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 1 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 2 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) Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 3 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 4 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 ». Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 5 2) Modélisation et pilotage des onduleurs de tension triphasés à deux niveaux (approches vectorielle et intersective) Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 6 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 7 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 8 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 9 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 10 Approche intersective de la MLI L’implantation des stratégies MLI est généralement fondée sur une approche intersective héritée des circuits de commande initialement analogiques Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 11 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 12 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 13 3) L’impact de la MLI sur l’onduleur Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 14 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 15 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) Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 16 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). Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 17 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). Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 18 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 19 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 %) Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 20 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 21 4) L’impact de la MLI sur l’aval Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 22 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 23 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. Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 24 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 25 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 26 5) L’impact de la MLI sur l’amont Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 27 Onduleur basse tension/ forts courants Valeo Condensateurs du bus DC Onduleur Toyota Prius Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 28 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) Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 29 Modèles électrique et thermique du condensateur Re[Z] = ESR Structure physique Anode (gravée) Oxyde Pj = ESR.IRMS2 Modèle thermique Cathode Papier + Electrolyte Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 30 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 31 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 Déphasage courant/tension de la charge 32 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) Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 33 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 34 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 35 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 36 Analyse de fonctionnement Thèse UTC – T. D. Nguyen, 2011 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 37 Résultat obtenu Courant efficace dans les condensateurs / Î (Amplitude des courants dans la charge) Thèse UTC – T. D. Nguyen, 2011 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 38 Gain par rapport à une SVPWM Thèse UTC – T. D. Nguyen, 2011 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 39 Réduction des pertes Identique à celle obtenue avec une GDPWM classique Thèse UTC – T. D. Nguyen, 2011 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 40 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 Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 41 Merci de votre attention Contraintes du convertisseur Stratégie de modulation Contraintes de l’aval Contraintes de l’amont Journée d'étude "Power Electronics : Enabling Technology" - 24 mars 2014 42