D.2 Convertisseur multicellulaire série à p cellules

S’il est possible de mettre en série deux cellules de commutation, il est alors possible de mettre en série p cellules de commutation (Figure I-12). Les deux interrupteurs de la cellule de commutation ont des commandes complémentaires pour éviter les courts-circuits des

I.D Le Convertisseur Multicellulaire Série (FC)

sources de tension. La mise en série de p cellules de commutation impose de placer dans la structure (p - 1) condensateurs flottants.

L’utilisation d’une cellule de commutation permet d’avoir une variation de la tension entre deux niveaux de E. Avec la structure précédente, le FC 3 niveaux, la variation entre 2 niveaux est égale à E/2. L’extension pour une structure multicellulaire série à p cellules permet d’avoir une variation de tension de sortie entre deux niveaux de E/p. Il en est de même pour la tenue en tension des IGBT, chaque composant semi-conducteurs doit bloquer une tension égale à

E/p.

Ceci va imposer les valeurs des différentes sources de tension flottante. En effet pour assurer la tenue en tension pour chaque composant, les sources de tension flottantes doivent avoir pour valeur :

p E k

VCk  k





Comme pour le cas de l’onduleur FC 3 niveaux, les sources de tension sont réalisées par des condensateurs flottants qui ont pour valeur [CAR] :

s dec s V F p I C     _{Eq. I-2}

étant l’ondulation de tension de condensateur acceptable, p le nombre de cellules

imbriquées et Is le courant maximal en sortie.

Cependant cette tension doit être stable pour assurer une tension de sortie multiniveaux de bonne qualité. Pour cela, les courants circulants dans chaque condensateur flottant doivent avoir une valeur moyenne nulle sur une période de modulation [GAT97]. Avec un rapport

cyclique constant, les ordres de commande doivent être déphasés d’un angle Φk. Cet angle est

donné par la formule :

p k k  2 ) 1 (    k





Le nombre de niveau en sortie dépend du nombre de cellules de commutation mises en série. Pour un onduleur avec p cellules, le nombre de niveaux que le convertisseur est capable de générer en sortie est :

1   p

CHAPITRE I. Structures de Base de la Conversion Multiniveaux

Comme pour l’onduleur FC 3 niveaux, le convertisseur multicellulaire série possède des propriétés intéressantes en sortie : grâce aux redondances de certains niveaux, il est possible d’augmenter la fréquence apparente de découpage par rapport à la fréquence de découpage des cellules de commutation. Pour une structure à p cellules, la fréquence apparente est égale à :

dec app p f

f   Eq. I-5

Les premiers harmoniques du spectre n’apparaissent alors seulement qu’à cette fréquence et leur amplitude est p fois plus faible que pour un onduleur 2 niveaux classique. De plus les harmoniques suivants ne sont qu’autour des fréquences multiples de cette fréquence apparente.

Pour illustrer ces différents résultats, une simulation d’un onduleur avec 4 cellules de commutation (Figure I-13) a été faite avec les mêmes paramètres que les deux structures précédentes pour la charge, la tension du bus d’entrée, la fréquence de découpage et la modulante.

Sur la Figure I-14 est représentée la tension de sortie, il est possible de retrouver le résultat de l’Eq. I-4 avec les 5 niveaux sur la tension de sortie.

Figure I-12 Onduleur multicellulaire série à p cellules

I.D Le Convertisseur Multicellulaire Série (FC)

Figure I-14 Tension de sortie et Courant de Charge pour un onduleur FC 5N

De plus le courant possède beaucoup moins d’oscillations à haute fréquence. Ceci est une conséquence de l’éloignement de la fréquence de découpage apparente par rapport à la fréquence de découpage des cellules de commutation (Figure I-15). En effet l’oscillation en sortie est une conséquence du découpage de la tension.

Figure I-15 Spectre de la Tension de sortie pour un onduleur FC 5N

Plus le nombre de cellules de commutation est grand, plus les premiers harmoniques du spectre de la tension sont hauts en fréquence. Les amplitudes de celles-ci sont aussi plus petites. L’amplitude des premiers harmoniques est inversement proportionnelle au nombre p de cellules mises en série.

Pour avoir une tension multiniveaux de bonne qualité, il est nécessaire que les tensions aux bornes des différentes sources flottantes soient équilibrées (Figure I-16). L’équilibrage des condensateurs est naturel si les porteuses sont déphasées de 2π/p. Les condensateurs s’équilibrent de manière autonome si la charge absorbe un courant qui possède des harmoniques à la fréquence de découpage. Dans le cas d’une charge passive, le déséquilibre d’une des tensions aux bornes d’un des condensateurs crée des harmoniques à la fréquence de découpage sur la tension et donc sur le courant. Si la charge n’absorbe pas de courant avec des harmoniques à la fréquence de découpage, il est possible d’équilibrer les condensateurs en utilisant un filtre passif RLC qui absorbe du courant à la fréquence de découpage (qui donc

CHAPITRE I. Structures de Base de la Conversion Multiniveaux

permet l’équilibrage des condensateurs). Ce filtre, dans un fonctionnement normal où les tensions des condensateurs sont bien équilibrées, n’absorbe aucun courant [CAR].

Figure I-16 Tensions dans les différents condensateurs flottants pour un onduleur FC 5N pour un bus continu E=600V

Une des applications du convertisseur multicellulaire série est l’entraînement à haute tension. Il est possible de voir quelques applications d’onduleurs avec 2 ou 3 cellules imbriquées [SHA]. Néanmoins la mise en série de plus de 5 cellules pose quelques problèmes pour le développement de cette structure au niveau du stockage d’énergie dans la structure. En effet les tensions aux bornes des condensateurs les plus proches du bus continu sont d’autant plus grandes que le nombre de cellules mises en série augmente. Donc ces condensateurs doivent stocker plus d’énergie ce qui occasionne une augmentation du volume de condensateur nécessaire : en effet le volume d’un condensateur peut être considéré comme proportionnel à l’énergie stockée.