Introduction

Il existe plusieurs structures permettant de réaliser une conversion non réversible AC230/400V DC élévateur (540V minimum dans l'industrie et l'aéronautique) ou DC abaisseur (±135V / ±270V spécifiquement en aéronautique) à un niveau de puissance supérieur à la dizaine de kW.

La solution la plus connue et la plus utilisée dans le domaine aéronautique est à base d’autotransformateur (abaisseur ou élévateur) suivie d’un redresseur 12 pulses et d’un filtre de sortie. Cette solution reste tributaire du mauvais facteur de forme du pont de diodes et des perturbations induites par l’encochage de commutation. Dans [6] un comparatif complet montre que la masse volumique de l’autotransformateur pénalise cette solution par rapport aux solutions actives en raison de la basse fréquence de fonctionnement : 208% par rapport redresseur actif 3 Niveaux et 178% par rapport à un redresseur standard 2 Niveaux. De plus, la nécessité d’un conditionnement du bus DC (régulation) implique un étage terminal dévolteur (buck simple ou multiple) formant une conversion indirecte. Comme l'illustre la Figure 1-1 une amélioration de la forme des courants d'entrée peut être obtenue par la connexion d'un auto-transformateur d'injection homopolaire piloté par une cellule supplémentaire au point milieu du bus DC [7][8][9]. Outre les pertes supplémentaires, l'injecteur doit être dimensionné pour le courant efficace harmonique de l'ordre de 30% de la puissance apparente nominale, ce qui cantonne cette solution aux faibles puissances.

b)

Figure 1-1 : PFC semi-actif à injecteur homopolaire élévateur (direct) ou dévolteur (indirect) : a) schéma de principe, b) principe de fonctionnement.

Dans le cas d'une conversion avec abaissement de tension (ex. ±DC135V), une topologie directe redresseur – buck triphasé fonctionnant en commutateur de courant non réversible a été étudiée dans [5][10]. La Figure 1-2 donne le schéma de cette structure. Celle-ci est pénalisée par la forte densification des pertes dans les transistors qui doivent tenir à la fois la tension crête du réseau AC, le fort courant en sortie DC et l'insertion d'un filtre triphasé LC amorti accordé entre la fréquence du réseau (variable sur les réseaux avion !) et la fréquence de découpage. Par ailleurs, les transistors étant commun aux deux cellules de commutation, la défaillance de l'un des trois impacte directement les trois phases d'entrée et la tension de sortie.

a) 1 T3on T2on T1on

Fm1(t)

Fm2(t)

Fm3(t)

Figure 1-2: PFC direct dévolteur à redresseur – buck (commutateur de courant non réversible) [6].

Afin de contourner les problèmes précédents, la topologie de conversion indirecte boost AC/DC et buck DC/DC reste incontournable pour la réalisation de PFC de puissance supérieure à quelques kW.

Figure 1-3: Topologie de conversion indirecte.

Par ces deux étages de conversion d’énergie : l’un est un redresseur actif de courant /élévateur de tension, l’autre est un dévolteur actif de tension. Cette topologie repose sur des selfs en entrée et sur un stockage local d’énergie entre les deux étages qui par nature sont deux éléments susceptibles de filtrer les perturbations et de réduire leur transmission de l’entrée vers la sortie et réciproquement. La segmentation en deux étages de conversion permet également un confinement et une reconfiguration plus souple, plus riche par l’usage de redondances topologiques, de partitions topologiques et de degrés de liberté plus

nombreux qu’une structure directe. La possibilité d’un fractionnement de tension permettra d’une part de réduire le calibre en tension des semi-conducteur ainsi que la masse des selfs grâce aux formes d’ondes multi-niveaux et l’entrelacement des commandes. Néanmoins, cette topologie indirecte fait intervenir un nombre important de composants, ce qui complexifie la commande et réduit théoriquement la fiabilité du système à la première panne bien qu’un objectif majeur de ce travail est de démontrer la capacité d’une tolérance d’au moins une panne.

a) L’étage d’entrée : cet étage est un PFC triphasé non réversible élévateur de tension, il permet de passer d’une tension alternative de AC230/400V de fréquence variable (360 à 800 Hz voire proche de 1000Hz au décollage de l'avion) à un bus continu régulé en tension. Pour cela un redresseur boost non différentiel ou différentiel peut être utilisé.

b) L’étage de sortie : le bus continu intermédiaire généré par l’étage d’entrée est par la suite transformé en un réseau conditionné à ±DC135V ou ±DC270V à l’aide d’étage de sortie. Afin de respecter la symétrie électrique par rapport à une masse centrale, une structure différentielle est préférable, i.e. obtenue par au moins deux étages identiques et le filtre de sortie connecté en différentiel. Nous proposons une structure double buck différentielle DC/DC et elle sera commune à toutes les topologies indirectes étudiées. Le choix d’une structure double buck pour l’étage de sortie permet de rester sur des transistors 600V performants, des diodes SiC et de pouvoir entrelacer les commandes pour réduire la self de sortie dans un rapport quatre par rapport à un hacheur classique.

L’étage d’entrée constitue le cœur de cette thèse. Cet étage peut être soit à connexion différentielle de la source AC d'entrée Figure 1-4, soit à connexion non différentielle Figure 1-5.

Figure 1-4 : Topologie différentielle classique (avec précharge).

Figure 1-5 : Topologie non différentielle double-boost (avec précharge).

La structure différentielle est bien connue est très utilisée en monophasé. Elle présente l’intérêt de n’utiliser qu’un seul transistor et une seule diode. Son extension en triphasé n’est pas possible directement sauf si un transformateur est par ailleurs nécessaire pour l’isolement galvanique et l’adaptation de tension [11].

peut pénaliser le raccordement de la charge. Elle permet toutefois une densification des pertes plus faible et donc un meilleur refroidissement des composants. Cette structure de base permet une extension en triphasé ou une parallélisation de façon naturelle contrairement à la structure différentielle. Elle permet également une extension à un nombre important de niveaux et ainsi une redondance utile pour la tolérance de panne. C'est bien l'objectif du présent sujet.

Sur le plan des pertes globales et du rendement, la seconde structure est plus intéressante car ayant une chute de tension de diode en moins au niveau du redresseur d'entrée et une meilleure capacité de refroidissement comme évoqué précédemment. Ainsi, dans la suite du mémoire, seule la famille des structures non différentielles sera étudiée.