Méthodes pour le calcul à haute performance sur FPGA avec applications à la simulation et au contrôle des convertisseurs à commutation rapide

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Les société modernes s'engagent dans un changement de paradigme important, motivé par les défis que nous posent les changements climatiques et notre dépendance aux énergies. Il est prévu que dans un horizon de dix ans, 40% de la consommation d'énergie mondiale soit de source électrique. Pour y parvenir, nous devons connecter aux réseaux électriques des sources d'énergie alternatives telles que l'éolien et le solaire, développer des réseaux intelligents adaptant rapidement la production à la demande, et réaliser l'électrification des transports en développant des systèmes de puissance efficaces, compacts et intégrés. Au cour de cette transition se trouvent les circuits d'électronique de puissance, des dispositifs électroniques omniprésents en périphérie du réseau qui servent de ponts entre les différentes formes d'énergie électrique. Augmenter la fréquence de commutation des convertisseurs de puissance est un moyen d'améliorer leur efficacité - la taille des composants passifs est réduite, la puissance volumique est augmentée, le taux de distorsion harmonique est réduit - mais impose de sérieux défis quant à leur simulation et leur contrôle. Le programme de recherche proposé a pour visées applicatives la simulation et le contrôle sur FPGA (acronyme de l'anglais Field Programmable Gate Array) des convertisseurs de puissance à commutation rapide. Cette problématique prend racine dans les défis que pose la simulation avec matériel dans la boucle des convertisseurs de puissance. La simulation avec matériel dans la boucle est une pratique industrielle ayant pour objectif la réduction des coûts de développement, où le modèle du convertisseur est connecté en boucle fermée à un contrôleur physique et subit de ce fait une contrainte de temps réel dure. Durant la récente décennie, les FPGA se sont révélés être la seule plateforme matérielle capable d'offrir des pas de calcul inférieurs à la microseconde, bien qu'ils peinent à suivre la croissance effrénée des fréquences de commutation des convertisseurs modernes. Les objectifs de recherche du présent programme s'articulent autour du développement d'architectures de recouvrement du FPGA et d'outils de conception bâtis sur des méthodes algorithmiques robustes et numériquement stables pour la simulation et le contrôle sur FPGA des convertisseurs de puissance à haute fréquence de commutation.