D.3 Commande de la structure à partage de composants

a.Organisation de la commande et analyse des redondances

La structure de la commande est représentée sur la Figure V-12. Elle est composée de deux parties : la première partie est un modulateur (MOD) qui permet de générer une forme d’onde qui est l’image de la tension idéale de sortie. La deuxième partie de la commande (GENE) a pour but de générer les ordres de commande pour les différents interrupteurs [MCG1] [GOS] [COU].

Figure V-12 Schéma synoptique de la commande

La première partie de cette commande sert à générer les niveaux pour les différentes phases Ces niveaux de tension sont décryptés ensuite par une machine d’état. Chaque phase possède son modulateur avec pour entrée la modulante ainsi que les différentes porteuses. Ceci permet d’avoir en sortie les différents niveaux de référence quelle que soit la modulante (avec ajout ou non d’homopolaire) mais aussi indépendante de la modulation : Phase Shift (PS), Phase Opposition Disposition (POD), Phase Disposition (PD) (voir chapitre VI). Ce modulateur est indépendant de la structure placée en aval et est réutilisable pour toute structure possédant trois niveaux de tension en sortie

Il est possible de représenter les différentes possibilités réalisables par ce convertisseur dans un plan diphasé en réalisant la transformation de Concordia suivante :

V.D L’Active-Stacked-NPC à partage de composants                                Vt Vs Vr V V 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2   Eq. V-1

Les différentes possibilités sont placées sur des hexagones (Figure V-13), où chaque point peut être réalisé par une, deux ou trois combinaisons en fonction de sa place sur l’hexagone dû au triphasé. La redondance au niveau des points n’est pas utilisée car choisir entre l’un ou l’autre des vecteurs d’un même point n’aura pas d’incidence au niveau de la tension entre phase. Uniquement les redondances structurelles concernant la réalisation du niveau intermédiaire sont utilisées.

Figure V-13 Représentation des différentes combinaisons dans le plan de Concordia (α, β)

Les différentes redondances permettent d’élaborer différentes commandes ayant pour objectif la minimisation des pertes ou l’amélioration des formes d’ondes de sortie. Dans cette étude, 3 commandes ont été implantées. Elles ont principalement pour but la répartition des pertes dans les différents composants semi-conducteurs ou encore la minimisation des pertes par commutation en minimisant le nombre de composants qui doivent être actifs pour chaque commutation.

b.Stratégies de Commande du convertisseur à partage de composants

La première commande est une commande simple qui reprend la commande de l’ASNPC en limitant le nombre de commutations de certains interrupteurs quand cela est possible. Cette commande utilise la propriété des différents secteurs, visible sur la Figure V-8. Pour chaque secteur, il est possible de voir qu’une phase réalise ses commutations dans une bande de tension différente des deux autres phases. Par exemple pour le premier secteur, les phases R et

CHAPITRE V. Structure à Partage de Composants

T commutent dans la bande de tension positive alors que la troisième phase (S) commute dans la bande de tension négative. Le principe de la commande est alors de réaliser les niveaux souhaités par une des cellules partagées lorsque la phase est la seule à commuter dans sa bande de tension ou de commuter avec la cellule de sortie propre à chaque phase lorsque deux phases commutent dans la même bande de tension. Cette commande est simple mais ne profite pas des multiples redondances offerte par le convertisseur. En effet pour chaque combinaison, une seule redondance est choisie dans le but de valider le principe du partage. De plus, cette commande est également la plus facile à implanter même si le nombre d’états de la machine d’état est assez élevé (27) et que le nombre de conditions (de 3 à 6) pour changer d’état est lui aussi assez grand.

La seconde commande implantée est une commande ayant pour but de répartir les pertes dans les différents composants semi-conducteurs. Pour cela à partir des informations issues des différents modulateurs, il est possible de déterminer la combinaison qui doit être utilisée et ainsi déterminer selon une nouvelle logique les interrupteurs qui doivent être utilisés pour réaliser la conversion. La commande ayant pour but de mieux répartir les pertes dans les différents composants, la logique implantée utilise les interrupteurs les moins utilisés pour réaliser la conversion. A chaque changement d’état, une incrémentation de compteurs mémorisant l’utilisation de chaque composant est réalisée. Ce choix se fait exclusivement sur les interrupteurs qui ne sont pas partagés, les composants partagés entre les différentes phases sont eux beaucoup plus utilisés car en commun sur les trois phases, la logique décisionnelle reviendrait alors à choisir uniquement la branche intermédiaire sur toutes les phases pour réaliser les niveaux intermédiaires. Les résultats, au final, seraient comparables aux résultats obtenus avec un SMC2x1 avec l’inconvénient d’avoir des composants supplémentaires qui, pour certains, ne seraient même pas utilisés. Cette commande n’est pas optimale pour équilibrer les pertes dans les composants car elle ne tient pas compte du temps pendant lequel les états sont appliqués, ni si le courant est conduit dans l’IGBT ou la diode. La meilleure solution pour avoir une commande performante répartissant les pertes dans les différents composants serait d’évaluer à tout moment la température de jonction aux bornes de tous les composants semi-conducteurs [BRU2] et en fonction du courant, de choisir la solution qui minimiserait les différentes températures de jonction [BRU]. La solution implantée est une solution plus simple qui permet tout de même d’avoir des résultats plus satisfaisants que pour la commande simple.

La troisième commande implantée a pour but de minimiser les pertes par commutation dans les différents composants semi-conducteurs afin d’éviter des commutations multiples pour réaliser un niveau. Pour cela, une étude préliminaire a permis de répertorier toutes les commutations possibles et choisit pour chaque transition possible (exemple sur la Figure V-14)

V.D L’Active-Stacked-NPC à partage de composants

Figure V-14 Exemple de commutation entre la combinaison [E/2, 0,-E/2] et la combinaison [E/2, 0, 0] repérage du nombre de commutations obligatoires

les solutions mettant en œuvre le moins d’interrupteurs possible pour réaliser la commutation. Si cette commande est simple et ne faisant appel à aucun calcul ou aucun capteur, son étude préliminaire peut être longue car il est nécessaire de regarder l’ensemble des cas. Néanmoins beaucoup de combinaisons ne sont pas utilisées : en particulier celles permettant le transit du courant par deux chemins différents ne sont pas utilisées car elles ne permettent pas un contrôle de la répartition du courant dans un ou l’autre des chemins. De plus, il est fait l’hypothèse que deux phases ne changent pas en même temps mais à chaque fois l’une après l’autre ce qui permet de mieux contrôler les transitions et éviter d’avoir trop de transitions entre les états de la machine d’état. Pour les mêmes raisons, les commutations pour les différentes phases se font entre des niveaux de tension consécutifs, c'est-à-dire qu’uniquement les commutations entre –E/2 et 0, 0 et –E/2, 0 et E/2 et E/2 et 0 sont prises en compte. Ceci limite le nombre de transitions à gérer pour élaborer la machine d’état qui est tout de même assez complexe.

Le point négatif de ces deux dernières commandes, répartition des pertes et minimisation des pertes par commutation, réside en une non-utilisation complète des différentes redondances. Cette limitation volontaire est due à la méconnaissance de la répartition des courants dans les différents composants. Cette limitation est pénalisante dans la troisième commande car elle oblige à faire commuter des interrupteurs qui n’auraient peut-être pas besoin de commuter dans un cas où la répartition du courant serait parfaite et connue.