3 Etude de la topologie « BoB » (Buck or Boost)
3.2 Les deux options
Afin de simplifier les schémas électriques et de faire apparaître clairement les différentes options, nous considérerons des cellules « classiques » c'est à dire sans ICT.
Pour tenter une démarche de généralisation compatible avec l'introduction future des ICT, on se propose d'utiliser le motif de base de la Figure 44 gauche. Il est constitué d'une cellule mono-interrupteur, d'un transformateur à deux enroulements et d'un bras. On construira donc tout BoB multi-cellulaire à partir de k motifs de cette forme, avec différentes variantes possibles, liées aux différentes options d'agencement des transformateurs. Ainsi, la topologie mono interrupteur / Inductance « DC » séparées / Pont en H présentée dans le chapitre 2.2.1 peut être réalisée en associant deux motifs (figure tartempion droite). Dans ce cas particulier, un seul transformateur suffirait mais le résultat est identique. Le démonstrateur du chapitre 5.3 utilisera d'ailleurs cette configuration.
Figure 44 : Motif de base pour la réalisation de la topologie BoB à ICT
Sur cette base, toutes les combinaisons de couplages (polygonaux ou étoiles) sont possibles respectivement entre les primaires et les secondaires des transformateurs. Il s'avère que, dans l'optique de l'introduction d'ICT, le couplage étoile est le seul utilisable au primaire car les inductances, avec lesquelles la configuration polygonale est autorisée, sont par principe éliminées.
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Figure 45 : Topologie BoB à neutre séparé
Une première option est alors la structure BoB dite « à neutres séparés » (Figure 45). L'agencement correspond en fait à une mise en parallèle de couples de motifs identique à celui de la Figure 44 droite et dont le fonctionnement et les caractéristiques ont été présentées dans le chapitre 0.
Dans ce cas on a : 21 22 23 24 2( 1) 2 0 0 ... 0 k k i i i i i - i + = + = + = (3.2.1) et 1 1
0
p pi
¥ ==
å
(3.2.2)Dans cette configuration, on retrouve dans les lignes secondaires d'un couple donné des courants qui sont nuls lorsque les deux interrupteurs primaires de ce couple sont fermés simultanément. Nous verrons dans la suite que cette situation ne permet pas une commutation optimale des composants.
Par principe, la maille de commutation est la même que pour la structure mono interrupteur / Inductance « DC » / Pont en H :
2
coneqNSéparé con
L = L (3.2.3)
La simulation sous PSIM de la Figure 46 présente les principales grandeurs électriques caractéristiques du fonctionnement de cette option. Les paramètres de simulation sont VLV = 20 V, Ptransit = 12 kW, Fdéc = 50 kHz, m = 10, Lf = 10 uH et α = 30 %.
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Figure 46 : Simulation PSIM de la topologie BoB à neutre séparé à inductances couplées
Nous retrouvons bien les mêmes formes d’ondes que dans le cas du mono interrupteur / Inductance « DC » / Pont en H.
Il est impératif que le décalage temporel des commandes des interrupteurs d’un couple soit égal à 180° afin de bénéficier de la plage de variation de rapport cyclique la plus grande possible. Le rapport cyclique maximal est de 50 %.
50%
MaxSéparé
a
= (3.2.4)Une seconde option est d'interconnecter les enroulements secondaires en étoile, Nous avons baptisé cette configuration BoB à neutre commun (Figure 47).
Dans ce cas on a : 2 1
0
p pi
¥ ==
å
(3.2.5) et 1 10
p pi
¥ ==
å
(3.2.6)La notion de couple a disparu et la conduction sur les lignes secondaires est sensiblement différente puisque l'on retrouve dans chaque ligne une contribution des k-1 autres lignes. Il s'avère que, dans cette configuration, les courants de lignes ne présentent pas de palier nul, ce qui confère à la structure un caractère bénéfique en termes de commutation, que nous détaillerons dans le chapitre expérimental.
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Figure 47 : Topologie BoB à neutre commun
Le rapport cyclique minimal est égal à l’inverse du nombre de structures associées.
1
MinCommun
Cell N
a
= (3.2.7), où NCell représente le nombre de cellules associées.
Afin d’avoir une expression simple et unique, nous allons introduire une nouvelle variable qui représentera l’effet d’entrelacement. On pose :
2Cell Entrelacement ent( NCell)
k
=a
(3.2.8), où « ent » est la fonction mathématique permettant d’arrondir le nombre calculé à l’entier inférieur le plus proche. Cette astuce permet de séparer les répétitions du motif d’entrelacement.
La maille de commutation varie en fonction de l’état des différents interrupteurs. Une étude détaillée sera réalisée un peu plus tard (4.1.3 et 4.5.4).
con coneqNSéparé con entrelacement l l l
k
= + (3.2.9)Cette inductance équivalente diminue avec l’augmentation du rapport cyclique.
La simulation sous PSIM de la Figure 48 présente les principales grandeurs électriques caractéristiques du fonctionnement de cette option. Les paramètres de simulation sont VLV = 20 V, Ptransit = 12 kW, Fdéc = 50 kHz, m=10, Lf = 10 uH et α = 30 %.
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Figure 48 : Simulation PSIM de la topologie BoB à neutre commun à inductances couplées
Le passage de la version BoB classique vers la topologie BoB à ICT est identique à la méthode utilisée dans [17]. On peut obtenir deux versions du BoB ICT, homologies des précédentes, neutre commun (Figure 51) et neutre séparé (Figure 49). Ces deux options permettent de réaliser la conversion de tension de façon semblable. Si l’on s’intéresse aux phases de commutation, quelques différences notables apparaissent et vont nous permettre de sélectionner la meilleure option pour notre convertisseur.
3.2.1 « BoB » à neutre séparé et coupleur (ou ICT)
Le fractionnement du neutre a pour conséquence majeure de modifier la maille de commutation. Celle-ci devient plus grande que pour l’option à neutre commun, ce qui a pour effet d’augmenter, à courant commuté équivalent, l’énergie récupérée lors des phases de blocage. On notera que le rapport cyclique ne peut pas être supérieur à 50 %, comme dans le cas du BoB à deux cellules non couplé étudié dans la partie 2.2.1. Cette limitation diminue notre plage de fonctionnement ce qui peut être pénalisant pour cette option.
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Figure 49 : Schéma de principe de la topologie BoB à neutre séparé et coupleur (ou ICT)
Une simulation sous le logiciel PSIM nous a permis de vérifier le fonctionnement électrique de cette option (Figure 50). La simulation a été réalisée pour Ptransit = 12 kW, Vécrêtage = 80 V, Lcon = 30 nH, m = 8, Lfuite = 100 nH, VLV = 24 V et α = 30 %.
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Nous obtenons par simulation les valeurs de quelques grandeurs représentatives de ce fonctionnement. 77, 4 LV effMOS I = A (3.2.10) 4 HVL effMOS I = A (3.2.11) 4 HVH effMOS I = A (3.2.12) 5, 7 HV effTransfo I = A (3.2.13)
3.2.2 « BoB » à neutre commun et coupleur (ou ICT)
La Figure 51 donne une représentation des connexions électriques nécessaires pour la réalisation de l’option « BoB » à neutre commun. Ici, les différentes voies sont associées entre elles ce qui permet d’avoir un rapport cyclique minimal égal à l’inverse du nombre de cellules totales associées. Le gain est notable surtout pour un cahier des charges affichant des plages de tensions de fonctionnement assez larges.
Figure 51 : Schéma de principe de la topologie BoB à neutre commun et coupleur (ou ICT)
Une simulation sous le logiciel PSIM nous a permis de vérifier le fonctionnement électrique de cette option (Figure 52). La simulation a été réalisée pour Ptransit = 12 kW, Vécrêtage = 80 V, Lcon = 30 nH, m = 8, Lfuite = 100 nH, VLV = 24 V et α = 30 %.
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Figure 52 : Simulation PSIM de l’option « BoB » à neutre commun et coupleur (ou ICT) Nous obtenons par simulation les valeurs de quelques grandeurs représentatives de ce fonctionnement.
71, 4 LV effMOS I = A (3.2.14) 3 HVL effMOS I = A (3.2.15) 3,9 HVH effMOS I = A (3.2.16) 4,9 HV effTransfo I = A (3.2.17)
3.2.3 Conclusion
Les différences entre les deux options peuvent être résumées comme suit :
- Les courants efficaces dans les différents interrupteurs et dans le transformateur sont plus importants pour le neutre séparé, ce qui nous laisse penser que le rendement du convertisseur en sera détérioré.
- La plage de fonctionnement de l’option à neutre séparé est plus petite que pour l’option à neutre commun, ce qui est contraignant vis-à-vis du cahier des charges demandé.
62 - Le courant dans la ligne intermédiaire de l’option à neutre séparé est discontinu, ce qui supprime le mode ZVS naturel qui existe dans l’option à neutre commun (cette propriété sera largement détaillée dans la partie 5.3.8.4).
Pour toutes ces raisons, nous choisissons de réaliser l’option « BoB » à neutre commun pour notre démonstrateur « BBCU ».