Contrôle MLI des onduleurs – les stratégies et leur impact

Contrôle MLI des onduleurs – les
stratégies et leur impact sur le
convertisseur et son environnement
Applications à énergie embarquée
Nicolas Patin, UTC/LEC
Journée d'étude "Power Electronics :
Enabling Technology" - 24 mars 2014
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Plan de la présentation
1) Le contexte de la présentation
2) Modélisation et pilotage des onduleurs de
tension triphasés à deux niveaux (approches
vectorielle et intersective)
3) L’impact de la MLI sur l’onduleur
4) L’impact de la MLI sur l’aval
5) L’impact de la MLI sur l’amont
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Enabling Technology" - 24 mars 2014
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1) Le contexte de la
présentation
Applications :
Onduleurs embarqués pour des moteurs de traction
de véhicules (plus spécifiquement automobiles)
électriques ou hybrides
Contraintes :
• Poids/Encombrement réduit (autant que possible)
• Coût réduit (autant que possible)
• Fiabilité élevée requise (durée de vie souhaitée :
celle du véhicule)
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Périmètre du convertisseur
L’onduleur sera considéré ici comme l’ensemble constitué des interrupteurs
électroniques (MOSFET ou IGBT et diodes) uniquement même si les passifs
(condensateurs de lissage du bus DC) sont intégrés.
Ces derniers sont considérés comme faisant partie de l’amont au même titre
que la batterie et du câble DC.
La machine de traction alimentée (et les câbles associés) sera considérée
comme l’aval.
L’amont
L’aval
Le convertisseur
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Critères d’évaluation de
« performances » d’un onduleur
À topologie fixée (onduleur triphasé à deux niveaux), les degrés de liberté
possibles pour améliorer l’alimentation de la charge ou pour réduire les pertes
dans les composants (ou tout du moins faire en sorte qu’ils puissent
fonctionner dans un environnement à haute température) se limitent à 3 grands
axes :
Améliorer la technologie des semiconducteurs (SiC par exemple),
Augmenter la fréquence de découpage (pour réduire les ondulations des
courants dans la charge) mais ce degré de liberté est fortement lié aux
performances des semiconducteurs et augmente les pertes par
commutations,
Agir sur la stratégie de pilotage de l’onduleur à fréquence de découpage
donnée.
Ce dernier axe présente l’avantage d’être relativement indépendant des limites
physiques du système et d’être économiquement « indolore ».
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2) Modélisation et pilotage des onduleurs de
tension triphasés à deux niveaux
(approches vectorielle et intersective)
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Modélisation d’un onduleur
On introduit la notion de fonction de
connexion associée à chaque bras de pont
qui est caractérisé par la fermeture d’un
i = i .c
interrupteur
0
x
x
Fonction de connexion : cx
• cx = 1 si Kx passant
• cx = 0 sinon
Kx
U0
x
Kx
M
ix
vxM = U0.cx
Hypothèses :
• Interrupteurs idéalisés
• Commutations instantanées
sans temps morts
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Représentation vectorielle
Les propriétés précédentes nous permettent
d’écrire
æ c ö
a
æ v ö
ç
÷
a
N
ç
÷ = U .T t . ç c ÷
0 32
b
ç vb N ÷
çç
÷÷
è
ø
è cc ø
Au sens de Concordia
i0 =
(c
a
cb cc
)
æ i
a
ç
.T32 .
ç ib
è
ö
÷
÷
ø
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Analyse géométrique du courant
de bus continu
L’équation
i0 =
(c
cb cc
a
)
æ i
a
ç
.T32 .
ç ib
è
ö
÷
÷
ø
fait apparaître un produit scalaire entre le vecteur
« courant » diphasé injecté dans la charge
æ c ö
et le vecteur
ç a ÷
T32t . ç cb ÷
çç
÷÷
è cc ø
qui est le vecteur « tension » normalisé appliqué à la charge
(tensions vaN et vbN divisées par U0).
Remarque : (A.B)t = Bt.At
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Une illustration sur une
stratégie classique (SVPWM par
exemple)
On applique classiquement :
• Deux vecteurs actifs
consécutifs
• Un ou deux vecteurs nuls
pour compléter la période
de découpage
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Approche intersective de la MLI
L’implantation des stratégies MLI est généralement fondée sur
une approche intersective héritée des circuits de commande
initialement analogiques
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Approche intersective de la MLI
(II)
L’implantation des stratégies MLI est généralement fondée sur
une approche intersective héritée des circuits de commande
initialement analogiques
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Différences entre approches
intersective et vectorielle
La représentation vectorielle permet
• de mieux visualiser la constitution d’un vecteur « tension »
utile à la charge (maximisation de l’amplitude sans
surmodulation)
• d’analyser facilement le courant absorbé par l’onduleur sur
le bus DC
La représentation intersective
• est plus proche de l’implantation réelle d’une stratégie MLI
• met clairement en évidence les commutations de chaque
bras
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3) L’impact de la MLI sur
l’onduleur
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La thermique : impact majeur sur
l’onduleur
Des modèles thermiques permettent de s’assurer que les
puces de silicium constitutives des transistors et diodes de
l’onduleur ne dépassent pas une température critique en
fonction de :
• La puissance dissipée dans les composants
• La température ambiante (qui peut être élevée)
Cette dernière (parfois élevée) étant souvent imposée par le
circuit de refroidissement (partagé avec le moteur
thermique dans un véhicule hybride par exemple), le seul
degré de liberté réel porte sur les pertes dans les
composants
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Pertes dans les composants
Les pertes dans les interrupteurs électroniques de puissance
sont de deux natures :
• Pertes par conduction
• Pertes par commutation
Les pertes par conduction sont liées aux courants injectés
dans la charge et donc imposés par l’application. Leur
réduction passe par un changement des interrupteurs
(technologie)
Les pertes par commutation sont liées à
• À la fréquence de découpage
• À la tension et au courant commutés (si une
commutation a lieu)
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Réduction des pertes par
commutation
Les pertes par commutation sont les seules réellement
contrôlables avec une stratégie MLI.
Diverses techniques permettent de réduire la fréquence des
commutations (et donc réduire les pertes), certaines
fonctionnant à fréquence non imposée (commandes par
hystérésis, MLI D-S par exemple)
Nous nous focaliserons ici sur une technique à fréquence de
découpage fixe permettant de minimiser les pertes et
classique dans son implantation : la MLI discontinue
généralisée (ou GDPWM en anglais).
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Retour sur la modélisation de
l’onduleur
Comme cela a été montré, la charge est insensible à la
composante homopolaire des valeurs moyennes des
commandes cx des bras de pont (rapports cycliques) :
On peut donc ajouter une composante quelconque aux
modulantes « utiles ».
Les MLI discontinues consistent à imposer une modulante
maximale ou minimale (a = 1 ou a =0) à un des bras de pont :
On a systématiquement le choix de bloquer un bras de pont
(parmi 2).
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Principe de la GDPWM
De multiples variantes de MLI discontinues (DPWMx) ont été étudiées
dans la littérature. La MLI discontinue généralisée est celle qui optimise
les pertes par commutation pour n’importe quelle amplitude de tension
et n’importe facteur de puissance de la charge.
Les rapports cycliques aa, ab et ac sont supposés connus.
Calculer l’homopolaire a0 à ajouter :
1. Déterminer l’indice m du rapport cyclique minimal
2. Déterminer l’indice M du rapport cyclique maximal
3. Mesurer les courants im et iM
4. Si |im|>|iM| alors a0 = -am sinon a0 = 1-aM
5. On corrige les rapports cycliques :
1. aa = aa + a0
2. ab = ab + a0
3. ac = ac + a0
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Effet de la GDPWM
On définit une fonction de pertes par commutations (SLF) à partir des
pertes dans un bras de pont que l’on peut écrire sous la forme
Ces pertes sont comparées à celles obtenues pour une stratégie de
référence (par exemple la SVPWM) :
La SLF s’écrit alors (en %)
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Effet de la GDPWM (II)
Résultat indépendant de l’amplitude des tensions
appliquées à la charge (i.e. de l’indice de modulation m)
Réduction des pertes par commutation
de 50% en pratique pour n’importe quel
point de fonctionnement utile)
Déphasage Courant / Tension de la charge
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4) L’impact de la MLI sur
l’aval
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Problématique classique
La MLI est source de distorsions HF dans
tous les cas de figure à cause du
découpage.
On peut bien évidemment évaluer une
stratégie MLI par le spectre obtenu pour une
fréquence de découpage donnée et la
comparer à une autre stratégie pour cette
même fréquence de découpage.
Il existe aussi un critère d’évaluation
synthétique, analogue au TDH, adapté aux
onduleurs triphasés : le flux harmonique
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Principe du flux harmonique
On calcule la différence entre le vecteur tension de référence (consigne décrivant un
cercle en régime permanent sinusoïdal) et le vecteur tension instantané produit par
l’onduleur pour une stratégie MLI donnée.
Cette différence, que l’on peut noter D, est ensuite intégrée (d’où la notion de flux) pour
donner un vecteur noté S dont on évalue la valeur efficace.
Remarque : Sur une période de découpage, si on admet que la MLI a produit au niveau de
la charge un vecteur « tension » moyen égal à la consigne, la trajectoire de S est une
boucle fermée. D’une certaine manière, il s’agit d’évaluer la surface délimitée par la
trajectoire de S pour évaluer la qualité de la MLI en terme de distorsion d’alimentation de
la charge.
Pour une porteuse triangulaire, on note que l’intégrale porte sur Td/2 uniquement.
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Principe du flux harmonique
Afin de normaliser ce résultat vis à vis de la tension du bus continu
et de la fréquence de découpage, on procède à des changements
de variables
avec
Il s’agira donc d’étudier le vecteur normalisé s pour caractériser
une stratégie de modulation indépendamment des autres
paramètres du système. Plus précisément, le flux harmonique yf
est défini comme suit
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Exemple de flux harmonique
Des résultats analytiques ont pu être établis pour des stratégies MLI
simples telles que la SVPWM
On peut toutefois toujours évaluer ce critère de manière
numériquement pour des stratégies plus complexes
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5) L’impact de la MLI sur
l’amont
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Onduleur basse tension/
forts courants Valeo
Condensateurs du bus DC
Onduleur Toyota
Prius
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Problématique des condensateurs
électrolytiques
Les condensateurs électrolytiques utilisés pour le lissage des tensions
continues (en particulier pour les onduleurs) présentent quelques
inconvénients :
• Ils sont volumineux (même s’ils sont plus intéressants de ce point de
vue que les condensateurs « film »)
• Ils sont coûteux (notamment en forte puissance/tension)
• Ils sont fragiles (en particulier du point de vue de la température)
En effet, leur durée de vie supposée est déduite de la loi d’Arrhénius au
moyen de la formule suivante :
DT°C = D85°C.2
85-T
A
Source : Kemet
A et D85°C sont des paramètres
du condensateur
T : Température du point chaud (température interne du condensateur)
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Modèles électrique et thermique du
condensateur
Re[Z] = ESR
Structure physique
Anode
(gravée)
Oxyde
Pj = ESR.IRMS2
Modèle thermique
Cathode
Papier +
Electrolyte
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Bilan : Les condensateurs se dimensionnent en fonction
du courant à traiter et non de l’ondulation de tension
Le paramètre dimensionnant est le courant efficace nominal du
condensateur et non sa capacité.
i0
ibatt
ibatt
icap
i0
icap
Onduleur
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Toutes les stratégies à 2 vecteurs actifs adjacents
(APWM) sont équivalentes du point de vue du stress
des condensateurs
L’approche vectorielle des MLI à montré que les MLI à deux vecteurs
actifs adjacents (ou consécutifs) se différentiaient uniquement par la
façon dont on appliquait les vecteurs nuls V0 et V7 :
• Répartition équilibrée pour la SVPWM
• Répartition déséquilibrée pour la MLI sinusoïdale
• Soit l’un soit l’autre pour les MLI discontinues (et la GDPWM en
particulier)
Par conséquent, l’expression du courant icap efficace est la même pour
toutes ces stratégies :
Indice de modulation
Amplitude des courants dans la charge
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Déphasage courant/tension
de la charge
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Des stratégies à 3 vecteurs consécutifs ou à 2
vecteurs non adjacents doivent être envisagées
Une seule règle est réellement à respecter en pratique pour le
pilotage d’un onduleur : un seul bras doit être commuté à la fois
(des commutations simultanées ne sont pas interdites mais
difficilement garanties en pratique)
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Idée initiale
Les retours à zéro du courant i0 induisent des ondulations fortes
de ce courant : il faut donc éviter l’application des vecteurs nuls.
Thèse UTC – Julien Hobraiche, 2005
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Améliorations
Dans l’hexagone intérieur, il n’est plus possible d’appliquer 3
vecteurs actifs : l’application d’un vecteur nul est obligatoire mais
on peut minimiser la durée d’application
Idée : On applique deux vecteurs
actifs non adjacents
Thèse UTC – T. D. Nguyen, 2011
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Améliorations (II)
En fait, une stratégie unifiée (Uni-DCPWM) consiste à utiliser une
GDPWM à double porteuse :
• Simple à implanter sur un microcontrôleur,
• Performante pour la réduction du courant efficace dans les
condensateurs de découplage,
• Performante pour la réduction des pertes par commutation.
L’algorithme est le même que pour la GDPWM vue précédemment
et les deux bras non bloqués utilisent des porteuses inversées (tout
simplement !) – d’où le nom de stratégie à double porteuse ou
DCPWM (Double Carrier PWM)
Thèse UTC – T. D. Nguyen, 2011
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Analyse de fonctionnement
Thèse UTC – T. D. Nguyen, 2011
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Résultat obtenu
Courant efficace dans les condensateurs / Î (Amplitude des courants dans la charge)
Thèse UTC – T. D. Nguyen, 2011
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Gain par rapport à une
SVPWM
Thèse UTC – T. D. Nguyen, 2011
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Réduction des pertes
Identique à celle obtenue avec une GDPWM classique
Thèse UTC – T. D. Nguyen, 2011
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Mais il y a un prix à payer : la distorsion de
l’alimentation de la charge
Le flux harmonique est nettement plus élevé :
Cela sera notamment source de nuisances acoustiques
Thèse UTC – T. D. Nguyen, 2011
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Merci de votre attention
Contraintes
du convertisseur
Stratégie de
modulation
Contraintes
de l’aval
Contraintes
de l’amont
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