Transcript Communication numérique par CPL appliquée à la commande d

IETR UMR CNRS 6164
ED STIM
ALLOC RECH 2014/2015
Sujet 1
Titre : Communication numérique par CPL appliquée à la commande
d'onduleurs à base de semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération
MOSFET SiC.
Résumé du sujet de la thèse
Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre de travaux pluridisciplinaires à la frontière des
communications numériques et de l'électronique de puissance. Ces travaux novateurs portent
sur la communication CPL (Courant Porteur en Ligne) appliquée à la commande d'onduleurs
de puissance. Ces travaux seront étendus aux onduleurs multi niveaux intégrants des
MOSFET SiC.
The proposed subject lies at the junction of two usually separated thematic: digital
communication and power electronic. This original subject deals with PLC (Power Line
carrier) technology used to pilot power inverter. The developed solution must be extended to
silicon carbide (SiC) MOSFETs integrated in multilevel converter.
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ED STIM
ALLOC RECH 2014/2015
Descriptif du sujet de thèse
Communication numérique par CPL appliquée à la commande
d'onduleurs à base de semi-conducteurs de puissance de nouvelle
génération MOSFET SiC.
Introduction :
La conversion de l'énergie électrique est présente partout. On peut citer les
convertisseurs de puissance intégrés dans les trains, tramways ou véhicules électriques et
hybrides, qui ont pour rôle l'alimentation des moteurs électriques de traction. Dans toutes ces
situations, le pilotage de ces moteurs impose l'ajout de plusieurs liaisons filaires bas niveau
entre le moteur et l'onduleur.
La technologie Courant Porteur en Ligne (CPL) est de plus en plus présente dans notre
vie quotidienne. Ce procédé utilise le réseau de distribution électrique pour véhiculer les
données numériques d’un équipement informatique à un autre. Les applications les plus
répandues concernent les habitations et les locaux industriels. Ces produits, dédiés à ces
applications, utilisent des méthodes de couplages électriques et de codages de l’information
très spécifiques et adaptées aux réseaux sinusoïdaux.
Depuis plusieurs années, les travaux développés par notre équipe sont à la frontière
des deux domaines cités précédemment, à savoir l'électronique de puissance et les
communications numériques. Dans la grande majorité des applications de conversion de
l’énergie électrique, le réseau électrique est de type Modulation de Largeur d’Impulsions
(MLI). La forme d’onde de la tension est constituée de trapèzes de plusieurs centaines de
volts rendant la communication par CPL complexe. Peu d’équipes de recherche (nationales et
internationales) travaillent sur cette thématique que l’on nomme « systèmes communicants sur
courant fort ». Grâce à l'association de ces deux disciplines, nous souhaitons poursuivre ces
travaux en l'appliquant à la commande des convertisseurs de puissance intégrant la
technologie MOSFET SiC.
Contexte :
Ce sujet s’inscrit dans la suite des travaux de doctorat de M.A. Mannah, débutés il y a
plusieurs années au sein du laboratoire. Les résultats obtenus ont permis de valider la
faisabilité de la transmission de données par communication CPL sur les réseaux MLI. Un
banc de test « convertisseur-machine » est opérationnel et garantit des investigations
intéressantes. Aussi, la technologie CPL semble très intéressante pour le domaine ferroviaire
ainsi que dans un contexte avionique. Ce dernier point a été abordé récemment par une équipe
de l'IEMN. Ces travaux et ceux de M.A. Mannah seront le point de départ de ce sujet de
doctorat.
Ces liaisons véhiculent des informations vitales en termes de fonctionnement et de
sécurité du système. L'intérêt de la communication par CPL réside alors dans la suppression
de ces liaisons filaires en mettant en commun le canal d'énergie et le canal de communication.
L'élément principal au coeur de ces convertisseurs de puissance est composé de plusieurs
semi-conducteurs dont la technologie évolue depuis les dernières décennies. Actuellement, la
grande majorité des semi-conducteurs employés dans les convertisseurs de puissance sont de
type IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Ces composants sont pilotés en "tout ou rien",
c'est à dire qu'ils sont soit bloqués soit passants.
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Travaux :
Ces travaux de doctorat consisteront à étudier un système de communication
numérique adapté aux réseaux MLI. Pour ce faire, nous devrons satisfaire aux contraintes
relatives à la commande des onduleurs de puissance en termes de débit, TEB et délais de
latence. Une analyse fine du bruit, de caractère majoritairement impulsif, permettra d'aboutir à
un modèle fréquentiel du bruit présent sur le canal de communication. Ces premiers travaux
permettront donc une caractérisation du canal de communication pour différentes longueurs et
topologies de câbles de puissance. Ces études seront menées pour différentes tensions
d'alimentation de l'onduleur. Par la suite, des techniques de modulation numérique pouvant
être adaptées aux réseaux MLI et à ce canal feront l'objet d'une étude théorique. Les
modulations retenues seront implémentées et insérée sur un démonstrateur par l'utilisation
d'un système temps réel National Instrument. La finalité sera de pouvoir effectuer des mesures
de TEB pour les différentes techniques de modulation et pour diverses bandes fréquentielles.
Ces mesures seront comparées à celles obtenues à partir du modèle théorique qui sera proposé.
La technologie des semi-conducteurs de puissance a fortement évolué ces dernières
années. Les IGBT, intégrés dans la plupart des onduleurs, présentent aujourd'hui des fronts de
commutation pouvant atteindre une dizaine de kV/µs. Cette tendance est à la hausse avec
l'arrivée de semi- conducteurs de type MOSFET SiC dont les fronts de commutation sont de
plusieurs kV/µs impactant le niveau de bruit sur le canal de communication. Aussi, la
topologie des onduleurs évolue progressivement vers des structures à trois niveaux qui
limitent la valeur des fronts de commutation vus sur le réseau MLI. Ce dernier point vient
contraster la tendance à la hausse du bruit engendré par l'arrivée de MOSFET SiC. Un banc
de test très novateur, intégrant une structure à trois niveaux à base de semi-conducteurs
MOSFET SiC sera à disposition afin d'étudier un système de communication numérique
adapté à cet environnement futur.
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