Dans le domaine de l'électronique de puissance, les convertisseurs multiniveaux et multicellulaires sont connus et exploités en forte puissance et haute tension pour leurs performances fréquentielles et la qualité de leurs formes d'ondes. En plus basse puissance et basse tension, les structures parallèles à commandes entrelacées ont connu ces dernières années un effort de recherche important de par les besoins croissants en intégration et en modularité. En effet, à la différence des structures "séries", les variantes "parallélisées" permettent de réduire fortement l'énergie stockée dans les filtres en entrée et en sortie.
Les différents travaux menés ces dernières années ont montré l'intérêt d'un couplage magnétique des inductances de liaison pour réduire les pertes, obtenir des filtres compacts et par conséquent obtenir un excellent compromis entre densité de puissance traitée et rendement de conversion. Une des conséquences de l'introduction de ce couplage (à travers un organe appelé "coupleur" magnétique) est la nécessité d'un équilibrage très précis des courants dans chacune des phases, sous peine de saturation rapide du matériau magnétique et d'apparition d'un courant magnétisant excessif, entrainant rapidement la destruction des semi-conducteurs. Par voie de conséquence, toute tentative de fonctionnement déséquilibré se traduit par une surcharge magnétique du coupleur et donc l'obligation d'arrêt complet de la structure sans possibilité d'exploiter l'effet de redondance parallèle de la structure. En pratique, de par le grand nombre de phases et de composants de puissance mis en jeu dans ces structures, un tel déséquilibre peut être la conséquence de la défaillance interne d'un composant (transistor ou diode en court-circuit ou en circuit ouvert, la perte d'une alimentation auxiliaire ou la défaillance d'un driver).
Cette problématique constitue la ligne directrice de ce travail de thèse, visant à imaginer, concevoir et évaluer des solutions permettant de sécuriser et de rendre disponible de telles structures en présence de défauts.
La première partie de ce manuscrit présente un état de l'art des convertisseurs multiniveaux et multicellulaires, en introduisant notamment le couplage magnétique des inductances de liaison et la mise en évidence des phénomènes de saturation magnétique lors d'un régime déséquilibré (déséquilibre de courant et/ou déconnexions de phases).
La deuxième partie développe une méthode de pré-dimensionnement basée sur une approche du produit des aires appliquée à des coupleurs magnétiques lors d'un fonctionnement nominal. Une étude plus exhaustive est effectuée dans la troisième partie sur les différents comportements magnétiques des coupleurs lors d'un fonctionnement dégradé. Une modélisation analytique apportant une aide à la conception des coupleurs magnétiques robustes est présentée. Des solutions sont ensuite proposées pour sécuriser et maintenir le fonctionnement du convertisseur suite à l'apparition d'un ou plusieurs défauts, notamment par l'insertion d'entrefers. Les notions de reconfiguration des porteuses et de paramètres de correcteur adaptatifs sont également étudiées.
La dernière partie de ce manuscrit explore d'un point de vue expérimental des prototypes de coupleurs magnétiques robustes instrumentés permettant de rendre disponibles ces éléments magnétiques suite à la déconnexion de cellules de commutation.
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Multilevel and multicell converters are widely used in many applications requiring high-current with high-power density due to their high frequency performances and good waveforms signals. The main advantages of interleaving techniques, namely the reduction of the output current ripple and the increase of its frequency, have been the subject of various studies. Results of such studies suggest that the filter associated with the converter can be reduced. Another advantage of parallel multicell converters which use uncoupled inductors, is the capability of running at a variable number of phases, as a function of the power load, to improve the efficiency. Due to an increased phase current ripple, however, the interleaved principle, which uses uncoupled inductors, is not adapted to configurations with a large number of parallel commutations cells. To overcome this limitation, a possible solution consists in using InterCell Transformers (ICT) to join all windings together on the same magnetic core. The use of ICTs reduce the phase current ripple and increase its frequency.
Most embedded systems are required to maintain electronic converter operation even if failures or faults occur. ICTs are however inherently sensitive to current imbalances between phases, as any magnetically coupled structure. In the worst scenario, one or even several commutation cells may fail. The goal of this PhD thesis is to bring solutions to make ICTs more robust to fault occurrence. Therefore, a pre-design methodology for a robust ICT is presented in order to maintain the operation after the occurrence of one or several faults, as it would be the case for a high imbalance current or a cell commutation interruption. Several solutions, such as air gap insertions, are presented and detailled. A complete test bench, including robust ICTs with air gaps, is designed. In addition, experimental results are presented and detail the magnetic behavior during post-fault operation. The obtained results also show the methodology performances to design robust ICTs.
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