A l’heure de la l’électrification des moyens de transports, la conversion électrique est au coeur des enjeux. Au même titre que l’efficacité des étages de conversion ainsi que leur fiabilité, la densité de puissance est un point d’attention crucial pour l’intégration de l’électronique de puissance dans les systèmes embarqués. Pour de la moyenne tension, la conversion électrique est principalement traitée par des structures multiniveaux à haute densité de puissance. Certaines sont utilisées depuis plusieurs années dans l’industrie telles que les topologies Neutral Point Clamp, Flying Capacitor, l’Active Neutral Point Clamp ou le Stacked Multicell Converter. Hors, ces topologies multiniveaux requièrent un nombre important de composants actifs et passifs lors de leur utilisation au sein d’une structure triphasée. A titre d’exemple, les condensateurs flottants peuvent représenter 40% du poids total d’un convertisseur Flying Capacitor 3 niveaux à l’échelle du MW pour une application aéronautique.
Pour répondre à cette problématique dans le cadre de système embarqués sous fortes contraintes d’encombrement, un type de structure nommé Common Flying Capacitor (CFC) utilisant les principes des topologies multiniveaux permet de réduire le nombre de composants. L’objectif est d’augmenter la densité de puissance des convertisseurs tout en préservant les bénéfices des topologies multiniveaux comme le sous-dimensionnement des composants actifs et des filtres, la capacité de travailler à des fréquences de découpage plus élevées ainsi que l’augmentation du rendement par rapport à des topologies 2 niveaux. Les CFC se basent sur la mutualisation de phases (et donc de composants) afin de diminuer leur quantité. En prenant comme base de travail les structures multiniveaux dont les études ont mené à des optimisations à l’échelle d’un bras, les CFC développées dans cette thèse ont pour objet l’optimisation du convertisseur à l’échelle du système triphasé. Le principal bénéfice espéré est la réduction d’énergie stockée dans le système, par un rapport trois dans le cas de topologies CFC basées sur des 3L-FC ou 5L-ANPC mais aussi la diminution du nombre de composants actifs. Néanmoins, la mise en œuvre de ces topologies possède des difficultés. Certains points de fonctionnements habituellement atteignables avec des convertisseurs triphasés classiques sont plus difficilement réalisables. La commande est complexifiée, de même que la régulation de la tension des condensateurs flottants.
L’objectif principal des travaux de thèse est d’étudier l’intérêt des topologies multiniveaux à ce principe, de développer les topologies identifiées et de les employer à travers l’élaboration d’un prototype.
La première partie se concentre sur l’état des recherches sur les topologies multiniveaux puis les topologies basées sur une réduction de composants. La suite du manuscrit porte sur les topologies basées sur une réduction de composants et le principe de la mutualisation de phase. Des considérations de conceptions de topologies CFC seront détaillées concernant des topologies 3 et 5 niveaux. L’outil d’analyse permettant d’évaluer la capacité d’une topologie à fonctionner en CFC et de donner des indications sur la commande est de même expliqué. La partie suivante porte sur une méthode de contrôle en boucle fermée développée spécifiquement pour les convertisseurs CFC. Elle a pour principale vocation, la régulation de la tension des capacités flottantes, facteur essentiel afin de pouvoir garder le même dimensionnement de condensateur qu’une structure triphasée classique tout en divisant leur nombre par trois. L’avant dernier chapitre relate le développement d’un démonstrateur de 7KVA dont la particularité est d’être reconvertible en plusieurs topologies CFC. Enfin, une comparaison basée sur un cahier des charges de propulsion aéronautique entre des structures triphasées classiques et CFC est proposée en dernière partie. |
In the era of electrification of transportation means, electric conversion is at the heart of challenges. In the same way as the efficiency of conversion stages and their reliability, power density is a key factor for the integration of power electronics into embedded systems. For medium voltage, electric conversion is primarily addressed by high power density multilevel structures. Some have been used in the industry for several years, such as Neutral Point Clamp, Flying Capacitor, Active Neutral Point Clamp, or Stacked Multicell Converter topologies. However, multilevel topologies require a significant number of active and passive components when used within a three-phase structure. For example, floating capacitors can represent 40% of the total weight of a 3-level Flying Capacitor converter on the MW scale for an aeronautical application.
To address this issue in the context of embedded systems with tight space constraints, a type of structure called Common Flying Capacitor (CFC), using the principles of multilevel topologies, reduces the number of components. The goal is to increase the power density of converters while preserving the benefits of multilevel topologies, such as undersizing of active components and filters, the ability to operate at higher switching frequencies, and increased efficiency compared to 2-level topologies. CFCs are based on the sharing of phases (and thus components) in order to reduce their quantity.
To tackle this issue within embedded systems with tight space constraints, a type of structure called Common Flying Capacitor (CFC), utilizing the principles of multilevel topologies, reduces the number of components. The objective is to increase power converter density while retaining the benefits of multilevel topologies, such as undersizing of active components and filters, the ability to operate at higher switching frequencies, and increased efficiency compared to 2-level topologies. CFCs are based on the sharing of phases (and thus components) to reduce their quantity.
The main expected benefit is the reduction of energy stored in the system, by a factor of three in the case of CFC topologies based on 3L-FC or 5L-ANPC, as well as a decrease in the number of active components. However, the implementation of these topologies poses challenges. Some operating points usually achievable with conventional three-phase converters are more difficult to achieve. The control is complicated, as is the regulation of the voltage of the floating capacitors.
The main objective of the thesis is to study the interest of multilevel topologies based on this principle, to develop identified topologies, and to use them through the development of a prototype. The first part focuses on the state of research on multilevel topologies and then on topologies based on component reduction. The rest of the manuscript deals with topologies based on component reduction and the principle of phase sharing. Design considerations for CFC topologies will be detailed for 3 and 5 levels. The analysis tool assessing a topology's ability to operate in CFC and providing indications on the control is also explained.
The next part focuses on a closed-loop control method developed specifically for CFC converters. Its main purpose is the regulation of the floating capacitor voltage, a crucial factor to maintain the same capacitor sizing as a conventional three-phase structure while reducing their number by three. The penultimate chapter describes the development of a 7KVA demonstrator, which is notably reconfigurable into several CFC topologies. Finally, a comparison based on an aeronautical propulsion specification between conventional three-phase structures and CFCs is proposed in the last part. |