Projet ANR-12-EMMA-0029 – ProCD : Système de conversion de puissance complexe programmable
Programme : Emergence (Emergence)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur jean Christophe CREBIER (Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble)
Partenaires : Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble; Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble
Montant : 287040.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 24 mois
Résumé : Outil et filière technologique pour convertisseurs statiques modulairesLes convertisseurs statiques modulaires s'appuient sur une démarche de conception formelle et une filière technologique figée permettant de maîtriser les coûts de développement et de fabrication. L'objectif est de faciliter le déploiement des techniques de gestion de l'énergie électrique performantes.
Développement et prototypage d'un convertisseur statique modulaireL'électronique de puissance est au cœur de la gestion efficace de l'énergie électrique depuis la production jusqu'à son utilisation. L'objectif est de faciliter la pénétration de cette technologie dans tous les champs applicatifs pour répondre aux défis énergétiques de notre société. Pour cela l'électronique de puissance est aujourd'hui intégrée, elle bénéficie de procédés de fabrication et d'assemblage collectifs et de moyens de modélisation/simulation/conception toujours plus performants. Le projet ProCD s'inscrit dans cette démarche et s'appuie sur une approche développée au G2ELab et brevetée par le CNRS, Grenoble-INP et l'Université Joseph Fourier. L'objectif du projet sera de montrer comment les architectures de réseaux de convertisseurs seront à même de répondre à de nombreux besoins de conversion et de gestion optimale de l'énergie électrique, des plus spécifiques aux plus conventionnels.
Convertisseurs DC/DC configurables à base de réseaux de micro-convertisseursLes premiers objectifs et résultats attendus concernent la conception, la fabrication, la mise en œuvre et la caractérisation de deux prototypes basés sur une technologie brevetée. Le second volet d'objectifs du projet concerne le développement d'une formulation et d'un outil de conception assistée en vue d'automatiser la «synthèse« de convertisseurs statiques par rapport à un procédé technologique. L'ensemble des travaux et résultats attendus s'appuie sur la mise en réseau de micro cellules de conversion d'énergie, associé à des travaux présents et futurs liés à des développements technologiques. Circuits intégrés de puissance, composants passifs intégrés, substrats performants seront conçus et fabriqués en tenant compte de contraintes CEM et thermique. La fabrication des prototypes s'appuiera, sur des technologies maîtrisées et bas coûts. De nombreuses étapes de conception et réalisation seront confiées à des soustraitants experts dans leurs domaines.
Résumé de la soumission : Le projet "ProCD" a pour ambition d'offrir une rupture technologique dans la manière de concevoir et de mettre en œuvre les convertisseurs d'électronique de puissance. A l'image des circuits programmables logiques tels que les CPLD et autres FPGA bien connus des électroniciens, un principe similaire a été mis au point au niveau de l’électronique de conversion de l'énergie. Ce système de conversion d'énergie programmable simplifie, fiabilise et optimise l'utilisation et le déploiement de structures de conversion dans tous les domaines d'application du conditionnement de l'énergie électrique. En jouant sur l'association et la configuration de cellules élémentaires de conversion d'énergie en série et/ou en parallèle, on peut ainsi répondre à tout cahier des charges compris dans des intervalles courants tensions compatibles avec la structure de conversion programmable. Une gamme de systèmes de conversion programmables permet alors de couvrir la plupart des cahiers des charges actuels dans la plage 1-100A; 1-1000V. Pour configurer ce circuit programmable de puissance, l'utilisateur s'appuie sur un outil logiciel (type EDA pour Electrotechnique Design Automation [3]) de design, de simulation et de paramétrage qui sélectionne, configure et programme la solution en fonction de son cahier des charges. Le logiciel s’appuie sur une gamme de systèmes et configure celui-ci de manières hardware et software. L'approche proposée consiste à optimiser de manière intrinsèque une cellule élémentaire, c'est-à-dire en fonction des possibilités technologiques mais sans les contraintes vis-à-vis d'un cahier des charges applicatif final. Pour répondre à ce cahier des charges, il faut alors associer en série et/ou en parallèle des cellules élémentaires. Cette approche peut se soustraire intégralement au processus classique de conception (modélisation, simulation, dimensionnement) et de prototypage en électronique de puissance. Elle simplifie et fiabilise  la "synthèse" et la mise en oeuvre de convertisseurs statiques performants tout en réduisant drastiquement les coûts associés à la conception et au prototypage de chaque nouveau besoin. Alors que l'électronique de puissance est devenue une discipline complexe, multiphysique, affaire d'experts, l'émergence du circuit de puissance programmable offrira une rupture importante à même de révolutionner certaines pratiques dans ce domaine.  Si l'approche semble séduisante, elle est le fruit d’un long travail de recherche académique et parait souvent assez complexe à finaliser. Dans ce contexte, le projet a pour objectif de pousser la démonstration de l'approche jusqu'au prototype grandeur nature pour évaluer: -les performances versus la configurabilité et les caractéristiques de la cellule élémentaire,-la complexité de la structure versus sa versatilité et sa simplicité de mise en œuvre,-ses types et taux d'intégration versus sa robustesse et son coût de revient.Si ces points ont d'ores et déjà été évalués avec succès pour de petits systèmes ou de manières théoriques, la démonstration sur la base d'un dispositif concret, applicable et abouti technologiquement, est nécessaire pour prouver l'apport de la technologie au monde industriel.
Résultats : Qualification de la technologie de report flip chip sur substrat PCB la plus appropriée compte tenu des contraintes : Travaux de réalisation à l'échelle du prototype, coûts de fabrication collective à maitriser, qualité de la résistance d'interconnexion, excellente conductivité thermique. Ce jalon représentait l'un des 4 défis du projet. Fait marquant moins positif, la puce conçue qui devait être utilisée dans les prototypes à venir est non fonctionnelle, elle doit être conçue à nouveau (retard important). Perspectives : nous attaquons le volet logiciel de conception EDA.
Perspectives : Qualification de la technologie de report flip chip sur substrat PCB la plus appropriée compte tenu des contraintes : Cela va permettre d'engager le projet sur le volet demonstrateur pour lequel des contacts avec des sociétés ont été pris. Des travaux de conception seront maintenant sous-traités pour mettre en place la technologie dans des démonstrateurs. En parallèle, le volet logiciel de conception EDA power est quasiment en fin de spécification.
Publications et brevets : Rien pour l'instant