Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire d'électronique industrielle LEI)

Etude formelle pour la synthèse de convertisseurs multiniveaux asymétriques : topologies, modulation et commande

Mariéthoz, Jean-Sébastien ; Rufer, Alfred (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3188.

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    Summary
    The multilevel converters allow generating a voltage waveform whose magnitude and quality are higher than those of conventional converters. They are devoted to medium and high-voltage, high-switching-frequency applications. Among the series connected cell inverters, the symmetrical multilevel inverters are made of identical cells, which topology is generally the H-bridge inverter. This dissertation deals with asymmetrical multilevel converters, which combine high-voltage cells — made of low conduction loss switches — with low-voltage cells — made of low switching loss switches. The different cells play different roles. The goal is to design a converter that has both better energetic efficiency and higher resolution with the same number of cells. This dissertation develops a set of tools that allows synthesizing an asymmetrical multilevel converter. It develops the cell combination rules, which allow defining several cell association classes. The inverter step uniformity condition determines the finesse that can be reached. The optimized modulation condition allows to reduce the highvoltage cell switching frequency without changing the low-voltage cell switching frequency. This property is essential to derive benefit from combining switches of different characteristics. The power balance condition determine how to control the power sharing between the cells. These association classes are different for the single-phase converters and the three-phase converters — without neutral wire. They allow to select a configuration suitable for a given application. Furthermore, several ways that allow improving the inverter resolution are investigated. The modulation is essential to associate a high-quality signal (which will really be delivered to the load by means of the inverter levels) to the reference signal (which should ideally be applied to the load). The modulator evaluation methods are assessed. An approach—based on the modulated signal decomposition in elementary frames—is proposed. The main modulator drawbacks are highlighted. A modulator—which arrange the frames in order—allows to reduce the modulated signal distortion and number of transitions. The specific control methods that allow to minimize the inverter number of switchings are developed. The active power cell supply implies several conversion stages, which decrease the converter energetic efficiency. Some solutions that allow to reduce these losses are proposed. Finally, this dissertation attempts to determine, which are the more interesting solutions, depending on the application.
    Résumé
    Les convertisseurs multiniveaux permettent de délivrer une tension plus élevée et de meilleure qualité que les convertisseurs conventionnels. Leur champ d'application est le domaine des moyennes et hautes tensions à fréquences de pulsation élevées. Parmi les convertisseurs à cellules en série, les onduleurs multiniveaux symétriques sont composés de cellules identiques dont la topologie est généralement le pont en H. Au contraire, les convertisseurs multiniveaux asymétriques, traités dans cette thèse, combinent des cellules haute tension composées d'interrupteurs présentant peu de pertes par conduction avec des cellules basse tension composées d'interrupteurs présentant peu de pertes par commutation. Le rôle des cellules est distinct, l'objectif étant d'une part d'obtenir un convertisseur présentant globalement de meilleures performances, en termes de rendement, et d'autre part d'obtenir une résolution plus élevée avec le même nombre de cellules. Cette thèse développe l'ensemble des outils permettant d'aboutir à la synthèse d'un convertisseur multiniveau asymétrique. Elle développe les règles de combinaison des cellules à partir desquelles plusieurs classes d'association d'onduleurs sont définies. La condition d'uniformité du pas de l'onduleur détermine la finesse qu'il est possible d'obtenir. La condition de modulation optimisée détermine comment réduire la fréquence de commutation de la cellule haute tension sans changer celle de la cellule basse tension. Cette propriété est essentielle pour tirer profit de l'hybridation d'interrupteurs de caractéristiques différentes. La condition d'équilibrage des puissances détermine comment contrôler la répartition des puissances entre les cellules. Les classes d'association obtenues sont différentes pour les convertisseurs monophasés et triphasés sans neutre, elles permettent de sélectionner une configuration de convertisseur adaptée à une application donnée. Des voies permettant d'améliorer la résolution du convertisseur sont également explorées. La modulation est essentielle pour associer un signal de qualité (qui sera effectivemment délivré à la charge à l'aide des niveaux disponibles) au signal de référence (qui devrait idéalement être appliqué à la charge). Le point est fait sur les méthodes d'évaluation des performances des modulateurs. Une approche basée sur la décomposition du signal modulé en éléments simples est proposée. Les lacunes des principaux modulateurs multiniveaux sont mises en évidence. Un modulateur, basé sur l'orientation des trames, permet d'obtenir une distorsion et un nombre de transitions du signal modulé plus faibles. Les méthodes de commande spécifiques qui permettent de minimiser le nombre de commutations du convertisseur sont développées. L'alimentation des cellules en puissance active passe par des étages de conversion supplémentaires qui détériorent le rendement du convertisseur. Des solutions permettant de minimiser ces pertes sont proposées. Cette thèse tente finalement de déterminer quelles sont les solutions les plus intéressantes en fonction du type d'application.