Transports et grands réseaux d’énergie :
les matériaux et systèmes de conversion embarqués du futur

Les recherches menées par le groupe GEM portent sur la fiabilité des matériaux, composants et systèmes pour l’énergie électrique, avec deux domaines applicatifs que sont les transports (introduction massive de systèmes électriques dans l’aéronautique et l’automobile) et les grands réseaux d’énergie électrique (transport et distribution).
Est visée essentiellement la compréhension des phénomènes liés à la dégradation des matériaux et des composants, afin de proposer une évaluation des comportements en se projetant dans le futur.
Ces travaux s’articulent autour de deux axes thématiques :

• les structures et les matériaux isolants soumis à de fortes contraintes
• la fiabilité des systèmes d’énergie embarqués et les architectures de convertisseurs

« Structures et matériaux isolants soumis à de fortes contraintes »
Cet axe historique du GEM concerne les propriétés diélectriques des isolants solides. Il bénéficie d’une forte reconnaissance internationale, académique et industrielle, notamment grâce à la mise au point de méthodes d’étude des comportements diélectriques, directement adaptables sur composants et implantables sur site [1]. Sa dynamique est liée aux futurs réseaux d’énergie hautes tensions nécessaires pour transporter des fortes puissances sur de longues distances (« super-grids »), dont les principaux facteurs limitatifs sont les matériaux pour câbles et appareillages. L’étude et la compréhension des phénomènes permettant de mettre au point des nouveaux matériaux à hautes performances diélectriques constituent les objectifs principaux [2].

Dispositif de mesure des charges électriques pour câbles THT
à forte épaisseur d’isolant - Transferts dans l’industrie chez
General Electric à Stafford (UK)

Ces travaux sont réalisés en collaboration avec des partenaires universitaires et publics (Univ. de Toulouse, Poitiers, Chambéry, Bucarest, Bologne, Southampton, Nottingham, ENSAM, ESPCI, CEA) et à travers des liens étroits avec les principaux acteurs industriels du domaine (Nexans, General Electric, EDF, RTE, Borealis, Hydro-Québec, SuperGrid Institute).
[1] J. Castellon, S. Agnel, P. Notingher, « Review of space charge measurements in high voltage DC extruded cables by the Thermal Step method », Electrical Insulation Magazine, Vol 33, pp 34-41, N°4 (2017)
[2] H. Yahyaoui, P. Notingher, S. Agnel, C. Perrier, Y. Kieffel, « Electrical Properties of Polytetrafluoroethylene with Mineral Fillers under High DC Electric Field », Conference on Electrical Insulation and dielectric Phenomena (CEIDP 2017), , CD-Rom proceedings, 22-25 october 2016, Forthworth – USA (2017)
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« Fiabilité des systèmes embarqués et architectures de convertisseur »
La majeure partie des études faites au GEM concerne la fiabilité des composants et systèmes de l’électronique de puissance et le développement d’architectures de convertisseurs pour l’intégration de puissance. Elles se situent dans un contexte fortement lié au développement des transports et au besoin actuel d’intégration des dispositifs de puissance [1], à travers des travaux menés en réseau et des collaborations nationales (ANR FIDEA et ETHAER) avec les principaux acteurs nationaux de la thématique que sont les laboratoires de la communauté du GDR SEEDS et du GIS 3DPHI (SATIE, Ampère, LAPLACE, GeePs), ainsi que des acteurs publics et industriels tels que IFFSTAR, Airbus, Liebherr et IES Synergie. Au sein de cet axe, des actions sont également menées sur le développement de convertisseurs électromécaniques pour l’aéronautique dans le cadre de l’ « avion plus électrique » (partenariats avec le groupe SAFRAN) [2].
[1] F. Forest, A. Rashed, J.-J. Huselstein, T. Martiré, P. Enrici, « Fast Power Cycling Protocols Implemented in an Automated Test Bench Dedicated to IGBT Module Ageing », Journal of Microelectronics Reliability, Vol. 55, pp. 81-92 (2015)
[2] P. Enrici, F. Dumas, N. Ziegler, and D. Matt, « Design of a high-performance, multi-air gap linear actuator for aeronautical applications », IEEE Transactions on energy conversion, Vol: 31 - Issue: 3, pp 896-905 (2016)
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Banc de test pour composants semi-conducteurs de
puissance utilisés dans le domaine des transports