Guepratte Kevin Thèse 2011

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : EEATS / GENIE ELECTRIQUE
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
« Kevin GUEPRATTE »
Thèse dirigée par « Jean-Paul FERRIEUX » et
codirigée par « Pierre-Olivier JEANNIN et David FREY»
Préparée au sein du Laboratoire de Génie Electrique de
Grenoble (G2Elab) et Thales Systèmes Aéroportés, dans
l'École Doctorale EEATS “Electronique, Electrotechnique,
Automatique, Télécommunication, Signal”.
Onduleur triphasé à structure
innovante pour application
aéronautique
Thèse soutenue publiquement le « 14 Mars 2011 », devant le jury
composé de :
M. Alain BERTHON
Professeur au laboratoire L2ES,
Belfort,
Président
M. Guillaume GATEAU
P
rofesseur au laboratoire Laplace,
Toulouse,
Rapporteur
M. Alfred RUFER
Professeur au laboratoire EPFL,
Lausanne,
Rapporteur
M. Jean-Paul FERRIEUX
Professeur au laboratoire G2Elab,
Grenoble,
Membre
M. David FREY
Maître de Conférences au laboratoire G2Elab,
Grenoble,
Membre
M. Pierre-Olivier JEANNIN
Maître de Conférences au laboratoire G2Elab,
Grenoble,
Membre
M. Hervé Stephan
Expert technique à Thales Systèmes Aéroportés,
Brest,
Invité

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Résumé :
En aéronautique, les contraintes sont telles que la masse des filtres peut représenter
jusqu'à 50% de la masse totale du convertisseur. Ces dernières années, les convertisseurs
multicellulaires parallèles entrelacés et magnétiquement couplés ont conduit à améliorer les
performances des convertisseurs (densité de puissance, efficacité, dynamique,...). De
nombreuses topologies de filtrages entrelacés existent, l'objectif principal de cette étude est de
trouver parmi ces topologies celles qui sont les mieux adaptées à la réalisation d’un onduleur
de tension 110Veff / 400Hz triphasé 25kVA. Il est démontré que le choix du type de matériau
magnétique a un impact déterminant sur le poids, le volume et les pertes du convertisseur. Qui
dit parallélisation, dit multiplication du nombre de semi-conducteurs. Ces nouvelles structures
doivent garantir à la fois un rendement élevé, une masse faible et une continuté de
fonctionnement, même en cas de panne d’un semiconducteur de puissance ou de sa
commande. Mais coupler les phases entre elles, impose un lien indissociable qui peut être
nuisible au fonctionnement de la structure en cas de dysfonctionnement. Des solutions
existent et sont abordées dans l’étude. Enfin, la réalisation pratique d'un prototype semi-
industriel de convertisseur triphasé utilisant des transformateurs interphases est présentée. Il
s’agit d’un onduleur réseau avionique triphasé avec reconstruction de neutre pour fonctionner
en déséquilibré. Les résultats expérimentaux démontrent l’avantage d’un convertisseur
entrelacé comparé à une solution classique.
Mots-clés :
• Convertisseur multicellulaire parallèle entrelacé
• Convertisseur multicellulaire série
• Coupleur magnétique
• Transformateur Inter-phases
• Coupleur monolithique
• Onduleur / PFC
• FPGA / DSP

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Abstract:
In aeronautics field, the constraints are such as the mass of the filters can represent up
to 50% of the total mass of the converter. During the last years, magnetic coupled interleaved
converters enhances performances (power density, efficiency, transient response). It existe
several possibilities for use interleaved coupled topologies that use inter-phase transformer
exist, the main objective of this study is to find among these topologies the best adapted
configuration in the context of a three-phase voltage inverter 110Veff/400Hz 25kVA. The
choice of the magnetic material type has a great impact on determining the weight, the
volume and the losses of the converter. Parallelization leads to increase the semiconductor
number. These new structures must guarantee at the same time a raised efficiency, a low mass
and a great reliability, even in the event of case of breakdown of a power semiconductor or
his driver circuit. But coupleing the phases between themselve, imposes a dangerous strong
link on the structure operation in event of default. Solutions exist and are presented in the
study. Lastly, the implementation of a semi-industrial of three-phase converter using inter-
phases transformers is performed. This inverter has been desinging to be use on a three-phase
avionics inverter network with rebuilding of neutral in case of unbalancing. Experimental
results show the advantage of an interleaved converter compared with a conventional solution.
Key words:
• Parallel multicell interleaved converter
• Magnetic coupler
• Inter-phases transformer
• Monolithic coupler
• Inverter/PFC
• FPGA/DSP

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Remerciements :
Tout d’abord, je remercie Monsieur James Roudet, directeur du G2ELab pour m’avoir
accueilli au sein du laboratoire.
Je souhaite également remercier les personnes que j’ai côtoyées au laboratoire,
notamment celles avec qui j'ai eu ou j'ai encore l'occasion de travailler (thèse et
enseignement) et d'autres avec qui j’ai simplement discuté. Elles se reconnaîtront. Je ne citerai
pas de noms au risque d’en omettre car ils sont très nombreux.
Je remercie aussi Pierre-Olivier Jeannin et David Frey du G2Elab qui me suivent
depuis mes premières années universitaires, qui m’ont fait confiance et m’ont permis de
participer à plusieurs projets. Sans eux, je n’aurais sûrement pas passé ce séjour au G2Elab et
n’aurais jamais travaillé pour Thales. Leurs tâches ne furent pas toujours des plus faciles de
part le contexte industriel du projet.
Je remercie particulièrement Hervé Stéphan de m’avoir donné l’opportunité de
travailler à Thales au court de la thèse, mais surtout de m’avoir fait suffisamment confiance
pour continuer l’aventure à Brest. Il est toujours à l’écoute des innovations et nouveautés et
me permet d’y participer. Je fais aussi un clin d’œil aux personnes de Thales, techniciens et
ingénieurs que j’ai rencontrés durant ces trois années et à ceux que je fréquente
quotidiennement aujourd’hui.
Je remercie naturellement Jean-Paul Ferrieux et l’équipe électronique de puissance
pour m’avoir fait confiance au sein du laboratoire G2Elab.
Je remercie les rapporteurs Alfred Rufer et Guillaume Gateau qui ont eu la lourde
tâche de rapporter ma thèse, et pour le temps conséquent qu’ils ont consacré à la correction de
ce manuscrit. Enfin, merci à Alain Berthon d’être venu de Belfort pour présider le jury sur
cette thése.

Sommaire
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Sommaire :
Table des figures 9
Acronymes 17
Introduction 18
Contexte 21
I. Synthèse des réseaux aéronautiques ...................................................................... 21
a) Avion de plus en plus électrique .................................................................... 21
b) Besoin en électronique de puissance .............................................................. 22
Chapitre 1. Structures de conversions d’énergies .................................................... 25
1.1. Introduction .......................................................................................................... 25
1.2. Structure de conversion type Buck ........................................................................ 26
1.3. Convertisseur multicellulaire ................................................................................. 27
1.3.1. Convertisseur multicellulaire série N niveaux ................................................ 28
1.3.2. Convertisseurs multicellulaires parallèles ...................................................... 32
1.4. Similarité entre convertisseurs Buck et Boost multi-phases ................................... 37
1.5. Structure de conversion triphasée .......................................................................... 40
1.6. Conclusion ............................................................................................................ 42
Chapitre 2. Structures de conversions parallèles...................................................... 43
2.1. Introduction .......................................................................................................... 44
2.2. Couplage magnétique (filtre de sortie) ................................................................... 47
2.2.1. Méthode d’analyse temporelle ....................................................................... 47
2.2.2. Méthode d’analyse fréquentielle .................................................................... 49
2.2.3. Alimentation permutée [Costan 2008] ........................................................... 57
2.3. Couplage par transformateur ................................................................................. 61
2.3.1. Montage matrice complète............................................................................. 63
2.3.2. Montage cascade cyclique (Chaîne fermée) ................................................... 64
2.3.3. Conclusion partielle et analyse des montages précédents ............................... 65
2.3.4. Détermination des courants et flux de phases ................................................. 66
2.3.5. Pertes fer dans les transformateurs de couplage ............................................. 69
2.4. Couplage monolithique ......................................................................................... 77