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1 - CHOIX DE STRUCTURES LIÉS AUX TECHNOLOGIES DISPONIBLES

2 - MÉTHODOLOGIE DE CONCEPTION GLOBALE

3 - MODÉLISATION TECHNOLOGIQUE

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : D1331 v1

Choix de structures liés aux technologies disponibles
Conception des convertisseurs de puissance sous contraintes CEM

Auteur(s) : David FREY, Jean-Luc SCHANEN, Jean-Paul FERRIEUX, James ROUDET

Date de publication : 10 déc. 2016

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RÉSUMÉ

L’objectif de cet article est de montrer comment la conception d’un convertisseur interagit avec les contraintes technologiques, du choix de la structure, à son dimensionnement fonctionnel jusqu’à l’implantation géométrique. Parmi les contraintes, les perturbations électromagnétiques émises et les pertes sont des critères déterminants: il n’est pas possible de comparer objectivement deux structures sans prendre en compte le filtrage CEM et le système de refroidissement. La première partie de cet article analysera des exemples de topologies sous le double angle pertes et CEM, la deuxième posera le problème du dimensionnement sous forme d’une optimisation sous contraintes alors que la dernière partie abordera l’implantation géométrique des composants et son effet sur les pertes et la CEM.

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Auteur(s)

  • David FREY : Maître de conférences - G2Elab, Laboratoire de Recherche en Génie Électrique Université Grenoble Alpes, Grenoble, France

  • Jean-Luc SCHANEN : Professeur des universités - G2Elab, Laboratoire de Recherche en Génie Électrique Grenoble INP, Grenoble, France

  • Jean-Paul FERRIEUX : Professeur des universités - G2Elab, Laboratoire de Recherche en Génie Électrique Université Grenoble Alpes, Grenoble, France

  • James ROUDET : Professeur des universités - G2Elab, Laboratoire de Recherche en Génie Électrique Université Grenoble Alpes, Grenoble, France

INTRODUCTION

Le choix d’une structure de conversion en électronique de puissance demeure un exercice difficile qui doit répondre à des critères très différents et de plus en plus exigeants. Nous pouvons citer parmi les plus habituels, la compacité, le coût, le rendement et le respect des normes de compatibilité électromagnétique (CEM). La CEM en électronique de puissance est un aspect particulièrement critique compte tenu du mode de fonctionnement à découpage, elle intervient dans le dimensionnement du convertisseur sur des fréquences s’étendant de la fréquence de découpage à plusieurs dizaines de megahertz [D 3 290]. Le respect de l’ensemble de ces critères requiert une bonne connaissance de l’ensemble des constituants du convertisseur associée à l’expertise du concepteur.

Une fois la structure de conversion retenue, la phase de dimensionnement vise à déterminer les valeurs des composants permettant d’assurer le fonctionnement du convertisseur : valeurs des inductances et condensateurs pour respecter les ondulations des grandeurs en entrée et en sortie, mais également l’ensemble des choix technologiques liés aux composants (calibre en courant et en tension des interrupteurs, courant efficace maximal, choix du matériau magnétique, du nombre de spires...). Il est également nécessaire de dimensionner les refroidisseurs permettant d’évacuer les pertes des semi-conducteurs, ainsi que les filtres destinés à satisfaire les normes de compatibilité électromagnétique.

Ce n’est qu’au terme de ces étapes que la structure candidate pourra être comparée à d’autres vis-à-vis du critère de performance retenu (masse, coût...).

On constate la difficulté de la tâche pour le concepteur, s’il ne fait pas appel à son expertise, afin d’investiguer l’ensemble des solutions possibles dans des délais toujours plus courts. En outre, l’expertise peut être remise en cause à chaque saut technologique ou apparition de nouvelles contraintes. L’exemple des semi-conducteurs grand gap est très instructif : les possibilités de tenue en tension et de fréquences de commutation bien plus élevées pourraient rendre compétitives des solutions jusqu’à présent abandonnées, sous réserve que l’ensemble des autres composants du convertisseur puisse être au niveau. Par ailleurs, l’augmentation de la rapidité de commutation engendre la nécessité de proposer des filtrages CEM plus efficaces, et il n’est pas sûr que l’ensemble du convertisseur soit finalement plus compact.

Cet article sera structuré en trois parties : la première illustrera, sur deux classes d’applications représentatives, le grand nombre de structures de conversion possibles et les analysera sous le double regard perte et CEM. La deuxième partie proposera une méthodologie de prédimensionnement de convertisseur, permettant de dégager un optimum global pour une topologie donnée, en prenant en compte les critères de réalisation technologique. Enfin, la troisième partie abordera l’implantation physique des composants, et l’impact des interconnexions sur les performances en commutation.

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De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d1331


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1. Choix de structures liés aux technologies disponibles

Les spécifications de plus en plus exigeantes en électronique de puissance imposent des convertisseurs de plus en plus compacts tout en garantissant un très bon rendement et la compatibilité avec l’environnement. Pour atteindre ces objectifs, deux voies d’études peuvent être envisagées : le recours à des fréquences de commutation élevées pour réduire le volume et la masse et/ou la mise en œuvre de nouvelles structures entrelacées. Le premier paramètre important et largement exploré est la fréquence de découpage. La montée en fréquence permet la réduction du volume et de la masse des composants passifs ; néanmoins, des fréquences élevées entraînent plus de pertes dans tous les composants : pertes fer et cuivre pour les composants magnétiques, pertes par commutation dans les semi-conducteurs. Par ailleurs, cette montée en fréquence trouve ses limites sur le filtrage en mode différentiel compte tenu des harmoniques qui se trouvent contraints par les gabarits CEM . Ainsi, l’évolution des structures de l’électronique de puissance est intimement liée à la technologie des semi-conducteurs qui propose des composants toujours plus performants. Après l’avènement des IGBT en moyenne tension et les progrès notables des composants MOS, les technologies à large bande interdite (carbure de silicium – SiC –, nitrure de gallium – GaN –) proposent désormais des composants rapides pour des tenues en tension importantes. La figure 1 a, qui montre la résistance spécifique à l’état passant en fonction de la tenue en tension ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MEYNARD (T.), COUGO (B.), BRANDELERO (J.C.) -   Design of differential mode filters for two-level and multicell converters.  -  Electronics, Control, Measurement, Signals and their application to Mechatronics (ECMSM), IEEE 11th International Workshop of, p. 1-6 (2013).

  • (2) - RAYNAUD (C.), TOURNIER (D.), MOREL (H.), PLANSON (D.) -   Comparison of high voltage and high temperature performances of wide bandgap semiconductors for vertical power devices.  -  Diamond and Related Materials, vol. 19, p. 1-6 (2010).

  • (3) - COUGO (B.) -   Design and optimization of intercell transformers for parallel multicell converters for parallel multicell converters.  -  Doctorat de l’Université de Toulouse (2010).

  • (4) - WU CONG (M.) -   Variateur de vitesse moyenne tension à base d’une topologie modulaire multiniveaux et d’une technologie de refroidissement avancée.  -  Doctorat de l’Université de Grenoble (2015).

  • (5) - FERRIEUX (J.-P.), FOREST (F.) -   Alimentations à découpage – Convertisseurs à résonance. Principes, modélisation...

1 Outils logiciels

PSIM : Logiciel de simulation « circuit » https://powersimtech.com/products/psim/

InCa : Logiciel de simulation des éléments parasites d’interconnexions électriques basé sur la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) http://www.cedrat.com/software/inca3d/

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2 Événements

Symposium de génie électrique :

Manifestation bisannuelle et francophone http://www.sge-conf.fr

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3 Normes et standards

NF EN 55011 - 05-10 - Appareils industriels, scientifiques et médicaux – Caractéristiques des perturbations radioélectriques – Limites et méthodes de mesure, AFNOR

DO160 - 06-07 - Environmental Conditions and Tests Procedures for Airborne Equipment, RTCA,

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