Conversion à deux étages

IV.2. Etude statique en conversion dc-dc _________________________________________ 146

IV.2.1. Présentation de la topologie DAB dc-dc __________________________________________ 146 IV.2.2. Réglage du courant de sortie par déphasage des ponts ______________________________ 147 IV.2.3. Dimensionnement de l’inductance primaire _______________________________________ 152

IV.3. Etude dynamique en conversion ac-dc mono-étage ____________________________ 153

IV.3.1. Présentation du DAB ac-dc _____________________________________________________ 153 IV.3.2. Commande en absorption sinusoïdale ___________________________________________ 154 IV.3.3. Dimensionnement du filtre LC en entrée du DAB ___________________________________ 158 IV.3.4. Dimensionnement du filtre LC en sortie du DAB ____________________________________ 162 IV.3.5. Convertisseur DAB ac-dc en chargeur de batterie triphasé ___________________________ 165

IV.4. Conclusion _____________________________________________________________ 167 IV.5. Bibliographie chapitre 4 __________________________________________________ 168

Conclusion générale et perspectives ________________________________________________ 174

Ce dernier chapitre introduit une solution de chargeur de batterie isolé ; nous présenterons une commande assurant l’absorption sinusoïdale. De plus les filtres en entrée et sortie sont aussi étudiés afin respecter les restrictions normatives en vigueur. Ces travaux seront validés par des simulations (boucle ouverte) mettant en évidence les différents flux de puissance entre le réseau et la source.

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Chapitre IV CHARGEUR DE BATTERIE A DOUBLE PONTS

ACTIFS ISOLES, OU DUAL ACTIVE BRIDGE

(DAB)

IV.1. Présentation

La fonction de chargeur de batterie isolé peut être réalisée par de nombreuses structures de conversion DC-DC, éventuellement AC-DC. Ces topologies s’organisent selon le synoptique de la Figure IV-1 et présentent de façon générale un étage onduleur permettant l’alimentation en haute fréquence d’un transformateur suivi d’un redresseur, rôles pouvant être inversés selon le sens de transit de la puissance.

Figure IV-1 : Synoptique général d’une conversion DC-DC isolée.

Cet ensemble de structures peut être classé en grandes familles :

- Les structures asymétriques telles que le Flyback et le Forward et leurs variantes. Ces structures présentent des inconvénients liés à l’inductance de fuites du transformateur (Flyback) ou à sa démagnétisation (Forward). Elles sont réservées aux faibles puissances, bien que des réalisations de forte puissance ont été conduites grâce à la parallélisation [1].

- Les structures symétriques à entrée en tension (voltage fed), dont la structure en ponts complets est représentée Figure IV-2-a. Des variantes sont possibles telles que le point milieu capacitif en entrée, le push-pull ou bien le doubleur de courant en sortie (Figure IV-2-b). Cette dernière variante est particulièrement bien adaptée pour les forts courants de sortie.

a) b)

Figure IV-2 : Convertisseur DC-DC à entrée en tension : a) ponts complets, b) sortie à point milieu inductif.

144 - Les structures symétriques à entrée en courant (current fed) qui sont similaires aux précédentes. Un exemple est donné Figure IV-3 pour la réalisation d’un convertisseur à faible tension d’entrée [2], dont le montage primaire peut être vu comme le doubleur de courant de la Figure IV-2-b avec un fonctionnement qui s’apparente à deux boost entrelacés. Ces structures sont bien adaptées aux fortes puissances mais présentent l’inconvénient de l’inductance de fuites du transformateur qui engendre, selon le mode de fonctionnement, des chutes de tension ou des surtensions au blocage des semi-conducteurs.

Figure IV-3 : Convertisseur DC-DC à entrée en courant.

- Les structures symétriques tension-tension qui présentent une source de courant (inductance ou circuit résonant) placée sur la partie alternative haute fréquence. La Figure IV-4 montre un exemple en ponts complets commandés (Dual Active Bridge, DAB) alors que la Figure IV-5 représente un convertisseur à résonance série non réversible.

Ces structures autorisent l’emploi du transformateur dans de bonnes conditions, sans l’inconvénient de l’inductance de fuites.

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Figure IV-5 : Convertisseur à résonance série.

Compte tenu de notre application (puissance moyenne de 3 kW, tension de sortie comprise entre 804 et 911 V, II.3.2), le Dual-Active-Bridge nous paraît le plus adapté pour explorer ses possibilités, en particulier sous tension sinusoïdale en mode PFC (Power factor Correction). En effet, au-delà de sa structure de puissance, ce montage présente des moyens de commande (rapports cycliques des ponts, déphasage entre ceux-ci) qui pourront être mis à profit pour la structure mono-étage.

Le développement des réseaux intelligents « smart grids » est un nouveau marché pour le DAB, en effet ce dernier permet de mettre en place différentes interactions avec la source de distribution d’énergie [3]. Lorsqu’ils sont raccordés à un réseau alternatif pour assurer la recharge de batterie par exemple, deux configurations de conversions sont envisageables.

IV.1.1. Conversion à deux étages

Dans une conversion à double étage, le DAB permet avant tout de jouer le rôle d’adaptation en tension, par l’intermédiaire du bus continu crée à l’issue de la première conversion ac-dc. Cette solution implique donc l’obligation d’ajouter un stockage d’énergie sur le bus continu, d’où la présence d’un condensateur à ce niveau de la conversion. Dans plusieurs cas le redressement est réalisé par un redresseur à diodes directement raccordé au réseau. Le point bloquant d’une telle solution est l’absence de réversibilité du convertisseur, aussi il peut être intéressant d’utiliser un redresseur commandé afin de permettre le renvoi d’énergie vers le réseau. La seconde conversion, de type dc-dc avec isolation galvanique par transformateur, permet le transfert de la puissance en haute fréquence. La structure isolée est composée de deux ponts complets, l’un fonctionnant en onduleur alors que l’autre est utilisé en tant que redresseur. Le transformateur adapte la tension pour s’adapter avec la charge continue placée en aval du redresseur dc-dc. Le schéma en Figure IV-6 représente la chaîne de conversion pour une topologie de DAB à double étage. Bien sûr, pour une configuration monophasée, le fonctionnement en PFC est toujours envisageable, et ce avec un redresseur commandé mais aussi avec un simple redresseur à diodes [4].

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