Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Programme doctoral Energie, Institut de génie électrique et électronique IEL (Laboratoire d'électronique industrielle LEI)

Nouveaux mécanismes de commutation pour des structures dédiées aux convertisseurs de puissance de haute efficacité et interrupteurs du futur

Siemaszko, Daniel ; Rufer, Alfred (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2009 ; no 4307.

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    Summary
    Nowadays, the scarcity of cheap energy sources requires a particular effort in optimizing the performance of all conversions. The electric power vector is particulary expected to grow in importance, in conjunction with the development of renewable energy sources. Research in the field of power electronics considers several aspects, including conversion topologies, command strategy as well as the structure and performance of power switches. This work focusses on the power component and the study of dedicated power converting structures. One goal is the use of active switches to replace elements with spontaneous behaviors presenting dissipative phenomena, in order to attempt to reduce switching and conduction losses. Indeed, several works introduce bidirectional monolithic switches adopting new structures, and predict high efficiency components in the near future. On the other hand, the emergence of components without spontaneous properties leads to a redefinition of switching mechanisms in power converters in order to enable the replacement of diodes by active devices. One aspect of this work is the investigation of a close control system including the detection of zero-crossings based on the measurement of both voltage and current in bidirectional switches. A voltage-current representation for the exploitation of experimental results is provided in order to allow for comparison with theoretical behaviors. Several material and internal structure types of components are compared in terms of switching performances. The concept of automatic switching was recently introduced to describe mechanisms based on the detection of non-compliant situations in the switching cell, namely the short-circuit of a voltage source and the opening of a current source. The proposal of applying a new control strategy allows to compensate for the absence of spontaneous extinction. Where sources of a classic switching cell are in a situation of energy exchange or isolation, a third state appears in which source values (converter input/output currents and voltages) are subject to fast changes. The use of passive elements becomes compulsory in order to allow a limitation in the theoretical infinite variations of source values. An intelligent close control system allowing a bidirectional component to switch its state on the basis of measurements of both current and voltage was designed and implemented. An automatic diode with synthesized spontaneous switching functions was studied and experimented for the validation of the proposed self-switching mechanisms model including passive circuits. The use of bidirectional switches allows the extension of conventional converter topologies to new modes of operation. This work presents the modification of a current converter topology traditionally implemented with thyristors, to allow for compensation of reactive power. The spontaneous extinction of thyristors is replaced by a controlled extinction which becomes independent of the polarity of source values. However, the forced opening of the input line inductors current path requires to be absorbed by an input filter whose study is proposed in this work.
    Résumé
    De nos jours, la raréfaction des sources d'énergie bon marché nécessite un effort particulier dans l'optimisation du rendement de toutes les conversions mises en jeu. Le vecteur d'énergie électrique en particulier est appelé à prendre toujours plus d'importance, en liaison avec l'insertion de sources renouvelables. La recherche dans le domaine de l'électronique de puissance considère plusieurs aspects, notamment la topologie des convertisseurs, la stratégie de commande ainsi que la structure et les performances des interrupteurs. Ce travail porte sur la commande du composant de puissance et l'étude de structures de convertisseurs de puissance dédiées. Un des buts est l'utilisation d'interrupteurs actifs en remplacement d'éléments à comportements spontanés présentant des phénomènes dissipatifs afin de tenter de réduire les pertes en conduction et en commutation. En effet, plusieurs résultats de recherche présentent des interrupteurs bidirectionnels monolithiques adoptant de nouvelles structures et promettent des composants de haute efficacité pour un futur proche. Par contre, l'apparition d'éléments aux propriétés de commutation spontanée inexistantes amène à une redéfinition des mécanismes de commutation afin de permettre le remplacement de la fonction de diode. Un aspect de ce travail est l'investigation d'une commande rapprochée utilisant des circuits de détection de passages par zéro des grandeurs mesurées aux bornes d'interrupteurs bidirectionnels. Une représentation tension-courant pour l'exploitation de résultats expérimentaux est proposée afin de permettre la comparaison avec les comportements prévus théoriquement. Les performances en commutation de plusieurs types de composant différenciés par leur matériau et leur structure interne sont comparées. Le concept de la commutation automatique a été introduit récemment pour décrire des mécanismes basés sur la détection de situations non conformes dans la cellule de commutation, à savoir le court-circuit d'une source de tension et l'ouverture d'une source de courant. La proposition de l'application d'une nouvelle stratégie de commande permet de combler l'absence d'extinction spontanée. Là où les sources d'une cellule de commutation classique se trouvent dans un état d'échange d'énergie ou d'isolement, un troisième état apparaît où les grandeurs de source se trouvent dans une situation de non-conformité. La question de l'utilisation d'éléments passifs devient primordiale afin de permettre une limitation dans la variation des grandeurs, théoriquement infinie. Une commande rapprochée intelligente permettant la commutation d'un interrupteur bidirectionnel sur la base des mesures des grandeurs à ses bornes a été conçue et implémentée. Une diode automatique dont les fonctions de commutations spontanées ont été synthétisées a été étudiée et expérimentée pour la validation des modèles de mécanismes incluant les circuits passifs. L'utilisation d'interrupteurs bidirectionnels permet l'extension de topologies de convertisseurs classiques vers de nouveaux modes de fonctionnement. Ce travail présente la modification d'une topologie de convertisseur de courant, traditionnellement implémentée avec des thyristors, pour permettre la compensation de la puissance réactive normalement générée. L'extinction spontanée des thyristors est remplacée par une extinction commandée qui devient indépendante du sens des grandeurs de source. Par contre, l'ouverture forcée de la voie de courant dans les inductances de ligne des sources de tension nécessite l'absorption de l'énergie inductive dans un filtre d'entrée dont l'étude est proposée dans ce travail.