Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article a pour sujet la thématique de la conversion d’énergie électrique à très haute fréquence de fonctionnement (Very High Frequency : 30 – 300 MHz). Cet axe de recherche émerge depuis les années 2010 sur le plan international dans un contexte d’électrification massive des systèmes poussant à la conception de convertisseurs électroniques à forte densité de puissance et à haut rendement. Dans cet article, les objectifs de l’électronique de puissance aux fréquences VHF sont décrits, les enjeux, ainsi que l’état de l’art des travaux de recherche dans le domaine sont discutés, et des perspectives sont données.
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The aim of this article is to present the current status, challenges and opportunities in the field of electrical energy conversion at very high operating frequencies (Very High Frequency : 30 - 300 MHz). This area of research has been emerging internationally since the 2010s, in a context of massive electrification of systems, driving the design of high-power density, high-efficiency electronic converters. In this article, we describe the objectives of power electronics at VHF frequencies, discuss the challenges and state of the art of research in the field, and outline the outlook for the future.
Auteur(s)
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Loris PACE : Maître de conférences, département EEA, École Centrale de Lyon - Laboratoire Ampère, École Centrale de Lyon, Écully, France
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Baptiste DAIRE : Doctorant en Génie Électrique, Université Claude Bernard Lyon 1 - Laboratoire Ampère, Univ. Lyon, Villeurbanne, France
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Matthieu BELEY : Doctorant en Génie Électrique, École Centrale de Lyon - Laboratoire Ampère, École Centrale de Lyon, Écully, France
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Florentin SALOMEZ : Chercheur postdoctoral en Génie Électrique - Laboratoire G2Elab, Univ. Grenoble Alpes, Grenoble INP, Grenoble, France
INTRODUCTION
Les systèmes de conversion de l’énergie électrique ne cessent de s’améliorer au rythme des avancées permises par la recherche en réponse aux besoins sociétaux, industriels et/ou militaires. Des percées majeures ont permis la fabrication massive de convertisseurs de puissance capables de convertir l’électricité provenant de sources variées, sur des plages de tension/puissance/fréquence étendues, vers des charges toutes aussi diverses les unes que les autres. Parmi celles-ci peuvent être cités l’invention des redresseurs à vapeur de mercure au début du XXe siècle, le développement du transistor bipolaire dans les années 1940, la diffusion massive des transistors MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistors) dans les années 1970, et celle des IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) dans les années 1990, pour ne citer que quelques exemples notables.
Depuis les années 1970 et l'essor de l'électronique de puissance, l'augmentation de la densité de puissance et l'amélioration de l'efficacité énergétique représentent des axes de recherche majeurs dans le domaine. Cette demande est d'autant plus prévalente dans un contexte actuel d'électrification massive des systèmes énergétiques (transport, machines, commodités…).
Une manière naturelle de réduire l’encombrement des composants passifs au sein du convertisseur est d’augmenter la fréquence de découpage, l’énergie réactive à stocker au cours d’un cycle de fonctionnement étant réduite d’autant. Les avancées technologiques autour des composants à semi-conducteur de puissance et l'émergence des semiconducteurs à grand gap permettent aujourd'hui des applications traditionnelles de conversion de puissance à haut rendement à des fréquences pouvant atteindre quelques MHz. Cependant, plusieurs verrous liés aux topologies conventionnelles des convertisseurs et aux technologies des composants utilisés, dont nous discuterons, freinent le gain substantiel en densité de puissance au-delà de ces fréquences.
La conversion d’énergie très haute fréquence constituerait-elle les prémices d’une nouvelle percée majeure en termes d’intégration et de durabilité ? À la frontière entre l’électronique de puissance et les radio-fréquences, elle propose de fonctionner à très haute fréquence de découpage (Very High Frequency, soit la bande de fréquence 30-300 MHz), alliant topologies résonantes et composants adaptés. La thématique est émergente, et de nombreux enjeux y sont associés. L’article résume les problématiques et les avancées sur le sujet, ainsi que les perspectives.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles et des sigles utilisés.
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KEYWORDS
power electronics | Very High Frequency | power density | DC/DC conversion
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Conclusion et perspectives
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2. État de l’art et verrous
L’état de l’art relatif aux convertisseurs de puissance VHF est donné dans ce paragraphe. Les aspects touchant aux topologies de convertisseur, à la commande de grille, aux composants actifs et passifs, et aux défis de conception en général sont discutés.
2.1 Topologies de convertisseur
La structure classique de conversion DC/DC en VHF consiste en la mise en cascade des blocs onduleur et redresseur, entre lesquels peut être inséré un étage d’adaptation d’impédance, comme représenté sur la figure 4. Ces trois blocs sont décrits successivement.
HAUT DE PAGE
Les structures d’onduleur imposent de par leur principe de fonctionnement une tension nulle (ZVS) et une dérivée de tension nulle (ZdVS) à la mise en conduction de l’interrupteur. Grâce à ce processus, les pertes en commutation sont grandement limitées et les perturbations électromagnétiques émises par le convertisseur sont atténuées. Dans le domaine de la conversion VHF, plusieurs types de structure d’onduleur sont employés. L’ensemble des topologies sont regroupées en différentes classes : la classe DE, la classe E, les classes EF et E/F, et la classe
L’onduleur de classe DE , dont la structure est présentée...
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État de l’art et verrous
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KOLAR (J.W.), DROFENIK (U.), BIELA (J.), HELDWEIN (M.L.), ERTL (H.), FRIEDLI (T.), ROUND (S.D.) - PWM Converter Power Density Barriers – In 2007 Power Conversion Conference – Nagoya, In 2007 Power Conversion Conference. - Nagoya. p. P-9-P-29 – 10.1109/PCCON.2007.372914 p. P-9-P-29 (2007).
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(2) - PÉRREAULT (D.J.), HU (J.), RIVAS (J.M.), HAN (Y.), LEITERMANN (O.), PILAWA-PODGURSKI (R.C.N.), SAGNERI (A.), et al - Opportunities and Challenges in Very High Frequency Power Conversion – In 2009 Twenty-Fourth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Lu octobre 2022. - In IEEE – 2009 Twenty-Fourth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). IEEE p. 1-14 – 10.1109/APEC.2009.4802625 p. 1-14 (2009).
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(4) - MADSEN (M.P.), KNOTT (A.), ANDERSEN (M.A.E.) - Very high frequency resonant DC/DC converters for LED lighting – In 2013 Twenty-Eighth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), In IEEE –2013 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. - APEC...
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