Etude expérimentale du convertisseur Quasi Z-source - Buck DC/DC

Nous arrivons au dernier convertisseur DC/DC mis en œuvre expérimentalement dans le cadre de nos travaux de recherche, il s'agit de la proposition d’un nouveau convertisseur QZS-Buck DC/DC développé dans le dernier paragraphe du chapitre II.

Comme pour les autres convertisseurs, l'objectif ici est de valider le modèle analytique mais aussi de vérifier expérimentalement que le convertisseur que nous avons imaginé au laboratoire GREEN est viable, c'est-à-dire stable et commandable, de sorte à l'employer dans des applications comme cela a été proposé dans le chapitre II.

Figure 4-39 Schéma électrique du convertisseur QZS-Buck DC/DC sur une charge résistive représentative de la mise en

œuvre expérimentale

Figure 4-40 Montage expérimental du convertisseur QZS-Buck DC/DC sur une charge résistive

La Figure 4-39 rappelle le schéma électrique du convertisseur QZS-Buck proposé alors que la Figure 4-40 est une photographie du moyen de test complet comprenant le convertisseur en question, la source de tension DC et la charge purement résistive.

Les caractéristiques du montage sont en partie les mêmes que le convertisseur à QZS DC/DC, elles sont rappelées ci-dessous:

 L'inductance magnétiquement couplée , est identique à celle utilisée jusqu'ici dans les deux précédents convertisseurs. vaut 300µH et = vaut 200µH.

 L'inductance vaut 583µH, elle est réalisée à l'aide d'un noyau magnétique en ferrite de forme double E.

 Pour les condensateurs, nous avons réalisé une hybridation en associant un condensateur de technologie électrolytique de 680µF-200V et un condensateur de technologie film de 6,8µF-600V pour filtrer la haute-fréquence.

 Les interrupteurs sont des MOSFET CREE-CAS100H12AM1 avec des drivers réalisés au laboratoire GREEN.

Ce convertisseur a été dimensionné pour des niveaux de tensions plus faibles. La tension en entrée du convertisseur est de 48V, la tension en sortie est quant à elle au minimum à 24V dans le mode abaisseur, et peut monter jusqu’à 72V dans le mode élévateur.

vL1(t) iL1(t) vC1(t) vL2(t) vC2(t) iC2(t) iC1(t) iL2(t) Vdc L1 L2 r2 C1 C2 L3 K u1 u2

Quasi Z-source _Buck

iL3(t) C3 R v0(t) vC3(t) vL3(t) vQZS(t)

Steady state

Les caractéristiques de fonctionnement du convertisseur QZS - Buck DC/DC lors des essais expérimentaux sont les suivantes: = = = [ , ] ℎ = =

Nous gardons la même logique pour l'étude de ce convertisseur, à savoir la réalisation de quelques points de fonctionnement en statique avant de voir le comportement dynamique du convertisseur. Le contrôle utilisé ici est un contrôle par mode de glissement [176]–[180] qui n'a pas été développé dans ce manuscrit jusqu'ici. Nous allons donc donner quelques éléments sans pour autant entrer dans le détail car l'objectif est de valider la partie hardware du convertisseur et vérifier qu'il est contrôlable. Nous avons choisi ce contrôle car il s'adapte bien aux convertisseurs qui présentent deux états par nature (du fait de la présence des interrupteurs de puissance) mais aussi par la simplicité du contrôle par mode de glissement assimilable à un contrôle par hystérésis. La Figure 4-41 décrit le schéma du contrôle mis en œuvre pour contrôler la tension de sortie du convertisseur =

+ +

-

-Figure 4-41 Schéma du contrôle par mode de glissement appliqué au convertisseur QZS-Buck DC/DC .

Le contrôle se compose de deux boucles de régulation imbriquées. La référence donnée par l'utilisateur en entrée de la boucle de contrôle externe est l'énergie électrostatique stockée dans le condensateur calculée à partir de la valeur de référence de la tension de sortie.

La boucle externe (la régulation en énergie) reçoit en entrée, la différence entre l'énergie électrostatique et sa valeur de référence. Ensuite, un correcteur est implémenté et génère la référence de courant pour la boucle interne qui génère à son tour le rapport cyclique . Ce schéma de contrôle est valable pour les deux modes de fonctionnement du convertisseur (Buck et Boost). En effet, dans le mode Boost (élévateur de tension), la boucle de courant régule la somme des courants des inductances et ( + ), alors que dans le mode Buck (abaisseur de tension), la boucle de courant régule le courant dans l'inductance ( ). Ces deux contrôleurs sont réalisés par une commande par mode glissant (ou Sliding Mode en anglais). Cependant, nous n'entrerons pas dans le détail de la définition des surfaces de glissement choisies car ce n'est l'objectif de ce paragraphe.

Nous réalisons deux points de fonctionnement, un point en mode élévateur et un point en mode abaisseur. Parmi les courbes suivantes, nous avons placé à gauche (Figure 4-42 et Figure 4-44) les mesures correspondant au mode Boost et à droite (Figure 4-43 et Figure 4-45), les courbes correspondant au mode Buck.

Sur la Figure 4-42 et la Figure 4-43, nous avons en violet le courant , en vert le courant , en marron la tension et en bleu, la tension .

Sur la Figure 4-44 et la Figure 4-45, la courbe marron représente le courant dans l'inductance , en violet, il s'agit du courant (repris des Figure 4-42, Figure 4-43), la tension au bornes du condensateur ⁡est représentée en bleu et enfin la courbe verte est la tension entre la partie QZS et la partie Buck (voir la Figure 4-39).

+ ⁡ MLI , , Boucle de courant = , , ⁡ Correcteur

Figure 4-42 Variables d'état du convertisseur QZS - Buck dans le mode "élévateur de tension"

Figure 4-43 Variables d'état du convertisseur QZS - Buck dans le mode "abaisseur de tension"

Figure 4-44 Variables d'état du convertisseur QZS - Buck dans le mode "élévateur de tension".

Figure 4-45 Variables d'état du convertisseur QZS - Buck dans le mode "abaisseur de tension".

En mode Boost, il est possible de voir que l'impact d'un couplage magnétique adapté entre les inductances et (voir la Figure 4-39, = ) est valide aussi sur ce nouveau convertisseur et permet d'obtenir un courant d'entrée ( plat indépendamment du mode de fonctionnement du convertisseur. En mode Buck, les courants et ne présentent pas d'ondulation contrairement au courant sur lequel nous retrouvons l'ondulation caractéristique du convertisseur Buck. Nous remarquerons que le courant présente des ondulations aussi bien en mode Buck et qu'en mode Boost car lors de l'élévation de la tension de sortie, l'enchainement d'interrupteur fait qu'il y a un léger dévoltage sur la partie Buck. A ce titre, il est intéressant de noter que la tension en entrée de la partie Buck, c'est-à-dire , est supérieure à la tension de sortie ( = ). Ici, en mode Boost, la tension vaut environ 100V alors que la tension de sortie vaut seulement 72V. Comme nous l'avons mentionné au chapitre II, si la durée de fonctionnement en mode Boost est relativement importante comparée à la durée en fonctionnement abaisseur, ce convertisseur peut s'avérer ne pas être la meilleure solution compte tenu de ce point précis en mode Boost ( est survoltée plus que nécessaire avant d'être abaissée pour donner la valeur de désiré, < < ).

La tension en mode élévateur de tension s'apparente à la tension en entrée d'onduleur de l'onduleur à QZS sauf qu'ici, nous n'avons pas la montée en tension linéaire caractéristique de la charge d'un condensateur sous une charge

1(5 / ) 2(5 / ) 1(20 / ) 2(20 / ) 1(20 / ) 2(20 / ) 1(5 / ) 2(5 / ) ) ) ) )

20µs/div

i

(1A/div)

i

(1A/div)

i

(2A/div)

i

(2A/div)

V

(20V/div)

V

(50V/div) _V

_{(20V/div) V}

_(20V/div)

analyse menée au paragraphe 4.2.1.

Nous pouvons aussi noter que les tensions aux bornes des condensateurs présentent des perturbations CEM comme dans les cas du convertisseur QZS-DC/DC et de l'onduleur à QZS.

Après avoir vu chacun des points de fonctionnement en statique, nous réalisons un enchaînement dynamique. Pour une tension d'entrée de 48V la tension est abaissée à 24V en mode continu puis élevée à 72V de manière transitoire avant un retour à 24V. Ce cycle simule une montée en vitesse de la machine ou bien dans le cas de l'application de démarrage de turbomachine, cela correspondrait au fonctionnement en mode vieille (tension abaissée) puis un démarrage rapide de la turbomachine avec une montée en vitesse et en tension de manière temporaire (tension survoltée) avant un retour en mode veille (tension abaissée).

Figure 4-46 Variables d'état du convertisseur QZS - Buck en transitoire

Figure 4-47 Variables d'état du convertisseur QZS - Buck en transitoire

Le point important dans cet enchaînement est de remarquer que le courant en entrée du convertisseur reste plat lors de la variation de tension. L'autre point à noter est la commutation d'algorithme dans le contrôle, lors du passage du mode abaisseur (Buck) au mode élévateur (Boost) et élévateur à abaisseur, se passe sans difficulté.

Enfin nous pouvons aussi attirer l'attention du lecteur sur le comportement dynamique du convertisseur qui semble relativement stable et contrôlable ce qui pourrait donc faire de ce convertisseur un candidat à considérer pour certaines applications ayant les caractéristiques que nous avons énoncées au chapitre II.

4.2.4 Validation fréquentielle du couplage des inductances en vue de réduire les perturbations de mode