Contribution à l`Optimisation des Structures de Conversion DC/DC

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Nancy Université - Institut National Polytechnique de Lorraine
Ecole Doctorale « Informatique - Automatique - Electronique - Electrotechnique - Mathématiques »
Département de Formation Doctorale « Electronique Electrotechnique »
Thèse
Présentée à
L’Institut National Polytechnique de Lorraine
En vue de l’obtention du titre de
DOCTEUR de l’INPL
Spécialité : Génie Electrique
par
Ahmed Eid Moussa SHAHIN
CONTRIBUTION A L’OPTIMISATION DES
STRUCTURES DE CONVERSION DC/DC
NON ISOLEES
Soutenue publiquement le 8 Juillet 2011 devant la commission d’examen
Membres du Jury :
Président : BACHA Séddik
Rapporteurs : MACHMOUM Mohamed
IDIR Nadir
Examinateurs : DAVAT Bernard
PIERFEDERICI Serge
MARTIN Jean-Philippe
Thèse préparée au Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy
Laboratoire GREEN (Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy) - Ecole Nationale
Supérieure d'Electricité et de Mécanique – I. N. P. L- 2. Avenue de la Forêt de Haye 54516 Vandœuvre-lès-
Nancy Cedex

Remerciements
Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au Groupe de Recherche
en Électrotechnique et en Électronique de Nancy (GREEN), au sein de l’École
Nationale Supérieure d’Électricité et de Mécanique (ENSEM) de Nancy.
Je remercie tout d’abord Monsieur Mohamed MACHMOUM, Professeur des
Universités, Responsable du Site de Saint Nazaire de l’Institut de recherche en
électrotechnique et électronique de Nantes Atlantique (IREENA), Université de
Nantes, ainsi que M. Nadir IDIR, Professeur des Universités au Laboratoire
d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance (L2EP), Université de Lille,
d’avoir accepté de rapporter sur ce travail et pour l'intérêt qu'ils y ont porté.
J’adresse mes plus vifs remerciements à M. Séddik BACHA Professeur des
Universités au Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2ELab),
Université Joseph Fourier Grenoble, qui m’a fait l’honneur de présider le jury de
ma thèse, et Professeur Bernard DAVAT Professeur des Universités au GREEN,
Université de Nancy - INPL, qui a accepté d’être examinateur pour ma thèse.
Je remercie particulièrement et très chaleureusement M. Serge
PIERFEDERICI, Professeur des Universités au GREEN, Université de Nancy -
INPL, pour avoir encadré et dirigé ces travaux et pour sa disponibilité et ses
conseils avisés pour la commande du système, et pour la confiance qu’il m’a
accordée tout au long de cette thèse.
Je remercie particulièrement et très chaleureusement M. Jean-Philippe
Martin, Maître de conférences au GREEN, Université de Nancy - INPL, d’avoir
co-encadré cette thèse, pour son enthousiasme et tous les précieux conseils qu'il
a portés, des heures durant, sur ces travaux.
J’exprime également ma gratitude au personnel administratif, aux secrétaires,
aux techniciens et à l’ensemble des chercheurs du GREEN pour leur aide, leur
gentillesse, les bons moments passés ensemble et pour tout ce qu’ils ont pu
m’apporter durant ces années.
Je remercie également, ma famille et mes amis, pour leur aide dans la
réalisation de ce travail, leur assistance et leur immense soutien moral et affectif
pendant toutes ces années.
Ahmed SHAHIN
Juillet 2011
Nancy, France

SOMMAIRE

SOMMAIRE
1
SOMMAIRE 1
introduction Générale 6
Chapitre 1: Généralité sur les Structures de Conversion à Haut Ratio d’Elévation sous
Contraintes
1.1.Introduction 8
1.2. Introduction Générale sur la Pile à Combustible 8
1.2.1 Principes de Fonctionnement des Piles à Combustible 9
1.2.2 Les différents Types des Piles à Combustible 9
1.2.3. Pile à Combustible à Membrane Echangeuse de Protons (PEMFC) 10
1.2.4. Contraintes Inhérentes à l’Utilisation de PAC de Type PEM 11
1.2.5. Caractéristique Statique des Piles à Combustible de Type PEM 12
1.3. Convertisseur d’Interface pour Pile à Combustible 15
1.3.1. Présentation des Systèmes de Conversion de Puissance 15
1.3.2. Convertisseurs non-Isolés non-Couplés 16
1.3.2.1. Convertisseur Boost Dual Entrelacé 16
1.3.2.2. Doubleur de Tension 17
1.3.2.3. Convertisseur Elévateur avec Cellules Multiplicatrices de Tension. 17
1.3.3. Convertisseur Isolées non-Couplées 18
1.3.3.1. Convertisseur Isolé Bidirectionnel Dédié à des Applications de Moyenne Puissance 19
1.3.3.2. Convertisseurs Continu-Continu Isolés avec Commutations Douces 19
1.3.3.3. Convertisseur Isolé avec Interrupteur Résonant 20
1.3.4. Convertisseur non Isolé avec Eléments Inductifs Couplés 20
1.3.4.1. Convertisseur Elévateur Entrelacés avec Inductances Couplés 21
1.3.4.2. Convertisseur Elévateur avec Inductance Couplée et Circuit Actif de Clamping 21
1.3.4.3. Convertisseur Elévateur Entrelacé avec Circuit Actif Commun de Clamping
(Common Active-Clamp)
22
1.4. Convertisseur à Haut Ratio Etudié dans ce Mémoire 23
1.4.1. Structure Proposée 23
1.4.2. Présentation des Structures de Conversion Utilisée 23
1.5. Conclusion 26
1.6. Référence 27
Chapitre 2: Modélisation et Estimation des Pertes dans un Convertisseur DC/DC Non-Isolé
2.1. Introduction 30
2.2. Modélisation des Pertes dans un Convertisseur non-Isolé 30
2.2.1. Prise en Compte des Composants Parasites pour les Différents Eléments 30
2.2.2 Calcul des Pertes en Conduction 31