Principe et structure de la stratégie de commande par décalage

3.4.2.1 Principe de la commande par décalage

La loi de commande classique pour la mise en opposition de deux bras de type onduleur de tension a été présentée au paragraphe 3.2.1. Elle consiste à faire fonctionner un bras en boucle ouverte (bras maître) à partir d’une onde de modulation prédéfinie en amplitude et en phase. L’autre bras est bouclé (bras esclave)et permet de contrôler le courant circulant dans l’inductance située entre ces deux bras. L’utilisation d’une commande avec temps morts génère une chute de tension importante aux bornes de l’inductance d’opposition. C’est principalement cette chute de tension que doit compenser le correcteur (la chute de tension due à l’inductance d’opposition est négligeable).

Dans le cas d’une commande dite “classique”, le correcteur n’agit qu’à l’échelle de la période de modulation : il génère une tension de modulation à partir de la tension de modulation de l’autre bras. Le principe de cette stratégie de commande est expliqué au paragraphe 3.2.3 et présente certains inconvénients.

Pour éliminer la chute de tension due aux temps morts et obtenir une loi de commande facilement implantable dans un circuit numérique, nous avons mis au point une nouvelle stratégie. A l’échelle d’une période de découpage, la mise en opposition de deux cellules est une succession de phases de conduction diagonale et de phases de roue-libre. La durée de ces différentes phases permet de contrôler la croissance et la décroissance du courant inter-bras. Le but de cette nouvelle stratégie de commande est de contrôler la durée des phases de conduction en diagonale (IGBT - IGBT) en contrôlant les temps de décalage entre les ordres de commande des IGBT assurant cette phase. Avec une fréquence d’horloge suffisamment grande (20MHz), il est possible d’obtenir une résolution temporelle importante (50ns) et donc un contrôle précis de la croissance du courant inter-bras. En effet, avec une inductance équivalente de 45µH (30µH entre les deux bras durant les phases de conduction diagonale et 60µH en ajoutant les inductances de filtrage à l’inductance d’opposition) et une tension de bus de 450V, la vitesse de croissance du courant dans cette inductance est de 10A/µs, soit 0,5A pour chaque pas de 50ns.

Le principe de cette commande est illustré sur la figure III.29, dans le cas d’un courant inter-bras positif et croissant. On constate sur ces chronographes qu’à partir d’une consigne de modulation M, il est possible de construire les ordres de commande de chaque interrupteur de puissance en incluant les temps morts, nécessaires à une commande de type “bras d’onduleur”, et les temps de décalage entre les instants de conduction des IGBT assurant une phase de conduction diagonale. Dans le cas où iLMO est positif et

croissant, la phase de conduction diagonale est assurée par K1 et K2’. La durée de conduction simultanée de ces deux interrupteurs permet de contrôler la croissance du courant iLMO.

Cette stratégie de commande a été implantée sur un FPGA. Les avantages de cette commande sont multiples : elle permet d’annuler la chute de tension due aux temps morts tout en assurant un contrôle très précis du courant inter-bras. Un autre avantage est que la constante de temps de la boucle de régulation est très faible. Cela implique que cette boucle peut agir rapidement en cas de fonctionnement anormal (fluctuation de la tension d’alimentation…).

i_Lmo > 0 i Temps de décalage K1 0 1 0 1 0 1 0 K1’ K2 K2’ E 0 E 0 E 0 Vb Vb V_L i_LMO

Temps morts Temps morts

1 0 M K2 K1’ K1 iLMO E K2’ V_L

Figure III.29 : Principe de fonctionnement de la commande par décalage

3.4.2.2 Structure de la commande

a) Programme

Le diagramme fonctionnel du programme est présenté sur la figure III.30. Ce dispositif de commande permet le réglage de tous les paramètres de la MLI : fréquence de la modulation, profondeur de modulation (amplitude de la tension), amplitude du courant, déphasage entre courant et tension, fréquence de découpage et durée des temps morts. Pour chacun de ces paramètres, une roue codeuse permet de sélectionner une valeur parmi 16 valeurs prédéfinies dans la programmation du FPGA.

Fréquence de modulation Générateur d’angle (synthèse numérique direct) table Sinus Profondeur de modulation Amplitude du courant table Sinus Déphasage + + CAN + - Correcteur PI Fréquence de découpage Temps morts Générateur de temps de décalage Générateur de temps morts MLI (avec synthèse direct de Fdec) Générateur de temps morts m m m2 Référence de tension Consigne de temps de décalage Référence de tension Référence de courant Ordres de commande IGBT bras N°1 Mesure du courant inter-bras Ordres de commande IGBT bras N°2 θ(t) _u(t) i(t) (1) (3) (2)

Les consignes de tension u(t) et de courant i(t) sont codées sur 8 bits. L’information d’angle θ(t) est obtenue à partir d’une synthèse de fréquence numérique directe. Ensuite, deux tables (sinusoïdales) permettent d’obtenir à partir de cet angle θ(t) les évolutions temporelles de u(t) et de i(t). Les amplitudes de u(t) et de i(t) sont ajustables selon des paramètres codés sur 4 bits (1).

Le principe de fonctionnement du pont, basé sur le fonctionnement en opposition de deux bras avec une inductance inter-bras très réduite (inductance équivalente de 45µH), induit des valeurs très élevées des vitesses de croissance ou de décroissance du courant lors des conductions en diagonale (±10A/µs pour VBUS = 450V). La régulation de courant doit assurer un contrôle très précis des temps de conduction en

diagonale appliqués lors de chaque commutation (résolution de 50ns).

L’information du capteur de courant est échantillonnée à la fréquence de découpage par un CAN contrôlé par le FPGA. Le courant est échantillonné à mi-temps entre deux commutations pour supprimer les effets de l’ondulation, sans ajouter de filtre analogique dont le déphasage dégraderait fortement les performances de l’asservissement. Cette information de courant est comparée avec la consigne de courant calculée. Un correcteur PI numérique génère à partir de ce signal d’erreur la consigne de temps de décalage à appliquer entre les commutations des deux bras d’un même pont (2).

La modulation, de type intersective avec une synthèse directe de la fréquence de découpage, génère un signal de commande global m pour le pont. Ce signal de commande est très légèrement décalé, en avance ou en retard, selon la consigne de temps de décalage fournie par la régulation de courant (résolution de 50ns), pour générer les deux signaux de commande m1 et m2 des deux bras constituant le pont. Pour chaque bras,

les informations de commande des IGBT sont ensuite obtenues en appliquant un temps mort à la commande de l’IGBT qui doit être amorcé (3).

b) Implémentation de la carte

La carte de commande développée pour la méthode d’opposition est très simple. C’est une carte numérique qui se compose d’un FPGA (FLEX 10K10) contenant toutes les fonctions de calcul liées à ce type de commande, d’un convertisseur analogique / numérique à sortie série pilotée par le FPGA et de roues codeuses pour entrer les paramètres de la MLI.

Une mémoire de type Flash contient le programme du FPGA : lors de chaque mise sous tension, le programme est chargé dans le FPGA. Un convertisseur numérique / analogique a été ajouté pour faciliter l’observation de certains signaux numériques, lors de la phase de conception de la carte. Le pilotage de cette carte s’effectue par l’intermédiaire d’une série de boutons poussoir. Ces boutons commandent la mise en marche et l’arrêt de la carte, la suppression de défauts signalés par les drivers, et la validation des paramètres des roues codeuses. Ce dernier bouton permet de valider un nouveau jeu de paramètres pour configurer la MLI (évite les erreurs de paramétrage). Les roues codeuses sont toutes câblées en parallèle sur les mêmes entrées du FPGA. Dans le programme, une séquence de démultiplexage des données de ces roues codeuses a été implantée afin de reconstruire tous les paramètres de la MLI codés sur 4 bits.

Un certain nombre de connecteurs sont présents sur cette carte :

- 1 connecteur pour chaque driver du pont permettant d’alimenter ce driver, d’envoyer les ordres de commande pour les deux IGBT du bras ainsi que l’ordre de réinitialisation du driver et enfin, de recevoir les informations de défaut des interrupteurs de puissance.

- 1 connecteur reliant la carte de commande au PCB de puissance du pont. Sur cette liaison transitent les alimentations ainsi que le résultat de la mesure du courant inter-bras, mesure effectuée par un capteur de type “effet Hall”, placé sur le circuit de puissance. Sur cette nappe transitent aussi les informations de défaut des diodes du pont. Cette protection a été prévue mais n’a pas été mise en place sur cette version du module de conversion.

- 1 connecteur assurant la liaison entre la carte de commande et le système de surveillance électrothermique. Cette liaison permet d’acheminer les informations de “défaut IGBT” vers le système d’acquisition et de gérer à distance la mise en marche et l’arrêt du pont. Le système de surveillance électrothermique est détaillé au chapitre VI, paragraphe 4.2.

- 1 connecteur permettant de synchroniser plusieurs cartes de commande. Le but de cette synchronisation est de fixer, et le cas échéant de pouvoir modifier, le déphasage entre les courants inter-bras de plusieurs ponts connectés sur la même alimentation. Lors des simulations Saber présentées au paragraphe 3.2.4, nous avons vu que le courant d’alimentation d’un pont présente une petite ondulation à deux fois la fréquence de

modulation. Dans la réalité, la valeur de ce courant ainsi que de l’ondulation sera plus élevée. Dans le cas de deux ponts connectés sur la même alimentation, pour diminuer l’ondulation de courant fourni par l’alimentation, il faut imposer un déphasage de 180° entre les références de courant de chaque pont.

Il existe plusieurs possibilités pour effectuer cette synchronisation : soit au niveau des fréquences d’horloge des quartz de chaque carte, ce qui impose une liaison “haute fréquence”, soit au niveau des fréquences de modulation des références de courant. Cette solution a été retenue pour sa simplicité de mise en œuvre. La synchronisation au niveau de la fréquence de travail des FPGA est néanmoins nécessaire comme nous le verrons au paragraphe intitulé “Assemblage et réalisation du module de conversion” mais pas obligatoire car, dans le cas d’une association de pont, il est démontré dans ce paragraphe qu’il est souhaitable de découpler les alimentations des ponts (partie traitant des interactions entre les ponts).