Topologie de conversion CA-CC avec isolation galvanique
CONVERTISSEUR CC-CC ISOLร : รTUDE ET CONCEPTION
Dans le chapitre prรฉcรฉdent, la modรฉlisation et le contrรดle du convertisseur a รฉtรฉ traitรฉ dans son ensemble. Nous allons ร prรฉsent faire la conception matรฉrielle du convertisseur assurant lโisolation galvanique haute frรฉquence. La topologie DAB possรจde de nombreux degrรฉs de libertรฉ quant ร la sรฉlection des รฉlรฉments de transfert dโรฉnergie, de filtrage et de commutation.
Sa capacitรฉ dโรฉlever ou dโabaisser la tension de sortie est, en partie, responsable de cette flexibilitรฉ de conception. ร partir des spรฉcifications gรฉnรฉrales du convertisseur, nous couvrons la sรฉlection des composantes des interrupteurs de deux ponts, avec le calcul des pertes par commutation et des pertes par conduction. La construction du transformateur et de lโinductance est dรฉtaillรฉe, appuyรฉe par les รฉquations de conception. De plus, une explication justifiant lโutilisation de deux transformateurs plutรดt que dโun seul est fournie. Lโรฉtude des mรฉcanismes de commutation douce est prรฉsentรฉe, avec les รฉquations de calcul des pertes et leurs limites. Cela nous permet dโoptimiser la conception du convertisseur en fonction des relations entre les condensateurs de rรฉsonnance en parallรจle avec les interrupteurs, la valeur de lโinductance, le courant efficace du transformateur et le courant minimum pour fermer ร zรฉro tension les interrupteurs de lโonduleur sur toute la plage de variation de la puissance. ร partir du calcul des pertes dans les interrupteurs, le radiateur est sรฉlectionnรฉ. Finalement, ร la fin du chapitre, nous prรฉsentons les rรฉsultats de simulation et les rรฉsultats dโune validation par expรฉrimentation.
Le DAB doit pouvoir transiger 5kW ร lโรฉtage interface CC de 100V, tant en transfรฉrant lโรฉnergie du primaire vers le secondaire que du secondaire vers le primaire. Les paramรจtres de conception de dรฉpart du convertisseur sont รฉnumรฉrรฉs au Tableau 3.1.
Le rapport des tensions mdu transformateur est donc de quatre :
tension du bus est de 100V, les MOSFET sont un choix intรฉressant en vertu de leur commutation trรจs rapide. Dans cette plage de tension, ce type dโinterrupteur prรฉsente uneย faible rรฉsistance ร lโรฉtat passant tout en รฉtant trรจs abordable. Pour diminuer davantage les pertes par conduction, la mise en parallรจle est tout indiquรฉe grรขce ร leur coefficient de tempรฉrature positif. Au primaire, la tension du bus est de 400V. Bien que des interrupteurs de type MOSFET soient disponibles ร ces tensions, ils deviennent trรจs rapidement onรฉreux. Les nouvelles gรฉnรฉrations dโIGBT prรฉsentent quant ร elles des caractรฉristiques de commutation intรฉressantes tout en ayant une faible tension ร lโรฉtat passant.
Optimisation de la conception de lโรฉtage de puissance
Pertes ร lโouverture des interrupteurs
Afin de diminuer les pertes par commutation ร lโouverture des interrupteurs, nous plaรงons un condensateur en parallรจle avec ce dernier. Cette technique, dรฉcrite par McMurray (1980), permet de complรฉter la coupure du courant dans lโinterrupteur, sans avoir la totalitรฉ de la tension du bus apparaissant trรจs rapidement aux bornes de ce dernier. Lorsque commandรฉ ร lโouverture, le courant circulant dans lโinterrupteur est alors dรฉviรฉ vers le condensateur placรฉ en parallรจle. La tension du condensateur ne pouvant augmenter instantanรฉment, lโinterrupteur commute partiellement ร zรฉro tension. La Figure 3.2 montre les formes dโondes idรฉales des courants et tensions du condensateur et de lโinterrupteur commandรฉ ร lโouverture.
Le temps dโouverture (toff) de lโinterrupteur est une de ses caractรฉristiques intrinsรจques. Cette information est fournie par le manufacturier. ร partir de ce temps de fermeture du courant ร lโรฉtat passant, on peut calculer la pente du courant di/dt, responsable du dรฉroulement de la procรฉdure de commutation ร lโouverture. Les pertes associรฉes sont obtenues en intรฉgrant le courant et la tension de lโinterrupteur sur lโintervalle de commutation. Premiรจrement, nous trouvons lโexpression de la tension du condensateur sur lโintervalle de commutation.ย Lโรฉquation (3.4) vรฉrifie que les pertes de commutation seront plus faibles si un condensateur plus gros et un interrupteur plus rapide sont utilisรฉs, tel que le dicte notre intuition. Le pire cas est ร pleine charge, lorsque le courant crรชte de lโinductance est au maximum. La puissance moyenne associรฉe ร cette รฉnergie est obtenue en multipliant par la frรฉquence de commutation.
Mรฉcanisme de commutation ร la fermeture, pont en avance de phase
Le pont en avance de phase possรจde la capacitรฉ de commuter ร zรฉro tension ร la fermeture, zero voltage switching (ZVS). Lโรฉtat du systรจme prรฉcรฉdant cette commutation correspond ร la Figure 3.3. Les condensateurs C1 et C4 nโont aucune tension ร leurs bornes et, faisant abstraction du courant de lโinductance (le considรฉrant nul), lโรฉtat des tensions aux bornes des quatre condensateurs de rรฉsonnance, lors du temps mort, est ร lโรฉquilibre.ย La tension du secondaire, ramenรฉe au primaire, est de mรชme polaritรฉ que la source du primaire. Lโapplication de la loi de Kirchhoff (รฉquation (3.5)) sur la maille formรฉ des deux sources de tensions, des condensateurs C1 et C4 et de lโinductance montre quโil nโy a pas de diffรฉrence de potentiel aux bornes de lโinductance (รฉquation (3.6)). Le systรจme fonctionne ร rapport de conversion d unitaire et VBUS รฉgale m VO โ Il est donc impossible dโopรฉrer une transition ร rรฉsonnance si un courant minimum nโest pas prรฉalablement prรฉsent dans lโinductance.
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Table des matiรจres
INTRODUCTIONย ย
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTรRATUREย ย
1.1 Double pont actif
1.1.1 Historique de la topologie (1988 ร 2001)
1.1.2 รtude des mรฉthodes de commande actuelles (2005-2009)
1.2 Topologie de conversion CC-CC
1.2.1 Convertisseur ร rรฉsonnance sรฉrie
1.2.2 Convertisseur รฉlรฉvateur alimentรฉ en courant
1.2.3 Convertisseur demi-pont ร entrรฉe sur point milieu
1.3 Topologie de conversion CA-CC avec isolation galvanique
1.3.1 Convertisseur hybride ร pont complet
1.3.2 Convertisseur redresseur actif et DAB demi-pont ร lien CC partagรฉ
1.4 Sรฉlection de topologie
1.5 Conclusionย ย
CHAPITRE 2 COMMANDE ET MODรLISATIONย
2.1 Spรฉcifications de lโunitรฉ
2.2 Analyse de stabilitรฉ de Krishnamurthy
2.2.1 Mรฉthode de commande directe
2.2.2 Mรฉthode de commande indirecte
2.3 Commande numรฉrique implantรฉe
2.3.1 Contrรดle du redresseur actif
2.3.2 Contrรดle du double pont actif
2.3.2.1 Introduction dโun angle alpha
2.4 Modรฉlisation du systรจme
2.4.1 Systรจme dโรฉquations
2.4.2 Modรจles moyens
2.4.2.1 Modรจle moyen du DAB
2.4.2.2 Modรจle moyen du redresseur actif
2.4.2.3 Rรฉsumรฉ des modรจles moyens
2.4.3 Rรฉgime statique
2.4.4 Linรฉarisation
2.4.5 Conception des rรฉgulateur
2.4.5.1 Contrรดleur de courant iL1
2.4.5.2 Contrรดleur de tension v2
2.4.5.3 Contrรดleur de tension v1
2.5 Conclusionย ย
CHAPITRE 3 CONVERTISSEUR CC-CC ISOLร : รTUDE ET CONCEPTIONย
3.1 Optimisation de la conception de lโรฉtage de puissance
3.1.1 Pertes ร lโouverture des interrupteurs
3.1.2 Mรฉcanisme de commutation ร la fermeture, pont en avance de phase
3.1.3 Mรฉcanisme de commutation ร la fermeture, pont en retard de phase
3.1.4 Optimisation de la valeur de lโinductance
3.2 Calcul de lโรฉlรฉvation de tempรฉrature
3.2.1 Primaire du DAB
3.2.2 Secondaire du DAB
3.3 Dimensionnement du condensateur de filtrage de sortie
3.4 Conception du transformateur
3.5 Conception de lโinductance
3.6 Simulation
3.7 Expรฉrimentation
3.8 Conclusionย ย
CHAPITRE 4 REDRESSEUR ACTIF : รTUDE ET CONCEPTIONย ย
4.1 Conception
4.1.1 Dimensionnement de lโinductance
4.1.2 Dimensionnement du condensateur de sortie
4.1.3 Dimensionnement du pont dโinterrupteur
4.2 Calcul de lโรฉlรฉvation de tempรฉrature
4.3 Conception de lโinductance
4.4 Simulation
4.5 Expรฉrimentation
4.6 Conclusionย ย
CHAPITRE 5 SYSTรME COMPLET : SIMULATION ET EXPรRIMENTATIONย ย
5.1 Simulation
5.2 Expรฉrimentation
5.3 Conclusionย ย
ANNEXE I DรVELOPPEMENT MATHรMATIQUE
LISTE DE RรFรRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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