Convertisseurs continu-continu non isolés à haut rapport de

Convertisseurs continu-continu non isol´es `a haut rapport
de conversion pour Piles `a Combustible et Electrolyseurs
- Apport des composants GaN
Nicolas Videau
To cite this version:
Nicolas Videau. Convertisseurs continu-continu non isol´es `a haut rapport de conversion pour
Piles `a Combustible et Electrolyseurs - Apport des composants GaN. Sciences de l’ing´enieur
[physics]. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2014. Fran¸cais. <tel-00988205>
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Submitted on 7 May 2014
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Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Génie Electrique
JURY
Thierry MEYNARD (Directeur de recherche CNRS, LAPLACE, Toulouse)
Guillaume FONTES (Maître de conférences INPT-ENSEEIHT, LAPLACE, Toulouse)
Nadir IDIR (Professeur à l’Université de Lille 1, L2EP, Lille)
François COSTA (Professeur à l’Université de Paris 12 – IUFM de Créteil , SATIE, Cachan)
Frédéric MORANCHO (Professeur à l’Université de Toulouse 3 - UPS, LAAS-CNRS, Toulouse)
Olivier VERDU (Ingénieur, AREVA Stockage d’Energie, Aix-en-Provence)
Ecole doctorale : GEET
Unité de recherche : LAPLACE
Directeur(s) de Thèse : Thierry MEYNARD, Guillaume FONTES
Rapporteurs : François COSTA, Nadir IDIR
Présentée et soutenue par Nicolas VIDEAU
Date prévue le : 5 mai 2014
Titre :
Convertisseurs continu-continu non isolés à haut rapport de conversion pour Piles
à Combustible et Electrolyseurs - Apport des composants GaN
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III
Résumé
Face aux enjeux énergétiques d’aujourd’hui et de demain, le développement des énergies
renouvelables semble inéluctable. Cependant, la production électrique de sources
renouvelables prometteuses comme le photovoltaïque ou l’éolien est intermittente et
difficilement prévisible du fait de la dépendance de ces sources aux conditions
météorologiques. Afin de s’affranchir du caractère discontinu de la production d’électricité et
de l’inadéquation de la production avec la consommation, un moyen de stockage de l’énergie
électrique est nécessaire. Dans ce contexte, la batterie hydrogène est une des solutions
envisagées. Lors de périodes de surproduction d’énergie renouvelable, un électrolyseur
produit de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. Lorsque cela est nécessaire, une pile à
combustible fournit de l’électricité à partir du gaz stocké. Couplé avec des sources d’énergie
renouvelable, la batterie produit de l’énergie électrique non carbonée, c’est-à-dire non
émettrice de gaz à effet de serre. L’intérêt majeur de cette technologie est le découplage entre
l’énergie et la puissance du système. Tant que la pile est alimentée en gaz, elle fournit de
l’électricité, l’énergie dépend des réservoirs de gaz. La puissance quant à elle, dépend des
caractéristiques des composants électrochimiques et du dimensionnement des chaînes de
conversions de puissance.
Les chaînes de conversions de puissance relient les composants électrochimiques au
réseau électrique. Dans le cas de la chaîne de conversion sans transformateur qui est
envisagée ici, la présence d’un convertisseur DC-DC à haut rendement est rendue nécessaire
de par la caractéristique basse tension fort courant des composants électrochimiques. Avec
pour but principal l’optimisation du rendement, deux axes de recherches sont développés. Le
premier axe de recherche développe un convertisseur multicellulaire innovant à haut
rendement à fort ratio de conversion. Les résultats expérimentaux du convertisseur appelé
‘miroir’ obtenu dans deux expérimentations ont démontré la supériorité de cette topologie en
terme d’efficacité énergétique par rapport aux convertisseurs conventionnels. Le deuxième
axe de recherche porte sur de nouveaux composants de puissance au nitrure de gallium (GaN)
annoncés comme une rupture technologique. Un convertisseur buck multi-phases illustre les
défis technologique et scientifique de cette technologie et montre le fort potentiel de ces
composants.
Titre de la thèse :
Convertisseurs continu-continu non isolés à haut rapport de conversion pour Piles à
Combustible et Electrolyseurs - Apport des composants GaN
Mots clés :
 Batterie hydrogène
 Association pile à combustible et électrolyseur
 Convertisseurs DC-DC multicellulaires
 Convertisseurs Miroir
 Composants de puissance au nitrure de gallium (GaN)
 Convertisseur buck 5 phases avec transistors au nitrure de gallium

IV