Contribution à la réduction des composants passifs dans les convertisseurs électroniques de puissance embarqué

 

Doctorant : Najib ROUHANA

Directeur de thèse : Guy FRIEDRICH

Encadrant : Nicolas PATIN

 

Bien que la voiture électrique soit née au 19eme siècle, son essor est très récent et essentiellement dû à :

- Un contexte économique de raréfaction et donc de renchérissement des énergies fossiles
- De nouvelles contraintes environnementales de plus en plus contraignantes à l'usage du moteur à explosion
- Des avancées technologiques dans le domaine de l'électrotechnique, de l'électronique, et des batteries qui permettent aux véhicules électriques ou hybrides d'atteindre des performances suffisantes pour se substituer aux véhicules thermiques conventionnels

Toutefois, les exigences particulières du monde automobile requièrent des développements technologiques spécifiques pour rendre l'électrification totalement compétitive.

Cette thèse s'inscrit dans ce contexte en ayant pour objectif d'adapter aux contraintes automobiles la chaine de traction électrique (machine + onduleur) par des stratégies de modulation innovantes de l'onduleur.

Position du problème

Le volume des convertisseurs électroniques de puissance devient lié, dans une part importante aux composants passifs qui le constituent. En particulier, les condensateurs de découplage constituent une part non négligeable de ce volume. En outre, les évolutions technologiques des composants passifs et particulièrement la densité d'énergie des condensateurs de découplage s'accroit beaucoup moins vite que la densité de puissance des composants actifs auxquels ils sont associés (transistors de puissance). D'autre part, la technologie à film plastique utilisée représente une masse non recyclable qu'il est essentiel de minimiser.

Leur rôle est néanmoins fondamental pour le fonctionnement de l'ensemble. Une réduction trop importante de leur valeur conduit à une augmentation de perturbations conduites et rayonnées, voire à une instabilité non contrôlée du bus de tension du véhicule. Cette instabilité, pouvant générer des surtensions importantes, pourrait conduire à une destruction du variateur.

Dans certains cas, cette démarche de dimensionnement est compliquée par le fait que d'autres systèmes abonnés au bus source de tension continue participent également aux perturbations conduites, en particulier un deuxième variateur triphasé à découpage. Dans ce cas, un partage du même condensateur de découplage peut-être envisagé.

Approche proposée

Le concepteur se trouve confronté à deux problèmes couplés :

- D'une part, le dimensionnement des condensateurs reste lié au courant efficace (du point de vue de l'auto échauffement aussi bien que de l'ondulation de tension qui est également liée à la capacité, autre critère dimensionnant) qu'ils seront amenés à supporter. Il est donc souhaitable de mettre en œuvre des stratégies de réduction de ce courant comme celles développées dans [HOB 05], [HOB 09] et [NGU 11].
- D'autre part, la faible résistance série a tendance à réduire de manière importante le facteur d'amortissement de l'impédance de bus continu vue par l'entrée de l'onduleur. Il convient alors de s'assurer de la maîtrise de la résonance du bus dans une telle situation.

Ce travail de recherche devra explorer deux approches différentes (complémentaires) permettant de minimiser la taille des condensateurs requis et de maîtriser les ondulations de tension à l'entrée du convertisseur :

- Développer une stratégie de modulation aussi satisfaisante que possible pour le pilotage d'un onduleur triphasé classique à deux niveaux et trois bras de pont. Cette approche a d'ores et déjà été proposée et étudiée au LEC-UTC en particulier au niveau de la réduction des courants efficaces supportés par les condensateurs. La contrainte supplémentaire, liée aux risques de résonnance du bus continu, n'a néanmoins pas été analysée et sera un des objectifs des travaux proposés.
- Dans un deuxième temps, il pourra être envisagé d'explorer les possibilités d'utilisation de topologies de convertisseurs différentes (e.g. 4 bras de pont pour une machine triphasée classique avec un point neutre accessible [PAT 09] ou un onduleur à nombre de phases plus élevé associé à une machine polyphasée adaptée).

Dans les deux cas, les contraintes plus classiques liées à la stratégie de modulation d'un variateur de vitesse automobile seront systématiquement prise en comptes :

- Le mode commun généré par chaque stratégie,
- La compensation de l'effet des temps morts,
- La possibilité de faire varier la fréquence de commutation pour un même variateur selon les cas d'usage,
- Le passage d'une stratégie de modulation à une autre selon les cas d'usage.
- L'opportunité d'être appliquée de manière adéquate à deux onduleurs partageant la même source de tension continue.

Bien évidemment, l'étude de nouvelles topologies devra s'accompagner également de propositions de lois de commande adaptées et ces dernières pourront s'appuyer sur les résultats déjà établis dans le cas de l'onduleur triphasé classique.

La nature des phénomènes explorés et la difficulté d'identification d'éléments parfois considérés comme de second ordre (inductances parasites, prise en compte de la connectique, influence du comportement de la batterie en courant fortement pulsés,…) imposera une approche expérimentale importante et fondamentale. L'implantation des stratégies de modulation sera effectuée sur des cartes à base de FPGA dédiées. Deux dispositifs expérimentaux identiques, aussi significatifs que possible de l'application, seront développés et instrumentés. (1 maquette au LEC et une maquette chez RENAULT).

Les essais à " faible puissance " pourront être menés au Laboratoire d'Electromécanique de Compiègne tandis que des essais à pleine puissance pourront être menés au Technocentre Renault sur un banc d'essai incluant une charge réaliste pour une application de traction électrique pour automobile.