Academic literature on the topic 'Convertisseur DC/DC multi-phase'

L'expansion de la production d'énergie renouvelable expérimentée au cours des dernières décennies et l'augmentation constante de la demande d'énergie, pousse les limites du réseau électrique actuel. Ce réseau ne suffira pas pour répondre correctement aux besoins futurs. Ainsi, la vision du futur réseau électrique semble indiquer un nouveau paradigme: un réseau maillé combinant le système en courant alternatif existant avec un réseau de transmission à courant continu multi-terminaux. Les convertisseurs DC-DC à haute tension et hautes puissances sont identifiés comme un élément clé pour ces futurs réseaux. Cela représente un tout nouveau domaine de recherche qui commence à susciter un vif intérêt dans les milieux universitaires et industriels, car de nombreux défis doivent être résolus.Trouver un circuit approprié pour la mise en œuvre de tels convertisseurs DC-DC est un défi en soi, mais plusieurs questions restent ouvertes concernant les fonctionnalités et les services que ces structures peuvent offrir au futur système électrique.Dans cette thèse, l'étude détaillée des convertisseurs DC-DC pour HVDC est abordée. Un examen complet des différentes méthodes de conversion proposées dans la littérature est d’abord présenté. Ensuite, deux topologies prometteuses sont étudiées en détail, analysant ses principes de fonctionnement et proposant des méthodes de contrôle appropriées. L'intégration au réseau des deux convertisseurs est également abordée à partir d'une étude de cas. Il implique l’interconnexion de deux réseaux DC en conditions normales et en défaut. Enfin, une méthodologie générale permettant d’évaluer la comparaison de diverses topologies de convertisseurs DC-DC pour le HVDC est proposée. La méthodologie est appliquée pour comparer les deux structures en révélant la région d'intérêt potentielle pour chaque convertisseur<br>Due to the renewable energy generation expansion experimented over the last decades and to the constant increase of energy demand, it appears that the current electrical grid will not be sufficient to answer correctly the future needs and requirements. Thus, the vision of the future electrical grid seems to point towards a new paradigm: a meshed grid that combines the existing AC system with a multi­terminal DC transmission grid. DC­DC converters with a high voltage and a high power rating are identified as a key element and enabling technology for these future grids. This represents a whole new area of research which is starting to attract a lot of academic and industrial interest, as many challenges need to be solved.Finding a suitable circuit for the implementation of such DC­DC converters is a challenge itself, but also there are several open questions about the functionalities and services that such structures can offer to the future electrical system.In this thesis the detailed study of DC-DC converters for HVDC is addressed. A comprehensive review of the different conversion methods proposed in literature is first presented. Then, two promising HVDC DC-DC converter topologies are studied in detail, analyzing its operation principles and proposing appropriate control methods. The grid integration of both converters is also addressed based on a case study. It involves the interconnection of two DC grids during normal and fault conditions. Finally a general methodology to assess the comparison of diverse HVDC converter topologies is proposed. The methodology is applied to compare both structures revealing the potential region of interest for each converter

Un convertisseur à multiples ponts actifs, appelé aussi convertisseur MAB (pour Multi-Active Bridge converter en anglais), est une topologie intéressante de « Hub Energétique » qui a apparu récemment. Dans un Hub Energétique, la production, la consommation et le stockage de l'énergie électrique ont lieu au sein de la même structure. De plus, les convertisseurs MAB sont des convertisseurs multiports dotés d'une isolation galvanique intrinsèque. Celle-ci est obtenue en connectant les ports de cette topologie par l'intermédiaire d'un transformateur haute fréquence (HF). L'isolation galvanique est nécessaire pour les applications où différentes sources d'alimentation/charges présentant d'importantes dissimilitudes de tensions et de puissances nominales doivent être connectées ensemble. Par conséquent, un convertisseur MAB peut connecter plusieurs sources d'énergie, charges et systèmes de stockage d'énergie électrique ensemble, permettant un flux d'énergie multidirectionnel entre eux. Pour toutes ces raisons, les convertisseurs MAB ont dernièrement attiré beaucoup l'attention, notamment pour les applications sollicitant des sources d'énergie renouvelables et des systèmes de stockage d'énergie.En général, l'objectif principal du contrôle d'un convertisseur MAB est de gérer les flux de puissance active entre ses ports en fonction des besoins de chacun d'entre eux. Cependant, l'optimisation du contrôle de ce convertisseur peut être réalisée en ajoutant des contraintes, visant à minimiser les pertes du système par exemple.Dans cette thèse, le modèle mathématique d'un convertisseur MAB est développé pour représenter son comportement en régime transitoire et en régime permanent. Ce modèle est ensuite utilisé pour élaborer une méthode de calcul des pertes de conduction et de commutation du convertisseur MAB à n'importe quel point de fonctionnement. Une stratégie de commande optimisée est proposée dans le but de minimiser les pertes totales du système sur toute sa plage de fonctionnement. Cette stratégie de commande utilise le modèle mathématique et la méthode de calcul des pertes développés pour prédire la combinaison optimale des paramètres de contrôle aboutissant à des pertes minimales pour tout point de fonctionnement désiré.Un prototype d'un convertisseur MAB à quatre ports (Quadruple Active Bridge) est construit et des résultats expérimentaux sont présentés dans le manuscrit pour démontrer la fiabilité du modèle mathématique et l'efficacité de la stratégie de commande proposée dans cette thèse.En général, les structures MAB sont basées sur des convertisseurs alimentés en tension. Cependant, dans certaines applications, il peut être utile d'avoir un port alimenté en courant en raison des caractéristiques de la charge ou des contraintes opérationnelles. Cela conduit à une structure MAB hybride qui mélange à la fois des ponts alimentés en courant et des ponts alimentés en tension. Dans la dernière partie du manuscrit, une nouvelle topologie de convertisseur MAB à alimentation hybride est présentée et étudiée. Son modèle mathématique est développé et une stratégie de commande est proposée. Des résultats de simulation sont fournis afin de valider l'étude théorique présentée<br>A Multi-Active Bridge (MAB) converter is an interesting energy hub topology that has emerged in recent years. In an energy hub, the production, consumption and storage of electrical energy all take place within the same structure. In addition, MAB converters are multiport converters with intrinsic galvanic isolation. This is achieved by connecting the ports of this topology through a high-frequency (HF) transformer. Galvanic isolation is crucial for applications where different power sources/loads with important voltage dissimilarities and power ratings need to be connected together. Consequently, a MAB converter can connect several energy sources, loads and energy storage systems together, allowing multidirectional power flow between them. For these reasons, MAB converters are attracting great attention in many applications, especially those requiring energy storage and/or integration of renewable energy sources.In general, the main objective of controlling a MAB converter is to manage the active power flows between its ports based on each port's requirements. However, optimizing the control of this converter can be achieved by adding another constraint, aiming to minimize the system’s losses for example.In this thesis, the mathematical modelling of a selected MAB converter topology is first developed to represent its steady-state and dynamic behaviour. This developed model is then used to elaborate a method for calculating the conduction and switching losses of the MAB converter at any operating point and for any combination of its control parameters. After that, an optimized control strategy is proposed with the aim of minimizing the total system losses over the entire operating range of the MAB converter. The proposed control strategy uses the developed mathematical model and the loss calculation method to predict the optimal combination of the control parameters resulting in minimum losses, and therefore an increased efficiency for any desired operating point.A four-port 4×500 W prototype of a MAB converter (Quadruple Active Bridge) is built and experimental results are presented to demonstrate the reliability of the mathematical model and to prove the effectiveness of the proposed control strategy.In general, MAB structures are based on voltage converters. However, in some applications, it may be useful to have a current-fed input port due to load characteristics or operational constraints. This leads to a hybrid MAB structure that mixes both current and voltage-fed bridges. In the final part of the manuscript, a novel hybrid-fed MAB converter topology is presented and evaluated. Its mathematical model is developed and a control strategy is proposed. Simulation results are provided in order to validate the presented theoretical study

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans la problématique de développement de transformateurs planar pour l’intégration de puissance, dans le contexte de l’avion plus électrique (More Electric Aircraft – MEA) où les contraintes de volume et de poids sont primordiales. Les composants magnétiques restent en effet un frein à l’intégration des systèmes d’Electronique de Puissance et les composants planar (transformateurs et inductances) offrent une alternative intéressante aux composants bobinés pour la réduction de la taille des convertisseurs.Dans ce manuscrit, des méthodes, un outil de dimensionnement et des prototypes de transformateurs planar (2 et 3 enroulements) en technologie feuillard et PCB sont développés pour des applications de convertisseur DC/DC aéronautique. Dans un premier temps, les modèles permettant le calcul des pertes, l'estimation de l'élévation de température et le calcul de l’inductance de fuite sont présentés et comparés afin de concevoir des outils de calculs pour la conception. Dans un deuxième temps, il est montré que la modification de la forme des angles des spires rectangulaires permet de réduire significativement les pertes cuivre HF. Sur la base de ces outils et résultats, des prototypes de transformateurs planar à 3 enroulements en PCB multicouches sont développés. De nombreux prototypes sont caractérisés et valident les modèles de dimensionnement proposés. Enfin, l’un de ces prototypes est intégré et testé dans un convertisseur de puissance DC/DC de 3.75kW mettant en évidence les gains obtenus<br>These thesis works deal with the issue of the planar transformers development for power integration, in the context of the More Electric Aircraft (MEA), where the constraints of volume and weight are paramount. Magnetic components remain a hindrance to the integration of Power Electronics systems and planar components (transformers and inductors) offer an interesting alternative to wound components for reducing the size of converters.In these works, methods, a sizing tool and prototypes of planar transformers (2 and 3 windings) in strip and PCB technology are developed for aeronautical DC / DC converter applications. Firstly, the models allowing the calculation of the losses, the estimation of the temperature rise and the calculation of the leakage inductance are presented and compared in order to design calculation tools for engineers. In a second step, it is shown that the modification of the shape of the angles of rectangular turns makes it possible to significantly reduce the HF copper losses.Based on these tools and results, prototypes of 3-windings planar transformers in multilayer PCBs are developed. Many prototypes are characterized and validate the proposed designing models. Finally, one of these prototypes is integrated and tested in a DC / DC power converter of 3.75kW highlighting the gains obtained

Dans l'objectif d'une augmentation en puissance des piles à combustible pour satisfaire les besoins énergétiques des applications embarquées, une solution consiste à augmenter la taille des assemblages. Dès lors, des problèmes de disparités fluidique, thermique et électrique peuvent survenir dans le cœur des piles et conduire ainsi à l'apparition de défaut. La pile à combustible, de par sa nature de source électrique basse tension - fort courant, requiert d'être couplée au réseau électrique embarqué par l'intermédiaire d'un convertisseur statique. Ce dernier peut alors être employé pour agir de façon corrective sur la pile et aussi de corriger les défaillances qui en sont liées. Dans cette perspective, le convertisseur doit avoir en permanence un retour sur l'état de santé de la pile. Pour cela, une méthode de détection et d'identification de défaut de type noyage et d'assèchement pour une pile du type PEMFC a été approfondie. Cette méthode simple, économique en capteurs, se base sur la mesure de 3 tensions de cellule judicieusement sélectionnées et localisées sur la pile. Ainsi, l'utilisation de l'information " spatiale ", qui correspond à la position de la mesure de tension dans la pile permet d'identifier les défauts. Le principe de la détection localisée nous amène alors à considérer le concept de pile segmentée qui consiste à séparer électriquement la pile en 3 parties de façon à ce que des convertisseurs associés puissent agir électriquement sur chaque segment. L'action peut être du type tout ou rien, ou contrôlée. Cette dernière offre davantage de degrés de liberté, et est moins contraignante pour la pile d'un point de vue électrique. Pour choisir comment réaliser cette action, une étude comparative de plusieurs topologies de convertisseur est effectuée. Les structures alimentées en courant répondent au mieux aux contraintes électriques d'une PEMFC et sont donc privilégiées, de même que la nécessité d'une isolation galvanique imposée par la segmentation de la pile. Au final, une topologie de BOOST isolé résonant est apparue comme étant la topologie répondant au mieux à l'ensemble des critères (plage de fonctionnement, performances énergétiques, nombre de composants). L'ensemble convertisseur global intègre ainsi trois structures unitaires qui permettent d'offrir une modularité, une action indépendante sur chaque segment et de garantir une disponibilité du système grâce à un fonctionnement dégradé. Pour cela, la stratégie de commande de l'ensemble convertisseur intègre les informations issues de la méthode de détection. La thèse se termine avec le dimensionnement complet d'un pré-prototype du convertisseur avec le choix des composants actif et passifs, et du système de refroidissement associé.

Cette thèse traite l’étude et le contrôle d’un hacheur élévateur à 6 phases entrelacées basé sur des semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC) et des inductances couplées inverses pour véhicules électriques à pile à combustible (FCEV). . L'ondulation du courant dans la pile est combustible est considérablement réduite et la durée de vie de celle-ci peut être prolongée. Les semi-conducteurs en SiC, en raison de leurs faibles pertes, permettent de meilleures performances thermiques et une fréquence de commutation plus élevée. Les volumes des composants passifs (inductances et condensateurs) sont ainsi réduits. Grâce aux inductances à couplage inverse, les pertes du noyau magnétique et du bobinage sont réduites.La stratégie de contrôle par mode glissant est développée en raison de sa grande robustesse face aux variations de paramètres. La fonctionnalité de détection en ligne de spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE) est intégrée avec succès à l’algorithme de contrôle par mode glissant.La validation HIL (Hardware In the Loop) en temps réel du convertisseur proposé est obtenue en implémentant la partie puissance dans le FPGA et la partie commande dans le microprocesseur du système de prototypage MicroLabBox de dSPACE. La comparaison entre la simulation hors ligne et la validation HIL a démontré le comportement dynamique du convertisseur proposé et validé la mise en œuvre du contrôle dans un contrôleur en temps réel avant de futurs tests sur un banc d'essai expérimental à échelle réduite<br>The objective of this thesis work is devoted to the design and control of a DC/DC boost converter for Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) application. A 6-phase Interleaved Boost Converter (IBC) based on Silicon Carbide (SiC) semiconductors and inversed coupled inductors of cyclic cascade structure is proposed. The input current ripple is reduced significantly and the lifespan of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) can be extended. Low power losses, good thermal performance and high switching frequency have been gained by the selected SiC-based semiconductors. The volumes of passive components (inductors and capacitors) are reduced. Thanks to the inverse coupled inductors, the core losses and copper losses are decreased and the compact magnetic component is achieved.Sliding-Mode Control (SMC) strategy is developed due to its high robust to parameter variations. on-line Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) detection functionality is successfully integrated with SMC. No additional equipment and sensor is required.The real-time Hardwar In the Loop (HIL) validation of the proposed converter is achieved by implement the power part into the FPGA and the control into the microprocessor in the MicroLabBox prototyping system from dSPACE. The comparison between off-line simulation and HIL validation demonstrated the dynamic behavior of the proposed converter and validated the implementation of the control into a real time controller before future tests on experimental test bench

Dans cette thèse inscrite dans le cadre de la chaire Renault-Centrale Nantes, l’objectif est de concevoir des stratégies de contrôle pour améliorer les performances et le rendement du chargeur réversible du Véhicule Electrique (VE). Dans le mode décharge, le nouveau défi consiste à concevoir une stratégie de Modulation par Décalage de Phase (MDP) pour améliorer la zone de fonctionnement et le rendement du convertisseur DC-DC. La loi de commande est basée sur l’inversion de gain du convertisseur DC-DC LLC. Du point de vue coût, la contribution porte essentiellement sur la conception d’une stratégie d’optimisation pour diminuer le dimensionnement du convertisseur DC-DC LLC mais aussi d’améliorer les performances de la stratégie de Modulation par Fréquence d’Impulsion (MFI). Ensuite, un développement d’un modèle grand signal du convertisseur LLC basé sur la stratégie MDP est élaboré. La contribution principale consiste à implémenter des stratégies du contrôle robuste, telles que la commande sans modèle et la commande adaptive super twisting, combinées avec la stratégie MDP. D’autre part, l’apport principal conduit à fournir une stratégie de contrôle hybride du chargeur afin de réguler la tension du bus DC dans les zones de saturation du convertisseur DC-DC. Enfin, une nouvelle topologie d’un chargeur VE avec la structure DAB est étudiée. Une stratégie de contrôle en cascade est proposée pour régler le bus DC et le courant réseau. Différentes stratégies de modulation, telles que les modulations par décalage d’un ou de deux déphasages, sont étudiées. Des résultats de simulation de modèles de chargeurs réels sont présentés afin de mettre en évidence l’efficacité des stratégies de contrôle proposées<br>In this thesis, part of the chair Renault/Centrale Nantes, the aim is to design control strategies to improve the performance and efficiency of the bidirectional charger of the Electric Vehicle (EV). In the discharging mode, the new challenge is to design a Phase Shift Modulation (PSM) strategy to improve the operating zone and efficiency of the DC-DC converter. The control law is based on the DC-DC LLC gaininversion. In terms of cost, the contribution is mainly about the design of an optimization strategy, not only to reduce the sizing of the DC-DC LLC converter, but also to improve the performance of the Pulse Frequency Modulation (PFM) strategy. Then, a large signal model of the LLC converter based on the PSM strategy is developed. The main contribution consists of implementing robust control strategies, such as model-free control and adaptive super twisting control, combined with the PSM strategy. On the other hand, the key contribution leads to provide a hybrid control strategy of the charger in order to be able to regulate the DC bus voltage in the saturation zones of the DC-DCconverter. Finally, a new topology of an EV charger with the DAB structure is studied. A backstepping control strategy is proposed to regulate the DC bus voltage and the grid current. Different modulation strategies, such as single and dual phase shift modulation,are studied. Simulation results of real charger models are presented in order to highlight the effectiveness of the proposed control strategies

La pile à combustible (PAC) est une technologie maintenant maîtrisée qui permet de convertir efficacement le combustible hydrogène en énergie électrique et thermique avec un faible impact environnemental. L'extension de son utilisation dépend fortement de la qualité de l'interface électronique de puissance qui a pour l'objet d'adapter la pile à la charge. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de Doctorat s'intéresse à la conception d'une interface électronique de puissance pour la pile à combustible pour les trois domaines d'applications : télécommunication, transport et stationnaire. <br />Dans cette objective, l'approche modulaire, qui se base sur l'étude des convertisseurs unitaires et leurs modes de connexion, a été proposée afin de s'adapter à la modularité des stacks de PAC. Des modèles de pertes et de dimensionnement des composants passifs et semi conducteurs ont été construits. La technique de l'entrelacement est introduite afin de résoudre le problème de fort courant et permet d'optimiser le dimensionnement des inductances. Une nouvelle structure nommée double BOOST dual entrelacé (Interleaved Double Dual BOOST – IDD BOOST) a été proposée afin de résoudre les difficultés d'un convertisseur modulaire présentant une tension de sortie élevée et un rapport de tension important. Les stratégies de contrôle – commande multi sources ont été étudié en adaptant aux topologies de l'interface de puissance. Deux prototypes ont été réalisés afin de valider les résultats de prédiction de pertes ainsi que le contrôle commande multi sources.

Les réseaux modernes de radiocommunication utilisent des signaux modulés complexes à forte efficacité spectrale et offrent des débits de donnés importants avec en contrepartie, des facteurs de crête élevés. Ce dernier paramètre dégrade fortement le rendement moyen des amplificateurs, la dissipation thermique est de fait augmentée limitant ainsi les perspectives de miniaturisation, de réduction des coûts et de fiabilité des amplificateurs. Ce travail présente la conception d’un amplificateur de puissance RF &gt;40W en bande L/S miniaturisé. Ce composant a spécifiquement été réalisé pour être compatible avec un système d’amélioration de rendement de type suivi d’enveloppe. Pour répondre à ce besoin, une approche de miniaturisation quasi-MMIC en boitier plastique, composée d’une partie active HEMT GaN 0.25µm sur SiC, et de circuits passifs d’adaptation en AsGa (ULRC-20) ont été retenus. Une architecture de suivi d’enveloppe de type multi-phases a ensuite été développée dans le but d’être associée à cet amplificateur et fonctionner avec des signaux modulés 5G complexes, large-bande à forts niveaux de PAPR (&gt;8dB)<br>Modern radio communication networks use complex modulated signals with high spectral efficiency, offering significant data rates. However, this comes at the expense of high peak factors.This latter parameter significantly degrades the average efficiency of amplifiers, leading to increased thermal dissipation, thereby limiting prospects for miniaturization, cost reduction, and reliability of the power amplifier. This work presents the design of an RF power amplifier &gt;40W in the L/S band. This component has been specifically developed to be compatible with an envelope tracking efficiency enhancement system. To meet this requirement, a quasi-MMIC miniaturization approach in a plastic package, comprising a GaN HEMT 0.25µm on SiC active part, and passive adaptation circuits in AsGa (ULRC-20), have been selected. A multi-phase envelope tracking architecture has subsequently been developed to be associated with this amplifier and operate with complex 5G modulated signals, wideband with high PAPR levels (&gt;8dB)

Détection de défaut d'arcs intégrée dans un convertisseur intelligent contrôlé par FPGA pour les panneaux photovoltaïques. La mise au point de convertisseur intelligents intégrant des dispositifs de protection est une thématique que cherche à développer l'Institut Technologique de Morelia (Mexique) avec laquelle nous collaborons sur ce projet. L'objectif plus spécifique de ce travail repose sur la détection de défauts d'arc électrique en se basant sur le contrôle intelligent des onduleurs utilisés dans la gestion de l'énergie produite par des panneaux photovoltaïques. Depuis plusieurs années, le développement croissant des panneaux solaires photovoltaïques comme source d’énergie s’est imposé et la sécurité de ces dispositifs liée à la détection de défauts d’arcs électriques est devenu un enjeu majeur. L'approche que nous proposons dans ce travail est le développement d'une stratégie novatrice pour la surveillance et la prédiction de défaillance du réseau électrique constitué de panneaux solaires en présence de défauts d’arcs. Actuellement, la majorité des systèmes de détection comprennent des modules détecteurs disposés dans le circuit électrique à protéger dont la robustesse est loin d'être optimale. L'approche que nous proposons consiste à développer un dispositif de surveillance et de détection de défaut directement intégré dans l'onduleur intelligent. Le contrôle optimal de l'onduleur intelligent assurera une détection fiable de défaut d'arc sans déclenchement intempestif. Le dispositif comprendra également un système de coupure. La méthode de détection que nous privilégions sera basée sur l'analyse du courant et de la tension de ligne. Les algorithmes seront basés sur une analyse temps/fréquence des signatures courant et de tension suivie par une logique pertinente de décision de telle manière à minimiser le taux de fausses détections.Le noyau du convertisseur intelligent est constitué par un FPGA. Le parallélisme des traitements de données assurera le respect des contraintes temps réel. Dans le cadre du projet de thèse, la mise en œuvre, le test des algorithmes de détection et l’implémentation optimale afin de respecter les contraintes temps réel dans le FPGA sera mené dans le cadre d’une cotutelle de thèse entre l’institut technologique de Morelia et l’Université de Lorraine<br>In this research work, the development of a multilevel inverter for PV applications is presented. The PV inverter, has two stages one DC/DC converter and one DC/AC inverter, and is capable of generating an AC multilevel output of nine levels, it's a transformerless inverter and uses a reduced number of components compared to other topologies. The conception of a novel DC/DC converter is capable of generating two isolated DC voltage levels needed to feed the DC/AC stage. This DC/DC stage is developed in two variants, buck and boost, the _rst to perform the reduction of voltage when the DC bus is too high, and second to increase the voltage when the DC bus is too low to perform interconnection with the grid through the DC/AC inverter. This is achieved thanks to the parallel functioning of the developed topology, which make use of moderated duty cycles, that reduces the stress in the passive and switching components, reducing potential losses. The validation of the PV inverter is performed in simulation and experimental scenarios. In the other hand, the response of the inverter facing an arc fault in the DC bus is studied by performing a series of tests where the fault is generated in strategic points of the DC side, this is possible thanks to the design and construction of an arc fault generator based in the specifications of the UL1699B norm. During the tests is observed that with the apparition of an arc fault, there is a lost in the half-wave symmetry of the AC multilevel output voltage waveform, generating even harmonics which aren't present during normal operation, only when an arc fault is present in the DC system. The monitoring of even harmonics set the direction for developing the detection technique. Since the magnitude of even harmonics in the inverter is very low, the total even harmonic distortion is employed as a base for the detection technique presented in this thesis. The effectiveness of this method is verified with a series of tests performed with different loads