Commande décentralisée et modulaire des convertisseurs MMC intégrée au coeur des gate-drivers

 Topologies multiniveaux usuelles 

Le convertisseur Neutral-Point-Clamped (NPC) Une des premières topologies de convertisseur multiniveaux proposée est le convertisseur « Neutral-Point-Clamped (NPC) » ou « Diode Point Clamped » , introduite en 1981 [24]. La version originellement présentée comporte trois phases et trois niveaux. La Figure 8 présente un NPC monophasé. Figure 8. Schéma d’un NPC monophasé 3 niveaux Le bus DC du convertisseur est fractionné. Le neutre du convertisseur est le point milieu N d’un pont diviseur capacitif. Ainsi la tension VAN appliquée entre les points A et N peut prendre trois valeurs. Les séquences de conductions et les niveaux de tensions associés sont donnés dans le Tableau 1. Tableau 1. Séquence de conduction d’un NPC monophasé T1 T2 T3 T4 Tension VAN 1 1 0 0 VDC/2 0 1 1 0 0 0 0 1 1 – VDC/2 Cette topologie fait appel à 4 transistors montés en « série » (contrairement à un pont complet), ce qui permet de répartir la tension du bus plus efficacement. La tension maximale apparaissant aux bornes des semi-conducteurs vaut VDC/2, ce qui est deux fois plus faible qu’avec un convertisseur 2 niveaux 27 classique. Cette structure de conversion peut être généralisée à un nombre de niveaux N+1. La tension de sortie VAN prend alors des valeurs entre − VDC 2 et + VDC 2 par pas de VDC N . La version à 5 niveaux est présentée sur la Figure 9. Figure 9. Schéma d’un NPC monophasé 5 niveaux Une méthode proposée dans [25] permet de construire des convertisseurs NPC à partir d’une méthode graphique «flow graph» (FG). Ces convertisseurs aux topologies hybrides diverses et variées sont appelés FG-NPC. Le convertisseur NPC possède deux défauts structurels. D’un part, les diodes du convertisseur (dite de « clamping ») ne sont pas toutes soumises aux mêmes tensions inverses. La tension aux bornes de D1 vaut VDC/4 tandis que l’ensemble D2, D3, D4 voit une tension égale à 3VDC/4. Si toutes les diodes ont le même calibre que D1, il sera nécessaire d’en connecter plusieurs en série entre certains points comme sur la Figure 9. Ainsi, si le nombre de condensateur du bus DC NCbus de bus augmente linéairement avec le nombre de niveaux (NCbus = N – 1), le nombre de semi-conducteur NDclamp augmente quant à lui quadratiquement comme dans l’équation (1.2) [26]. Les déséquilibres entre les pertes dans les semi-conducteurs conduisent à des différences au niveau des températures de jonction [27], ce qui pose un problème de fiabilité majeur. NDclamp = NCbus (N – 2) = (N – 1)(N – 2) (1.2) D’autre part, les tensions aux bornes des condensateurs de bus ont tendance à se déséquilibrer dans le temps. Différentes méthodes peuvent être employées, nécessitant souvent d’ajouter des circuits auxiliaires au montage. C’est le cas dans [28], ou un système de 2 NPC triphasés connectés en « Backto-back » est étudié pour la génération d’énergie électrique par une turbine éolienne. Il est montré que les déséquilibres de charge des condensateurs de bus posent des problèmes de stabilité. Un circuit externe simple de décharge des condensateurs est mis en œuvre, permettant l’équilibrage du pont capacitif au prix de pertes supplémentaires. 28 L’équilibrage des charges dans les condensateurs de bus d’un 3-NPC est obtenue à l’aide d’un contrôle par hystérésis et d’une MLI vectorielle dans [29]. La structure globale de contrôle du 3-NPC pour la commande d’un moteur asynchrone utilise le « Finite State Predictive Torque Control (FSPTC) ». Ce schéma de contrôle complexe, gourmand en temps de calcul et ressources informatiques, permet la commande du moteur tout en assurant un équilibrage du point milieu du convertisseur. 2.II.b. Le convertisseur Flying Capacitor (FLC ou FC) Une autre structure de conversion multiniveaux très répandue utilise le principe des condensateurs flottants. Le convertisseur « Flying Capacitor » (FLC ou FC) est introduit en 1992 par Meynard et Foch du Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de Toulouse [30]. Des condensateurs chargés à des fractions du bus DC sont insérés en série les uns avec les autres. La composition de leurs tensions permet de générer une onde à plusieurs niveaux en sortie. Les versions 3 niveaux et N+1 niveaux sont présentées respectivement sur les Figure 10 (a) et Figure 10 (b). (a) (b) Figure 10. Schéma d’un FLC 3 niveaux (a) et N+1 niveaux (b) La séquence de conduction pour le FC 3 niveaux est présentée dans le Tableau 2. Contrairement au NPC à diodes, cette topologie possède des états redondants. C’est cette caractéristique importante qui rend possible l’équilibrage des charges stockées dans les condensateurs sans nécessiter de circuits auxiliaires. Un autre avantage de la structure est de limiter la tension aux bornes des semi-conducteurs à VDC/N. Cette structure est également plus modulaire et tolère mieux les défauts que la précédente. 29 Tableau 2. Séquence de conduction du FC 3 niveaux T1 T2 T3 T4 Tension 𝑉𝐴𝑁 1 1 0 0 VDC / 2 1 0 1 0 VDC/2 – VDC/2 = 0 0 1 0 1 – VDC/2 + VDC/2 = 0 0 0 1 1 – VDC/2 Il n’y a pas de diodes de clamping dans cette structure, et le nombre de transistors NTo est égale à celui d’un NPC (NTo = 2N). En revanche, le nombre de condensateurs total NCFC du convertisseur FC augmente quadratiquement, comme dans (1.3) [31]. La relation (1.3) fait l’hypothèse que chaque condensateur est chargé à une tension VDC/N. Les différents niveaux de tension iVDC/N , i ∈ [1 ; N-1], de la Figure 10 (b) sont obtenus en connectant en série i condensateurs. NCFC = 1 + 2 + … + (N – 1) = N(N – 1)/2 (1.3) Le grand nombre d’état redondants du convertisseur complexifie sa commande. La tension de sortie du convertisseur est générée par la mise en série de condensateurs chargés à différentes tensions. La capacité effective du convertisseur varie donc avec la valeur de la tension de sortie. La commande du convertisseur doit donc pouvoir équilibrer différents condensateurs à différents niveaux de charge, présentant une capacité variable vue du bus DC [32]. L’équilibrage des tensions aux bornes des condensateurs doit être assuré par l’organe de contrôle du convertisseur, ou un filtre RLC série placé en sortie. Un schéma de contrôle par prédiction de modèle est par exemple mis en œuvre sur un convertisseur à base de cellules de conversion de type FLC dans [33]. Le principe de cette commande est de minimiser une fonction coût. Les commandes des transistors sont déterminées afin de commander à la fois la puissance et le courant de sortie (AC), mais également la tension de bus (DC) et les déséquilibres de charge entre les condensateurs flottants. Ce type de commande à prédiction de modèle est souvent très efficace mais demande des calculs volumineux et complexes. De manière générale, dans ces structures, l’équilibrage des tensions devient très complexe lorsque le nombre de condensateurs augmente. Une hybridation des convertisseurs NPC et FLC, appelé Active Neutral Point Clamp (A-NPC), a été proposée dans [34].

Les convertisseurs cascadés

La troisième famille de convertisseur multiniveaux, introduite initialement pour la commande de moteur par P.W. Hammond [35], est basée sur la mise en cascade de N cellules de commutation élémentaires. La cellule de commutation la plus répandue est le pont complet, ou pont-H. Les convertisseurs basés sur ces cellules sont dénommés « Cascaded H-Bridge » (CHB), comme présenté sur la Figure 11. 30 Figure 11. Schéma d’un « Cascaded H-Bridge » N + 1 niveaux La tension de sortie VSMi d’une cellule i (1 ≤ i ≤ N) d’un CHB est donnée dans le Tableau 3. Tableau 3. Tensions de sortie d’une cellule de commutation élémentaire d’un CHB T1 T2 T3 T4 Tension VSMi 1 0 0 1 VSi 0 1 1 0 -VSi 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 La tension VSi d’une cellule i est fournie par une source de tension externe Si. Chaque cellule prend trois niveaux de tension de sortie. La tension VAN peut alors prendre 2N+1 valeurs entre ± Voutmax, avec Voutmax définie dans (1.4). Voutmax =∑VSi N i = 0 (1.4) Ce convertisseur possède une structure hautement modulaire. En augmentant le nombre N de cellules du convertisseur, la valeur maximale de la tension de sortie 𝑉𝐴𝑁 augmente. Il est donc théoriquement possible d’ajouter un nombre illimité de cellules pour atteindre n’importe quel niveau de tension de sortie. En pratique, la montée en tension est limitée par plusieurs facteurs, notamment la complexité grandissante de la commande du convertisseur, ainsi que les niveaux de tensions d’isolation élevés. Les convertisseurs cascadés possèdent une redondance structurelle importante, ce qui leur permet notamment de fonctionner en mode dégradé avec une bonne tolérance aux défauts [36]. 31 Diverses variantes de convertisseurs cascadés existent, comme étudié dans [37]. Une cellule en pont H du convertisseur est remplacé par un NPC, ce qui permet d’augmenter le nombre de niveaux de tension de sortie du convertisseur à 4N+1. Une topologie plus compacte et moins gourmande en semiconducteurs est proposée dans [38]. Elle possède le désavantage de nécessiter des sources de tensions de valeurs différentes (topologie dite « asymétrique »), et n’est pas modulaire comme les convertisseurs cascadés. Le défaut majeur de cette structure est la nécessité d’utiliser des sources de tensions DC séparées. Le convertisseur ne peut fonctionner avec un unique bus DC. Elle est donc parfaitement adaptée au stockage et à la gestion d’énergie dans des batteries, parfois en les associant à d’autres convertisseurs comme dans [39]. Elle est également très utilisée dans la conversion d’énergie solaire, associée à des cellules photovoltaïques (PV) [40][41], ou à un fonctionnement sur un réseau alternatif en STATCOM [42][43] (STATic COMpensator : Application typiquement liée aux FACTS qui consiste à améliorer la qualité énergétique et la stabilité d’un réseau via la compensation d’énergie réactive ou l’injection d’harmoniques par exemple [44]). La nature des sources de tensions Si dépend donc de l’application. Elles peuvent être par exemple des batteries, ou des condensateurs chargés par d’autres convertisseurs. Un seul bus DC est utilisé dans [45] pour générer toutes les tensions VSi à l’aide de convertisseurs à résonnance isolés. Cette solution augmente la complexité et le coût du convertisseur et impacte sa fiabilité. Les structures de conversion multiniveaux élémentaires ont été présentées dans cette section. Elles constituent une base de réflexion pour la mise en place de topologies multiniveaux plus complexes. Avant de présenter le convertisseur autour duquel ces travaux de thèse s’orientent, une courte section résume les différentes forces et faiblesses des NPC, FC et convertisseurs cascadés.