Nouveaux mécanismes de commutation pour des structures dédiées aux convertisseurs de puissance de haute efficacité et interrupteurs du futur

Abstract

De nos jours, la raréfaction des sources d'énergie bon marches nécessite un effort particulier dans l'optimisation du rendement de toutes les conversions mises en jeu. Le vecteur d'énergie en particulier est appelé a prendre toujours plus d'importance, en liaison avec l'insertion de sources renouvelables. La recherche dans les domaines de l'électronique de puissance considère plusieurs aspects, notamment la topologie des convertisseurs, la stratégie de commande ainsi que la structure et les performances des interrupteurs.
Ce travail est base sur la commande du composant de puissance et l'étude de structures dédiées de convertisseurs de puissance. Un des buts est l'utilisation d'interrupteurs actifs en remplacement d'éléments à comportements spontanés présentant des phénomènes dissipatifs afin de tenter de réduire les pertes en conduction et en commutation. Un autre aspect du travail est l'investigation d'une commande rapprochée utilisant des circuits de détection de passages par zéros des grandeurs mesurées aux bornes d'interrupteurs bidirectionnels. La conception d'une telle commande a pour but de rendre un interrupteur autonome pour la mise en roue libre de sources de courant ou pour permettre une voie de conduction privilégiée.
Un interrupteur bidirectionnel a été implémenté par l'association classique de deux transistors MOS de puissance. La commande consiste en un signal commun aux deux grilles pour synthétiser au mieux le fonctionnement d'un composant purement bidirectionnel. En effet, plusieurs recherches vont dans le sens de nouvelles structures ou vers la photoconduction pour la commande d'éléments semi-conducteurs. L'absence de l'extinction spontanée due à la bidirectionnalité du courant de conduction nécessite une redéfinition des mécanismes de commutation.
Cette étude aboutit à une généralisation des principes de commutations automatiques basées sur la mesure des grandeurs aux bornes d'un interrupteur bidirectionnel. Une commande rapprochée intelligente permettant des commutations produites par l'interrupteur lui-même en fonction de ses grandeurs internes a été conçue et implémentée. Parallèlement, ce travail propose une représentation courant tension pour l'exploitation de résultats expérimentaux en comparaison avec les comportements prévus théoriquement. Les performances en commutation de plusieurs types de composants différenciés par leur matériau et leur structure interne sont comparées.
L'utilisation d'interrupteurs bidirectionnels permet l'extension de topologies de convertisseurs classiques vers de nouveaux modes de fonctionnement. Ce travail présente la modification d'une topologie de convertisseur de courant, traditionnellement implémentée avec des thyristors, pour permettre la compensation de la puissance réactive normalement générée. L'extinction spontanée des thyristors est remplacée par une extinction commandée qui devient indépendante du sens des grandeurs de source. Par contre, l'ouverture forcée de la voie de courant dans les inductances de ligne des sources de tension nécessite l'absorption de l'énergie inductive dans un filtre d'entrée dont l'étude est proposée dans ce travail.
Le contenu de ce document est organise en six chapitres. Une introduction mentionne rapidement les travaux déjà effectues concernant la commande automatisée d'interrupteurs bidirectionnels. Les nouveaux matériaux pour le remplacement du silicium dans les interrupteurs de puissance ainsi que les nouvelles structures monolithiques sont présentes. Le chapitre 2 propose une généralisation théorique des principes de la commutation automatique. Le chapitre 3 présente une implémentation des principes décrits au chapitre précédent par la conception d'une commande rapprochée d'un interrupteur bidirectionnel. Les résultats expérimentaux ainsi que la synthèse de nouveaux interrupteurs aux commutations automatisées sont présentes au chapitre 4. Un convertisseur de courant à compensations de puissance réactive est présent au chapitre 5. Celui-ci est implémenté avec des éléments Gibets à blocage de tensions inverses pour plusieurs types de modulations. Une comparaison expérimentale des commutations entre un élément monolithique et un interrupteur compose est proposée, notamment pour mettre en valeur les phénomènes de recouvrement des charges. Finalement, une conclusion présente une synthèse des résultats et discute des perspectives ouvertes par ce travail.
Trois publications de conférence présentent des résultats intermédiaires de cette étude. L'étude des commutations dans un interrupteur bidirectionnel compose de transistors MOS a été publie dans le cadre de la conférence EPF 2006 (Electronique de Puissance du Futur) a Grenoble en France [1]. La conception de la commande rapprochée pour l'implémentation de comportements spontanés dans les interrupteurs bidirectionnels a été présentée dans le cadre de la conférence PCC 2007 (Power Conversion Conférence) à Nagoya au japon [2]. Finalement, la synthèse des mécanismes de commutations automatiques ainsi que la représentation courant tension pour l'exploitation de résultats expérimentaux ont été proposes dans le cadre de la conférence EPE 2007 (Européen Power Electroniques) a Aalborg au Den mark [3]. D'autres publications sont encore à prévoir.

Date of Award	13 Jan 2009
Original language	French
Supervisor	Philippe Lataire (Jury), Alfred Rufer (Promotor), Jean-Jacques Simond (Jury), Maher Kayal (Jury) & Frederic Richardeau (Jury)