Composites Magnétiques Doux Nanocristallins Pour - Grenoble, France - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives

Description

Réf **ABG-123959**
- Sujet de Thèse- 17/05/2024- Contrat doctoral- Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives- Lieu de travail- Grenoble - Auvergne-Rhône-Alpes - France- Intitulé du sujet-
- Champs scientifiques- Sciences de l'ingénieur
- Mots clés- nanocristallin, broyage, atomisation, relaxations contraintes, composant magnétiques doux haute fréquence, électronique de puissance**Description du sujet**:
**LABORATOIRES D'ACCUEIL**
- ENGLISH
Context: Achieving carbon neutrality by 2050 will require massive electrification of the power production systems. Power electronics (PE) is a key-enabler that will this transformation possible (renewables, integration of energy micro-grids, development of electric mobility)Problem: Current developments in PE converters aim at increasing the switching frequencies of large bandgap switches (SiC or GaN). At low frequencies, magnetic components remain bulky, occupying up to 40% of the total footprint. At high frequencies (HF > 100 kHz), very significant gains are expected, but only if the losses generated by these components remain under control. Today, the main class of magnetic materials applied to HF is MnZn or NiZn ferrites, due to their low cost and convenient electrical resistivity (pelec > 1 Ohm.m). The main drawbacks of these materials are their low saturation induction (Bsat < 0.4 T), which limits their size reduction, and their mechanical fragility. Nanocrystallines materials have better Bsat (1.3 T), but their ?elec is about 1.5 μO.m (6 times less resistive than ferrites), which generates significant induced current losses at HF.-
- FRANCAIS
- **CONTEXTE DE LA THESE**
- La France vise la neutralité carbone à l'horizon 2050. Cette neutralité passe par l'amélioration de l'efficacité énergétique des systèmes et aussi par l'électrification massive des usages. Ainsi la part d'énergie consommée provenant de la production d'électricité devrait passer de 25% à 55% d'ici à 2050 [1, 2]. Le système de production d'énergie électrique sera ainsi amené à muter rapidement pour passer d'une configuration dite centralisée (centrales nucléaires, barrages hydroélectriques) à une configuration plus décentralisée. Ceci sera permis par la pénétration des Energies Renouvelables (EnR), de l'avènement des micro-réseaux (et des systèmes de stockage d'énergie de taille plus modestes) et aussi du développement très rapide de la mobilité électriqueA l'interface de ces nouveaux systèmes de production (et de stockage) de cette énergie électrique et de l'utilisateur final (industries, résidentiel, transports, commerces) se trouvera l'électronique de puissance qui est le système de contrôle qui permettra de gérer les flux d'énergie. Aujourd'hui l'avènement des composants actifs de type carbure de silicium (SiC) et nitrure de Gallium (GaN) permet d'envisager des convertisseurs de puissance fonctionnant avec des fréquences de commutation supérieures à 100 kHz.- A basse fréquence
100 kHz) est celle des céramiques de type ferrites MnZn ou NiZn, du fait de leur faible cout et de leur bonne résistivité électrique (ρelec > 1 Ω.m) ; qui limite l'émergence des pertes par courants induits avec la montée en fréquence. Cependant, ces matériaux présentent deux inconvénients importants : une fragilité mécanique et une faible induction à saturation (Bsat < 0.4 T). Les données de l'état de l'Art montrent que les inductions à saturation des ferrites n'iront pas au-delà de 0.6 T [3]. La classe la plus récente de matériaux magnétiques doux découverte et développée industriellement est celle des nanocristallins (sous forme de rubans de faibles épaisseurs). La composition des nanocristallins de type Finemet est par exemple de type FeSiBNbCu. Ces matériaux ont des inductions à saturation près de 3 fois plus élevées que celle des ferrites existant (1.1 T), mais leur résistivité électrique est 6 ordres de grandeur plus basse (1.5 μΩ.m) ce qui génère de fortes pertes par courants induits au-delà de 100 kHz.L'un des développements récents vise à produire des poudres à l'aide des rubans nanocristallins [4], puis à les isoler électriquement (avec un matériau d'épaisseur fine < 100 nm) et enfin à les compacter à très fortes pressions (de 1000 à 2000 MPa) avec présence d'un liant en très faible quantité. Ce type de développement devrait permettre de produire des matériaux de type nanocristallins dont les performances seront fortement améliorées à hautes fréquences. Trois problématiques principales liées à la poudre produite existent : Quelles sont les meilleures morphologies (et tailles) des poudres permettant d'atteindre des niveaux de perméabilité supérieurs à μi = 100 tout en limitant les pertes ? Comment maitriser les caractéristiques de l'isolation électrique ? Comment limiter l'apparition d'une coercivité