drastiquement la phase de pré- dimensionnement d’un convertisseur en simplifiant la prise de décisions complexes sur des compromis technologiques, de matériaux, formes et dimensions, ainsi que de paramètres internes à l’utilisation d’un convertisseur - fréquence de découpage, filtrage, régulation, etc. En d'autres termes, la conception optimale deviendra une étape indispensable pour atteindre plus efficacement et rapidement de nouveaux niveaux de performances. De plus, bien que cette approche soit poussée par le milieu aéronautique, elle reste suffisamment flexible pour être étendue à n’importe quel domaine d’étude et d'industrie. Une méthodologie complète de plateforme logicielle d'optimisation en génie électrique est présentée dans ce manuscrit, du dimensionnement du composant de puissance jusqu’à la chaine complète de conversion, tout en passant par des problématiques connexes tel que le filtrage CEM. Cette méthodologie est réalisée notamment grâce à la création de modèles adaptés des principaux dispositifs de puissance présents à l’intérieur d’un convertisseur statique. Un écosystème complet est aussi proposé, comprenant la communication avec des solveurs multi-physiques temporels et fréquentiels. Finalement, nous nous concentrons sur des applications relatives au développement de l'avion plus électrique. Ainsi, nous proposons plusieurs exemples d’utilisation de cet outil, prenant en compte les besoins et contraintes de ce milieu très exigeant.