Commande numérique des convertisseurs d'électronique de puissance

Les convertisseurs d'électronique de puissance sont couramment utilisés dans diverses applications pour contrôler et gérer le flux d'énergie électrique  . Parmi ces applications, nous citons les véhicules électriques, la traction électrique, les avions « plus électriques » et les microréseaux intégrant des générations distribuées à base de systèmes d'énergie renouvelable (les générateurs éoliens, photovoltaïques, biomasses, etc.). Dans toutes ces applications, le rôle des convertisseurs est primordial vu qu'ils permettent, à travers des contrôles appropriés, de transformer l'énergie électrique d'une forme à une autre tout en contrôlant sa direction et ses caractéristiques.

Les principaux défis des commandes modernes de convertisseurs d'électronique de puissance se résument aux points suivants :

• une gestion efficace du flux d'énergie électrique et de ses caractéristiques (forme d'onde des tensions et courants, facteur de puissance, taux de distorsion harmonique noté TDH…) ;

• une réduction du coût ;

• la fiabilité de fonctionnement (tolérance aux défauts et continuité de service) ;

• la précision des contrôles (le système répond avec précision aux consignes de référence) ;

• la possibilité d'ajout de fonctions auxiliaires outre les fonctions basiques de contrôle en vue de contribuer au support du réseau électrique .

Répondre efficacement à ces contraintes et défis dépend essentiellement :

• du contenu algorithmique implanté ;

• des capacités de calcul et d'intégration de la cible numérique utilisée ;

• de la précision des mesures fournies par la partie interface puissance/commande, notamment par rapport à la pleine échelle des convertisseurs A/N utilisés.

Ainsi, la solution utilisée pour implanter l'algorithme constitue un élément clé pour garantir les performances de contrôle souhaitées. Comme mentionné précédemment, la majorité des solutions utilisées comme support pour implanter les algorithmes de commande sont des solutions numériques vu les avantages qu'elles procurent (immunité numériques vis-à-vis des perturbations, flexibilité de modification…). Depuis leur introduction au marché pendant les années 1970, les solutions numériques ne cessent de progresser en termes de capacités de calcul et d'intégration. Avec la révolution technologique en électronique numérique, certaines limites qui caractérisaient l'utilisation des solutions numériques (délais dus au temps de calcul, utilisation de format virgule fixe…) ont été récemment contournées. En effet, les nouvelles solutions numériques sont devenues bien plus rapides avec une plus grande capacité de calcul et d'intégration.

Cet article a pour objectif essentiel de mettre en évidence les apports et la contribution des nouvelles solutions numériques utilisées de nos jours dans le pilotage des convertisseurs d'électronique de puissance, tout en spécifiant leurs avantages et inconvénients ainsi que leur aptitude à répondre aux contraintes et défis de contrôles modernes. Pour ce faire, les solutions numériques ont été répertoriées en trois grandes familles :

• les solutions numériques logicielles (les microcontrôleurs et les contrôleurs à base de DSP) ;

• les solutions numériques matérielles (FPGA, ASIC…) ;

• les solutions numériques hybrides.

Des méthodologies de développement standards et dédiées à l'implantation d'algorithmes de commande de convertisseurs d'électronique de puissance sont aussi présentées et détaillées. L'objectif de ces méthodologies étant de réduire le temps de développement (communément appelé « time to market ») et de faciliter le processus d'implantation en le rendant plus automatisé et moins intuitif.

Cet article est subdivisé en quatre parties. La première partie porte sur les contraintes de commande numérique des convertisseurs d'électronique de puissance. Ensuite, les deuxième et troisième parties présentent respectivement les solutions numériques logicielles et matérielles utilisées dans les applications de contrôle des convertisseurs d'électronique de puissance. Enfin, la dernière partie traite les tendances futures de commande de convertisseurs de puissance basées sur des solutions numériques hybrides (logicielles/ matérielles).