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Convertisseurs Parallèles Entrelacés : Etude des Pertes Fer dans les Transformateurs Inter-cellules

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

  • mémoire


N° d'ordre : 2520 THESE présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : Génie Electrique, Electronique, Télécommunications Spécialité : Génie Electrique Par M. Valentin COSTAN Titre de la thèse Convertisseurs Parallèles Entrelacés : Etude des Pertes Fer dans les Transformateurs Inter-cellules Soutenue le 18 octobre 2007 devant le jury composé de : M. François FOREST Président MM. Thierry MEYNARD Directeur de thèse Philippe LE MOIGNE Rapporteur Jean-Christophe CREBIER Rapporteur Emmanuel SARRAUTE Membre Pierre BRODEAU Membre

  • transformers - core losses - standard

  • séquence des phases d'alimentation des bobinages

  • supply - modified supply

  • intercell transformers

  • convertisseurs parallèles

  • travail de thèse


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Publié par
Publié le 01 octobre 2007
Nombre de lectures 141
Langue Français
Poids de l'ouvrage 3 Mo


N° d’ordre : 2520








THESE


présentée

pour obtenir

LE TITRE DE DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE



École doctorale : Génie Electrique, Electronique, Télécommunications

Spécialité : Génie Electrique


Par M. Valentin COSTAN



Titre de la thèse Convertisseurs Parallèles Entrelacés : Etude des Pertes Fer dans les
Transformateurs Inter-cellules




Soutenue le 18 octobre 2007 devant le jury composé de :


M. François FOREST Président

MM. Thierry MEYNARD Directeur de thèse
Philippe LE MOIGNE Rapporteur
Jean-Christophe CREBIER Rapporteur
Emmanuel SARRAUTE Membre
Pierre BRODEAU Membre





Convertisseurs parallèles entrelacés : Etude des pertes fer dans les
transformateurs inter-cellules


Résumé

La recherche de performances élevées (densité de puissance, efficacité, dynamique,…) a
conduit ces dernières années à l’apparition de convertisseurs entrelacés utilisant des
transformateurs inter-cellules.

La minimisation de la taille et la réduction de pertes des transformateurs inter-cellules sont les
objectifs principaux de cette étude. Les transformateurs inter-cellules deviennent encombrants
à cause des fortes concentrations de flux existantes dans certaines branches du circuit
magnétique. Dans les convertisseurs parallèles entrelacés, la séquence des phases
d’alimentation des bobinages constitue un degré de liberté. En fonction de la topologie de
transformateurs inter-cellules adoptée, deux procédés de permutation des phases
d’alimentation sont proposés, visant la minimisation des flux magnétiques. Le gain obtenu en
termes de pertes fer a été évalué théoriquement et expérimentalement. Les résultats obtenus
valident qualitativement l’avantage de l’alimentation permutée devant l’alimentation
classique.

Enfin, la réalisation pratique d’un prototype de convertisseur de puissance utilisant des
transformateurs inter-cellules a été abordée. Il s’agit de douze cellules permettant de réaliser
un bras d’onduleur à douze cellules entrelacées ou la mise en opposition de deux bras à six
cellules chacun.


Mots clés :

- Convertisseurs parallèles entrelacés
- Inductances
- Transformateurs inter-cellules
- Pertes fer
- Alimentation standard
- Alimentation permutée











Interleaved converters: Study of core losses in intercell transformers


Abstract

During the last years, high performance requirements (power density, efficiency, dynamic
behavior,…) in power converters lead to the development of interleaved converters using
intercell transformers. Minimization of the size of intercell transformers and the reduction of
losses that occur in such transformers are the main objectives of this study.

Intercell transformers become bulky because of the existing flux hotspots in certain branches
of the magnetic circuit. In interleaved converters, the sequence of the phase voltages applied
to the windings is a degree of freedom. Depending on the topology of intercell transformers,
two methods of permutation of the phase voltages are proposed, pointing at a decrease of the
magnetic fluxes. The reduction of core losses was evaluated theoretically and experimentally.
The results obtained confirm the advantage of the permuted supply against the standard
supply.

At last, the implementation of a power converter using intercell transformers is shown. It is
about twelve interleaved commutation cells which allow performing a single phase voltage
inverter or testing, with opposition method, two voltage-inverter legs containing six cells each
one.

Keywords:

- Interleaved converters
- Inductors
- Intercell transformers
- Core losses
- Standard supply
- Modified supply






Remerciements

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés dans le groupe Convertisseurs
Statiques du Laboratoire de Plasma et Conversion d’Energie (LAPLACE). Au terme de trois
ans de recherche, je suis ravi d’exprimer toute ma gratitude envers tous ceux qui ont contribué
à l’aboutissement de ce travail.

Tout d’abord, je tiens à remercier aux membres du jury :

- Monsieur François FOREST, professeur à l’université de Montpellier II, pour
m’avoir fait l’honneur de présider cette thèse et surtout pour ses avis dont j’ai
bénéficié durant cette étude.
- Monsieur Philippe Le MOIGNE, professeur des universités à l’Ecole Centrale de
Lille, pour m’avoir fait l’honneur de rapporteur sur ce travail. Je le remercie pour ses
questions pertinentes et le grand intérêt qu’il a manifesté pour ce travail.
- Monsieur Jean-Christophe CREBIER, maître de conférences à l’Ecole Nationale
Supérieure d’Ingénieurs Electriciens de Grenoble, pour avoir accepté d’être le
rapporteur de mes travaux. Je voudrais le remercier pour son regard critique et l’intérêt
porté à l’égard de mes travaux.
- Monsieur Emmanuel SARRAUTE, maître de conférences à l’ENSEEIHT, pour avoir
accepté de faire partie du jury de thèse. Je tiens à le remercier pour sa gentillesse et
pour ses conseils durant notre collaboration.
- Monsieur Pierre BRODEAU, responsable du département électromécanique de la
société Liebherr Aerospace, pour avoir participé à ce jury et pour le regard industriel
qu’il a porté sur ce travail.
- Monsieur Thierry MEYNARD, directeur de recherche au CNRS, pour avoir encadré
mes travaux de thèse pendant ces trois années. Je lui exprime toute ma gratitude pour
m’avoir proposé ce sujet de thèse très intéressant. J’ai toujours apprécié ses conseils et
son approche des problèmes scientifiques. Je le remercie pour ses qualités humaines
exceptionnelles et j’aurais toujours un grand respect pour lui et une grande admiration
pour ses travaux. Il a réussi à me transmettre un ‘motto’ pour un parcours
professionnel : « Il faut montrer qu’on sait faire des choses simples ».

Je remercie également :

- Monsieur Maurice FADEL, professeur à l’Institut National Polytechnique de
Toulouse et directeur adjoint de Laplace pour son accueil et pour m’avoir permis de
travailler dans de bonnes conditions.
- Monsieur Philipe LADOUX, professeur à l’Institut National Polytechnique de
Toulouse et le responsable du groupe Convertisseurs Statiques pour son accueil au
sein du groupe, pour sa bonne humeur et l’ambiance très agréable que j’ai connu
durant ses années.
- Mesdames, MEBREK, SCHWARZ, MERLOT, BALON, pour leur gentillesse et
leur disponibilité dans toutes les démarches administratives.
- Messieurs, O. DURRIEU, D. GINIBRIERE, J.-M. BLAQUIERE, R.
LARROCHE, pour l’aide pratique et les conseils techniques qu’ils m’ont apportés.
Un remerciement particulier à David COSTES pour l’excellent travail durant son
stage au laboratoire. Je n’oublierai jamais mes amis thésards :

Bayram, azizi t’es le meilleur, fashion coach, tu connais bien en foot, tu t’intéresses à tout, tu
sait parler aux gens (aux femmes en particulier), et t’es plus fan de l’équipe CSS que moi…
Ali, « pareil ou quoi», j’ai trouvé dur de me lancer dans une discussion contradictoire avec
toi, il faut que tu te lance vraiment dans la politique…
Christophe, bientôt, mon futur collègue, un très bon ami, il faut pas l’énerver quand sa manip
ne marche pas.
Wojciech, c’est avec lui que je prenais la bière, le soir, au bord du canal. La soirée de
l’enterrement de vie de jeun garçon a été la meilleure. Je vais jamais essayer de faire une
compétition avec lui : ‘Qui boit plus de vodka’.
Markos, ce don juan, j’ai bien aimé toutes les soirées chez lui (tequila paf-paf), son style
particulier, et bien évidement son esprit aventurier.
François, mon « cousin roumain », lui et Sophie, les seuls français qui ont visité le village de
mes parents. Avec eux on a passé des moments très agréables.
Marcus, un brésilien, pas le meilleur attaquant au foot, mais avec lui la fête est garantie…
Bernardo, mon meilleur ami brésilien, dommage qu’il aime pas la bière, ni le café, mais il
apprécie toujours un bon whisky. Je te remercie beaucoup pour ton aide et je te souhaite bon
courage dans la suite du travail 3DPHI…
Rafael, Ra-fa-ga, un très bon ami, merci pour le café que tu nous a fait goûté...je sais que t’es
pas content que la Roumanie a battu plusieurs fois la Colombie au foot...
Sylvain, « Silvano », mon nouveau collègue de bureau, j’apprécie ta gentillesse, merci de
t’avoir occupé du café, merci pour ton aide…il avait toujours des expressions en français que
je connaissais pas bien…

Egalement je remercie à Gianluca (Gianluigi, un italiano verro), Jérome Faucher (un cousin
roumain qui aime la visinata), Mathieu COUDERC, Anne-Marie LIENHARDT, François
DEFAY, Abdennour, Nadia BOUHALLI, ainsi que tous les autres doctorants que j’ai
côtoyé.

Après mes amis hors laboratoire :

Adi Jar (mon collègue de DEA), Daniel Boteanu (notre prêtre et un bon ami), Cristea
Gheorghe (unchiu’ barosanu’), Anastase Catalin (Ioan gagicaru’), Dragos Dima et Dorina
Dima (peut être nos futurs parrains de mariage !!!), Ciprian Stroia (docteur des plantes)…

Finalement je tiens à remercier ma copine Mihaela, pour son amour, pour le soutien durant
ces derniers quatre ans…Te Iubesc Mult !

Mes remerciements les plus vifs vont à ma famille et aux parents de Mihaela.
Vă mulŃumesc din suflet !







Table des matières

Introduction générale.................................................................................................................. 9
Chapitre I Les convertisseurs multicellulaires parallèles......................................................... 14
I.1 Introduction...................................................................... 14
I.2 Topologie de convertisseurs multicellulaires parallèles ..................................................... 14
I.3 Position du problème pour un parallélisme massif............................................................. 17
I.3.1 Existence des fortes ondulations de courant dans les phases du convertisseur 18
I.3.2 Equilibrage des courants de phase ............................................................................... 21
I.3.3 Conclusion ................................................................ 21
I.4 Modélisation simple des circuits magnétiques ................ 21
I.5 Introduction de la solution transformateurs inter-cellules .................................................. 24
I.5.1 Présentation du transformateur inter-cellules........... 24
I.5.2 Comparaison d’un convertisseur avec inductances découplées et un convertisseur avec
transformateur inter-cellules ................................................................................................ 25
I.6 Conclusion ....................................................................... 28
Chapitre II Analyse des transformateurs inter-cellules............................................................ 30
II.1 Introduction .................................. 30
II.2 Topologies de transformateurs inter-cellules monolithiques............................................. 30
II.2.1 Topologies circulaires.............................................. 30
II.2.2 Topologies en échelle ................................................................................................. 32
II.2.3 Topologie circulaire basée sur des noyaux standards................................................. 34
II.3 Calcul analytique des flux transversaux dans chaque topologie ....................................... 36
II.3.1 Topologie circulaire................................................. 37
II.3.2 Topologie en échelle – flux canalisés...................... 39
II.3.3 Topologie en échelle – flux répartis ........................ 40
II.3.4 Topologie circulaire basée sur des noyaux standards................................................. 41
II.4 Quantification des valeurs des flux transversaux : mise en avant des fortes concentrations
de flux dans les branches transversales des transformateurs.................................................... 43
II.4.1 Définition des paramètres et de la méthode d’alimentation des bobinages................ 43
II.4.2 Formes d’ondes des flux transversaux – alimentation standard ................................. 44
II.5 Diminution des concentrations de flux dans les branches transversales des transformateurs
par modification de l’alimentation des bobinages.................................................................... 46
II.5.1 Principe.................................................................... 46
II.5.2 Définition de l’alimentation permutée..................... 47
II.5.3 Exemples de permutation ........................................ 47
II.5.4 Formes d’ondes des flux transversaux – alimentation permutée 48
II.5.5 Alimentation permutée – règles générales............... 50
II.6 Conclusion......................................................................................................................... 50
Chapitre III Transformateurs inter-cellules monolithiques ou séparés.. 52
III.1 Introduction ................................. 52
III.2 Equivalence 1 bobine par phase – 2 bobines par phase ................................................... 52
III.2.1 Choix de la topologie ............................................. 52
III.2.2 Schéma équivalent.................................................. 54
III.2.3 Procédé ...................................................................................................................... 54
III.3 Réduction des flux fondamentaux dans les transformateurs inter-cellules séparés ......... 56
III.3.1 Détermination des flux fondamentaux ................... 56
III.3.2 Exemple pour des tensions sinusoïdales ..... 60
III.4 Collages permettant une réduction de flux.................... 62
vi III.4.1 Réduction des flux fondamentaux dans les colonnes de collage .............................. 62
III.4.2 Réduction des flux de fuites...................................................................................... 64
III.5 Simulation. Validation des réductions de flux.............. 65
III.5.1 Circuit électrique équivalent d’un transformateur planar E/PLT 65
III.5.2 Transformateurs séparés en mode permuté B1 ...... 67
III.5.3 Transformateurs collés en mode permuté B2......... 71
III.6 Conclusion........................................................................................................................ 75
Chapitre IV Evaluation théorique des pertes fer ................... 76
IV.1 Introduction................................................................... 76
IV.2 Matériaux magnétiques................................................. 76
IV.3 Généralités sur les pertes fer ......................................... 77
IV.3.1 Pertes par hystérésis....................... 77
IV.3.2 Pertes par courants de Foucault ................................................................................ 78
IV.3.3 Pertes supplémentaires........................................... 78
IV.3.4 Pertes fer en régime sinusoïdal .............................. 79
IV.3.5 Pertes fer en régime non-sinusoïdal....................... 80
IV.4 Méthode théorique d’évaluation des pertes fer ............. 82
IV.4.1 Routine de calcul des pertes fer ............................. 82
IV.4.2 Schéma électrique et conditions de simulation ......................................................... 86
IV.4.3 Organisation des simulations .................................................................................... 88
IV.5 Comparatif des pertes fer dans les différentes configurations ......................................... 89
IV.5.1 Noyaux décollés – volume ferrite 7 E + 7 PLT..... 89
IV.5.2 Noyaux collés – volume ferrite 7 E + 7 PLT ......... 90
IV.5.3 Noyaux collés – volume ferrite 7 E + 1 PLT ......... 91
IV.6 Conclusion ....................................................................................................................... 93
Chapitre V Expérimentation.................................................. 94
V.1 Introduction .................................................................... 94
V.2 Caractérisation des pertes fer ......................................... 94
V.2.1 Présentation du montage ......................................... 94
V.2.1.1 Schéma général.................................................................................................... 94
V.2.1.2 Spécifications des transformateurs planars ...... 95
V.2.2 Mesure de flux et comparaison des formes d’onde.................................................... 96
V.2.3 Evaluation des pertes fer ....................................... 101
V.2.3.1 Mesures des pertes totales .............................. 101
V.2.3.2 Pertes fer déterminées par des mesures calorimétriques ................................... 101
V.2.4 Comparaison entre simulation et expérimentation.. 106
V.3 Prototype d’un convertisseur à 12 cellules entrelacées ................................................... 109
V.3.1 Description du prototype .......................................................................................... 109
V.3.1.1 Convertisseur.................................................. 109
V.3.2.2 Topologie de transformateurs inter-cellules... 110
V.3.1.3 Carte de commande........................................ 113
V.3.1.4 Réalisation pratique........................................ 113
V.3.2 Quelques résultats.................................................. 114
V.3.2.1 Fonctionnement du convertisseur...................................................................... 115
V.3.2.2 Mesures des courants magnétisants................ 116
V.3.2.3 Mesure des courants de phase ........................ 120
V.3.2.4 Mesure des pertes totales du convertisseur .... 120
V.4 Conclusion....................................................................................................................... 122
Chapitre VI Bilan et perspectives........................................ 123
VI.1 Description des trois topologies.................................. 124
viiVI.1.1 Topologie « Basso Cambo »................................................................................... 124
VI.1.2 Topologie « LEEI »................................................ 125
VI.1.3 Topologie Monobobine........................................................................................... 125
VI.2 Conditions de comparaison......................................... 126
VI.3 Système d’alimentation optimale dans la topologie « Basso Cambo » ......................... 126
VI.4 Système d’alimentatiimale dans la topologie « LEEI »....................................... 127
VI.5 Système d’alimentation optimale dans la topologie « monobobine »............................ 128
VI.6 Comparaison pour un convertisseur à six cellules entrelacées ...................................... 129
VI.7 Comparais un convertisseur à huit cellules entrelacées..................................... 132
Conclusion générale ................................................................................... 135
Bibliographie....................................................................... 137
Annexe A Mise en évidence et intérêts des structures transformateurs 140
Annexe B Programme Matlab pour le calcul des flux fondamentaux et régime alternatif
sinusoïdal............................................................................. 143
Annexe C Schéma synoptique de la carte de commande....................................................... 145
















viii
Introduction générale


Pourquoi l’intégration ?

L’électronique de puissance n’est pas une nouvelle discipline, mais son domaine
d’application ne cesse de s’étendre. Il semble même que l’on se situe à une période clé qui
correspond à un véritable sursaut de la discipline qui est en train de conquérir d’énormes
domaines comme l’automobile ou l’aéronautique. L’accès à ces nouveaux marchés n’est
toutefois possible qu’à condition de présenter des solutions extrêmement abouties en termes
de rendement, de miniaturisation et de sûreté de fonctionnement, le tout devant bien sûr
s’accompagner d’une réduction des coûts de fabrication. Vis-à-vis de tels challenges,
l’intégration présente de nombreux atouts, mais suscite également de multiples questions.

Traditionnellement, un convertisseur statique est composé d’un agencement de
composants élémentaires discrets (composants semi-conducteurs de puissance, condensateurs,
composants magnétiques, circuits intégré de commande, dispositif de refroidissement,
interconnexions). Les convertisseurs statiques occupent donc un volume significatif,
évidement croissant avec la puissance convertie. L’assemblage de ces différents éléments
demande une série d’opérations mécaniques et thermiques (vissage, clipsage, soudage) qui
freinent la miniaturisation du système et l’automatisation de la production. Une approche
radicalement différente de la conception du packaging des convertisseurs statiques semble
aujourd’hui nécessaire [1-3].
L’intégration de puissance peut être définie comme une « orientation » qui vient à la
rencontre des exigences technologiques pour les convertisseurs statiques :
La réduction du volume afin de s’adapter à l’évolution des systèmes dans lesquels les
convertisseurs sont insérés en gagnant en compacité. Citons l’exemple du domaine de
l’automobile où la puissance du réseau électrique est augmentée avec l’installation
d’un nombre croissant d’organes sur le véhicule, qui fait de la densité de puissance un
paramètre de design très important.
L’accroissement du rendement fait partie des exigences courantes, dans la mesure où
l’utilisation rationnelle de l’énergie est un concept actuel. Par ailleurs, via la
thermique, le rendement a une influence directe sur le volume.
La fiabilité s’exprime en termes de limitation des causes de défaillances du
convertisseur.
La modularité et la standardisation sont liées à la possibilité d’obtenir un convertisseur
sous la forme d’une association de différents blocs élémentaires (bloc intégré de
composants actifs et bloc intégré de composants passifs) et qui permettra ensuite une
production en plus grande série.
La réduction des coûts peut être apportée par la fabrication collective, avec une
conséquence directe sur le coût final de l’installation dans laquelle le convertisseur est
inséré.

Quel type d’intégration ?

Suivant les niveaux de puissance, deux types d’intégration sont distingués [4]:
9 Introduction générale

Une intégration monolithique (« on chip ») concernant les dispositifs de faibles
puissance (quelques watt) et dans laquelle l’ensemble des composants sont réalisés et
interconnectés par des techniques de dépôt et de gravure avec une technologie de base
« silicium »,
Une intégration hybride (« on package ») pouvant s’appliquer à des dispositifs plus
puissants (quelques dizaines de watt) et qui permet d’associer dans le même packaging
divers composants grâce à l’utilisation de matériaux adéquats et de méthodes
d’assemblage adaptées.
Dans le cas de l’intégration hybride, la matrice d’interconnexion peut inclure des composants
issus de l’intégration monolithique (par exemple des semi-conducteurs), d’où la
complémentarité entre les deux types d’intégration.
Notre travail de thèse fait partie du projet 3DPHI (three Dimensional Power Hybrid
Integration) qui regroupe plusieurs laboratoires de France : SATIE (Cachan), LAPLACE
(Toulouse), AMPERE (Lyon), CIRIMAT (Toulouse), IES (Montpellier) et LAAS (Toulouse).
Le projet 3DPHI est orienté vers l’intégration hybride avec des actions dans divers
domaines : architectures, conception, matériaux, procédés, composants passifs…

Les modules de puissance à semi-conducteurs constituent l’exemple le plus classique
de système intégré hybride. Selon les gammes de puissances visées, on distingue des modules
de puissance ‘standards’ et les modules de puissance ‘intelligents’ (IPEM).
Les modules standards de puissance sont utilisés dans les applications de forte
puissance (de 100A à 2000A et de 1200V à 3500V). Dans ce cas, l’intégration se
réduit à un assemblage de « puces » semi-conductrices de puissance en parallèle. Les
puces semi-conductrices reposent sur un substrat et leurs interconnexions sont
réalisées par la technique de wire bonding. Cependant, la fiabilité de ces modules est
faible car les microcâblages subissent d’importantes contraintes thermiques. Des
progrès importants ont été réalisés sur les techniques de connexion des puces [5].
Les modules de puissance intelligents sont utilisés pour des tensions supérieures à
600V et des courants compris entre 4A et 100A. Ces modules sont réalisés en
intégrant dans le même boîtier les semi-conducteurs de puissance avec leurs circuits
de commande et de protection [6].

Les avancées sur les modules de puissance concernent : l’augmentation du courant et
de la tenue en tension, la croissance de la température de fonctionnement, l’amélioration de la
fiabilité, la réduction de la taille et du coût [6].

Structures de composants passifs intégrés

Les convertisseurs doivent inclure des filtres et des composants de stockage pour lisser
les grandeurs de tension et de courant découpées et pour éliminer les effets des harmoniques
indésirables.
Les composants passifs et les systèmes de refroidissement n’ont pas suivi la même
évolution. Dans un convertisseur, un volume important est occupé par les composants passifs.
Pour augmenter la densité de puissance, une intégration des composants passifs dans un
module est nécessaire.
Toute inductance, tout condensateur stocke l’énergie électrique à la fois sous forme de
champ magnétique et électrique (chaque inductance possède une capacité parasite et vice
versa). Au lieu de concentrer toute l’attention sur la réalisation d’une inductance pure,
pourquoi ne pas améliorer l’aspect capacitif de l’inductance, ce qui conduit finalement à un
composant L-C résonant, intégré dans le même module. Ainsi, l’élément parasite devient une
10