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RÉSUMÉ
Cet article mène une étude détaillée du convertisseur Dual Active Bridge (DAB). Cette topologie de conversion DC/DC associe une source et une charge de nature capacitive au travers d’un élément inductif, point-clé du dimensionnement. L’analyse d’une commande à décalage de phase permet d’établir les contraintes sur les composants, en vue de leur dimensionnement. La présence de deux onduleurs en pont offre de nombreuses possibilités de commande qui seront étudiées pour améliorer le rendement. Des extensions sont présentées comme le DAB à résonance série dont le dimensionnement offre des particularités ou d’autres variantes pour la conversion directe AC/DC ou la connexion de trois réseaux DC.
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Maximin BLANC : Ingénieur de recherche - SIREPE, GreEn-ER, 21 avenue des Martyrs, Grenoble, France
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Yves LEMBEYE : Professeur des Universités - Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP (Institute of Engineering Univ. Grenoble Alpes), G2Elab, Grenoble, France
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Jean-Paul FERRIEUX : Professeur des Universités - Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP (Institute of Engineering Univ. Grenoble Alpes), G2Elab, Grenoble, France
INTRODUCTION
Cet article présente une étude détaillée du convertisseur Dual Active Bridge (DAB). Il s’agit, au sein de la conversion continu-continu, d’une topologie associant une source et une charge de nature capacitive. Elle possède de ce fait un élément inductif qui sera le point-clé du dimensionnement.
Cette structure connaît un regain d’intérêt de par les performances qu’elle peut atteindre, mais également grâce à sa bidirectionnalité. L’étude détaillée pour le mode de commande le plus simple, communément appelé phase-shift, permet de cerner toutes les caractéristiques principales et d’établir les contraintes sur les composants de puissance (actifs et passifs) en vue de leur dimensionnement.
La présence de deux onduleurs en pont offre de nombreuses possibilités de commande qui sont analysées en vue d’améliorer le rendement. À cette occasion, la méthode d’étude au premier harmonique est employée pour simplifier l’approche afin d’établir des tendances. À partir de celles-ci, une modélisation exacte est menée pour proposer une modulation optimale.
Les extensions de ce convertisseur sont ensuite présentées. En particulier, le convertisseur DAB à résonance série affiche des particularités liées à la résonance et deux méthodes de dimensionnement du circuit résonant sont proposées. Par ailleurs, des variantes sont discutées afin d’envisager, d’une part, la réalisation de convertisseurs directs alternatif-continu et, d’autre part, la connexion de trois réseaux continus, utile lorsqu’on désire associer un moyen de stockage.
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6. Glossaire
Triple Active Bridge (TAB) ; Triple Active Bridge
Convertisseur réversible à trois onduleurs de tension commandés et symétriques, à l’instar du Dual Active bridge (DAB).
phase-shift ; phase-shift
(Le terme anglophone prévaut dans la communauté francophone) Technique de commande d’onduleurs en pont consistant à décaler les ordres de commande entre les ponts primaire et secondaire.
rapport cyclique ; duty cycle
Renvoie au décalage des ordres de commande des bras d’un même pont. La tension ondulée présente alors les trois niveaux de tension possibles + V DC, 0, − V DC.
bidirectionnelle ; reversible
Se dit d’une structure de conversion permettant un transfert de puissance direct et indirect.
commutation en Zero Voltage Switching (ZVS) ; ZVS
Commutation qui présente la particularité d’amorcer le composant à semi-conducteur sous tension nulle (réduite à la tension de seuil de sa diode interne).
modulation optimale ; optimal modulation
Stratégie de commande du DAB exploitant plusieurs lois de commande afin de minimiser le courant efficace interne. La loi de commande dépend fortement du point de fonctionnement (tensions/puissance).
pertes (d’un composant) ; losses
Défauts d’un composant au regard de son rôle dans un système. Ces défauts se caractérisent in fine par des calories (chaleur) à évacuer. La conversion d’une partie de la puissance en calories réduit d’autant le rendement du système global.
résonance : resonance
Circuit additionnel au sein d’un convertisseur présentant au moins une inductance et un condensateur, et apportant des caractéristiques particulières (aide à la commutation, filtrage, impédance variable…).
produit des aires ; area product
Méthode de dimensionnement des composants magnétiques permettant d’aboutir rapidement au produit de la section de bobinage par la section du noyau magnétique.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BLANC (M.), LEMBEYE (Y.), FERRIEUX (J.-P.), RIZET (C.), MAHE (A.), BENSALAH (T.) - Optimization of a DC/DC Dual Active Bridge Converter for Aircraft Application. - EPE Journal (2018).
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(2) - FERRIEUX (J.-P.), FOREST (F.) - Alimentation à découpage, convertisseurs à résonance, principes, composants, modélisation. - 3ème édition, Dunod (2006).
-
(3) - FREY (D.), SCHANEN (J.L.), FERRIEUX (J.P.), ROUDET (J.) - Conception des convertisseurs de puissance sous contrainte CEM. - N° D1331 (2016).
-
(4) - De DONCKER (R.W.), DIVAN (D.M.), KHERALUWALA (M.H.) - A three-phase soft-switched high-power-density DC/DC converter for high-power applications. - Ind. Appl. IEEE Trans. On, vol. 27, n° 1, p. 63-73 (1991).
-
(5) - KHERALUWALA (M.N.), GASCOIGNE (R.W.), DIVAN (D.M.), BAUMANN (E.D.) - Performance characterization of a high-power dual active bridge DC-to-DC converter. - IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 28, n° 6, p. 1294-1301 (1992).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
PSIM : Logiciel de simulation de type « circuit »
https://powersimtech.com/products/psim
MathCAD15 : Logiciel de calcul formel
https://www.ptc.com/en/products/mathcad
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SGE : Symposium de Génie Électrique. Manifestation bisannuelle et francophone
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