Dans le cadre d’une application ferroviaire pour une caténaire 25 kV / 50 Hz, on cherche à
réaliser un convertisseur AC/DC d’une puissance de totale de 2 MW (train régional). La
topologie utilisée est similaire à celle présentée dans le chapitre 1 pour les applications
ferroviaires, avec un redresseur de type AFEC (Active Front End Converter) en tête qui
alimente plusieurs étages de convertisseurs DC/DC. Une étude a été menée au sein de
SuperGrid pour identifier une solution optimale pour réaliser ce convertisseur DC/DC isolé, à
l’aide de semi-conducteurs 3.3 kV SiC MOSFET [7]. En fixant ce paramètre, quatre
configurations différentes ont été considérées pour le convertisseur DC/DC, toutes basées sur
le schéma de la Figure 127.
Figure 127 : Schéma du convertisseur DC/DC (la capacité Cresest absente dans la configuration NR-DAB) [7]
Les quatre configurations diffèrent ensuite par leur mode de contrôle, ce qui a un fort impact
sur les formes d’ondes de courants et tensions ainsi que sur les contraintes sur l’inductance de
fuite et l’inductance magnétisante. La première configuration correspond au Dual Active Bridge
non résonant (NR-DAB), et consiste à piloter les deux convertisseurs sans exploiter de
résonance particulière du lien AC (pas de capacité de résonance Cres présente). Ensuite, on peut
également piloter les deux convertisseurs en plaçant cette fois la capacité de résonance Cres pour
exploiter une résonance du circuit permettant d’avoir un courant plus proche d’une sinusoïde,
ce que l’on appelle le DAB résonant (R-DAB). Les deux autres configurations considèrent que
seul un des deux convertisseurs est piloté tandis que l’autre se comporte comme un redresseur
à diodes passif, ce que l’on appelle Single Active Bridge. On peut alors obtenir des
fonctionnements différents selon que l’on place la fréquence de résonance du système de façon
à fonctionner en conduction continue (R-SAB CCM) ou en conduction discontinue (R-SAB
DCM). Les formes d’ondes des courants pour chaque configuration sont montrées dans la
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Figure 128 : Formes d’ondes des courants pour chacune des configurations considérées [7]
A partir des spécifications électriques de chaque configuration, une procédure d’optimisation
globale incluant l’outil SUITED pour le design des TMF a été mise en place, afin de déterminer
à la fois la meilleure configuration ainsi que la meilleure fréquence de fonctionnement.
L’objectif est d’atteindre un rendement maximal pour le convertisseur DC/DC tout en
respectant les contraintes de volume, de poids et d’inductance. Pour cela, pour chaque
configuration et pour différents points répartis dans une plage de fréquence donnée, les
spécifications électriques du TMF sont générées. Ensuite, pour une combinaison de choix
technologiques donnée, un grand nombre de designs de TMF est calculé avec SUITED, ces
designs sont filtrés pour ne garder que ceux qui permettront de respecter les contraintes de
volume, de poids, d’inductances et de températures maximales. Pour chacun des TMF
conservés, les pertes et températures des semi-conducteurs sont calculées, ce qui permet de
retenir le TMF optimal pour les choix technologiques, la configuration de convertisseur et la
fréquence considérée.
Le Tableau 21 dresse la liste des spécifications et choix technologiques du TMF à concevoir.
On remarque que dans un premier temps, la fréquence de fonctionnement n’est pas fixée, seul
un intervalle entre 1 et 20 kHz est choisi. Il est rappelé que l’optimisation du TMF se fera pour
un rendement maximal dans les limites de poids et volume données. Au niveau des choix
technologiques, il a été retenu une géométrie core-type, souvent plus légère et compacte que la
géométrie shell-type. Des noyaux nanocristallins sont utilisés, puisqu’ils sont particulièrement
adaptés pour cette gamme de fréquence ; des designs en ferrite ont été calculés mais
présentaient des performances moindres. Les bobinages sont en câbles de Litz avec des brins
de diamètre supérieur à 0.1 mm. L’isolation est réalisée en résine époxy moulée, afin d’éviter
l’utilisation de l’huile et des contraintes de fabrication et de maintenance qui y sont associées.
Le refroidissement se fait par convection forcée d’air.
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Tableau 21 : Spécifications du TMF & Choix technologiques (application ferroviaire AC-DC)
Spécifications
Puissance Apparente 100 kVA
Puissance Nominale 87 kW
Fréquence 1 à 20 kHz
Tensions 1800 V : 1800 V
Courants 56 A : 56 A
Isolation 50 kV AC
Inductance de fuite Lf < 185 μH
Rendement Le plus haut possible
Volume < 18.75 dm
3Poids < 18.75 kg
Choix technologiques
Géométrie Core-Type
Noyau magnétique Noyaux coupés nanocristallins VITROPERM 500F
Bobinages Câbles de Litz en cuivre, diamètre > 0.1 mm
Isolation Résine époxy moulée
Refroidissement Convection forcée – Température air 40°C
A partir de ces spécifications et choix technologiques, la procédure globale d’optimisation du
convertisseur DC-DC complet a été lancée, intégrant l’outil SUITED. Les résultats en termes
de rendement des meilleures solutions pour chaque fréquence entre 1 et 20 kHz sont présentés
dans la Figure 129. Ces résultats ne concernent que la configuration R-SAB DCM, qui s’avère
être la meilleure en termes de rendement. La comparaison complète entre les configurations est
disponible dans [7]. On remarque qu’il n’existe pas de solutions en-dessous de 6 kHz. En effet,
pour des fréquences aussi faibles, aucune solution ne respecte les contraintes de poids et de
volume. Entre 6 kHz et 20 kHz, le rendement des semi-conducteurs diminue avec
l’augmentation de la fréquence (à cause de l’augmentation des pertes par commutation) tandis
que le rendement du TMF augmente avec la fréquence, avec toutefois un effet de saturation
perceptible à l’approche des 20kHz (à noter que pour chaque fréquence, il s’agit d’un TMF
différent conçu spécifiquement pour être optimal à cette fréquence). En conséquence, il existe
une fréquence optimale de fonctionnement pour laquelle le rendement global du convertisseur
DC-DC complet est maximal. Cette fréquence optimale se situe aux alentours de 10 kHz.
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Figure 129 : Rendements du TMF, des semi-conducteurs et du convertisseur DC-DC complet (configuration R-SAB DCM, pleine puissance)
Si l’on s’intéresse en particulier au TMF retenu pour la fréquence optimale de 10 kHz, on peut
placer ce dernier dans le nuage de points des designs possibles qui valident les spécifications et
contraintes, que l’on peut voir en Figure 130. Naturellement, le design sélectionné, marqué par
une étoile rouge, se place au niveau des designs ayant les rendements les plus élevés. On
remarque aussi que les designs atteignant le rendement maximal ne sont pas à la limite de
volume autorisé qui est de 18.75 dm
3. En réalité, ces derniers sont limités par le poids, puisque
le design retenu pèse 18.6 kg, ce qui est proche de la limite de 18.75 kg fixée. L’écart existant
entre le design retenu et le design avec le rendement maximal s’explique par le fait que lors de
la procédure d’optimisation globale (convertisseur + TMF), un nombre réduit de points de
design de TMF avait été utilisé afin de limiter le temps de calcul et l’utilisation mémoire.C’est
pourquoi le design retenu possède un rendement légèrement inférieur au rendement maximal
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Figure 130 : Designs de TMF obtenus via SUITED, respectant toutes les contraintes des spécifications, pour une fréquence de fonctionnement de 10 kHz
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Tableau 22 : Caractéristiques du TMF retenu (application ferroviaire AC-DC)