Étude et réalisation de structures de Conversions Multiniveaux de type Common Flying Capacitor

La soutenance de thèse de Maxime PAIN, intitulée « Étude et réalisation de structures de Conversions Multiniveaux de type
Common Flying Capacitor » aura lieu le mercredi 24 avril 2024 à 10h en salle C002 (salle de thèses) à l’ENSEEIHT, 2 rue Charles Camichel.

Les travaux de thèse ont été réalisés sous la direction de Mr Guillaume GATEAU.

Jury de thèse :

Mr. Éric LABOURÉ Rapporteur Professeur des Universités CentraleSupélec – GeePs

Mr. Philippe LE MOIGNE Rapporteur Professeur des Universités Centrale Lille – L2EP

Mme. Xuefang LIN-SHI Examinatrice Professeure des Universités INSA Lyon – Laboratoire Ampère

Mr. Gianluca POSTIGLIONE Membre invité R&D manager Nidec ASI

Mr. Guillaume GATEAU Directeur de Thèse Professeur des Universités INP Toulouse – Laplace

Résumé :

A l’heure de la l’électrification des moyens de transports, la conversion de l’énergie électrique est au cœur de tous les enjeux. Au même titre que l’efficacité des étages de conversion ainsi que leur fiabilité, la densité de puissance est un point d’attention crucial pour l’intégration de l’électronique de puissance dans les systèmes embarqués. Pour de la moyenne tension, la conversion électrique est principalement traitée par des structures multiniveaux à haute densité de puissance. Certaines sont utilisées depuis plusieurs années dans l’industrie telles que les topologies Neutral Point Clamp, Flying Capacitor, Active Neutral Point Clamp ou Stacked Multicell Converter. Hors, ces topologies multiniveaux requièrent un nombre important de composants actifs et passifs lors de leur utilisation au sein d’une structure triphasée. A titre d’exemple, les condensateurs flottants peuvent représenter jusqu’à 40% du poids total d’un convertisseur Flying Capacitor 3 niveaux à l’échelle du MW dans le cadre d’une application aéronautique. Pour répondre à cette problématique dans le cadre de système embarqués sous fortes contraintes d’encombrement, un type de structure nommé Common Flying Capacitor (CFC) utilisant les principes des topologies multiniveaux permet de réduire le nombre de composants. L’objectif est d’augmenter la densité de puissance des convertisseurs tout en préservant les bénéfices des topologies multiniveaux comme le sous-dimensionnement des composants actifs et des filtres, la capacité de travailler à des fréquences de découpage plus élevées ainsi que l’augmentation du rendement par rapport à des topologies 2 niveaux. Les CFC se basent sur la mutualisation de phases (et donc de composants) afin de diminuer leur quantité. En prenant comme base de travail les structures multiniveaux dont les études ont mené à des optimisations à l’échelle d’un bras, les CFC développées dans cette thèse ont pour objet l’optimisation du convertisseur à l’échelle du système triphasé. Le principal bénéfice espéré est la réduction d’énergie stockée dans le système, par un rapport trois dans le cas de topologies CFC basées sur des topologies Flying Capacitor 3 niveaux ou des topologies Active-Neutral-Point-Clamped 5 niveaux mais aussi la diminution du nombre de composants actifs. Néanmoins, la mise en œuvre de ces topologies possède des difficultés. Certains points de fonctionnements habituellement atteignables avec des convertisseurs triphasés classiques sont plus difficilement réalisables. La commande est complexifiée, de même que la régulation de la tension des condensateurs flottants. L’objectif principal des travaux de thèse est d’étudier l’intérêt des topologies multiniveaux en utilisant ce principe, de développer les topologies identifiées et de les valider à travers l’élaboration d’un prototype. Tout d’abord, un outil informatique d’analyse générique permettant d’évaluer la capacité d’une topologie à fonctionner sur la base d’une mutualisation de phase a été créé. Sur cette base, plusieurs topologies CFC 3 niveaux et 5 niveaux ont été développées puis caractérisées. Le retour d’expérience acquis lors de leur développement a permis de théoriser les propriétés générales des topologies CFC ainsi que différentes considérations de design propres aux topologies CFC. D’autre part, des stratégies et lois de contrôle/commande spécifiques aux topologies CFC ont été développées. Un des enjeux principaux est d’assurer la régulation en tension des condensateurs flottants mutualisés, facteur essentiel afin de préserver le même dimensionnement qu’une structure triphasée classique tout en divisant le nombre de condensateurs par trois. Par la suite, un prototype expérimental de 21 kVA a été développé et pensé pour pouvoir être reconverti selon plusieurs topologies CFC. Dans le cadre de ces travaux, les résultats expérimentaux portent sur un onduleur CFC 3 niveaux nommé Hybrid 3 Niveaux. Enfin, une étude de ces topologies selon un cahier propulsion aéronautique permet de dresser une comparaison chiffrée avec des topologies triphasées classiques et de discuter de l’apport des topologies CFC.

Abstract:

In the era of electrification of transportation means, electric conversion is at the heart of chal-lenges. In the same way as the efficiency of conversion stages and their reliability, power density is akey factor for the integration of power electronics into embedded systems. For medium voltage, electric conversion is primarily addressed by high power density multilevel structures. Some have been used in the industry for several years, such as Neutral Point Clamp, Flying Capacitor, Active Neutral Point Clamp, or Stacked Multicell Converter topologies. However, multilevel topologies require a significant number of active and passive components when used within a three-phase structure. For example, floating capacitors can represent 40% of the total weight of a 3-level Flying Capacitor converter on the MW scale for an aeronautical application. To address this issue in the context of embedded systems with tight space constraints, a type of structure called Common Flying Capacitor (CFC), using the principles of multilevel topologies, reduces the number of components. The goal is to increase the power density of converters while preserving the benefits of multilevel topologies, such as undersizing of active components and filters, the ability to operate at higher switching frequencies, and increased efficiency compared to 2-level topologies. CFCs are based on the sharing of phases (and thus components) in order to reduce their quantity. To tackle this issue within embedded systems with tight space constraints, a type of structure called Common Flying Capacitor (CFC), utilizing the principles of multilevel topologies, reduces the number of components. The objective is to increase power converter density while retaining the benefits of multilevel topologies, such as undersizing of active components and filters, the ability to operate at higher switching frequencies, and increased efficiency compared to 2-level topologies. CFCs are based on the sharing of phases (and thus components) to reduce their quantity. The main expected benefit is the reduction of energy stored in the system, by a factor of three in the case of CFC topologies based on three-level Flying Capacitor or five-level Active-Neutral-Point-Clamped, as well as a decrease in the number of active components. However, the implementation of these topologies poses challenges. Some operating points usually achievable with conventional three-phase converters are more difficult to achieve. The control is complicated, as is the regulation of the voltage of the floating capacitors. The main objective of the thesis is to study the interest of multilevel topologies based on this principle, to develop identified topologies, and to use them through the development of a prototype. Firstly, a generic computer analysis tool was created to evaluate the capability of a topology to operate based on phase sharing. On this basis, several 3-level and 5-level CFC topologies were developed and characterized. The experience gained during their development allowed the general properties of CFC topologies to be theorized as well as various design considerations specific to CFC topologies. Furthermore, specific control/command strategies and laws were developed for CFC topologies. One of the main challenges is to ensure voltage regulation of the shared floating capacitors, an essential factor in preserving the same sizing as a conventional three-phase structure while reducing the number of capacitors by three. Subsequently, an experimental prototype of 21 kVA was developed and designed to be convertible according to several CFC topologies. In the context of this work, the experimental results focus on a 3-level CFC inverter named Hybrid 3 Levels. Finally, a study of these topologies according to an aeronautical propulsion specification allows for a quantitative comparison with conventional three-phase topologies and a discussion of the contribution of CFC topologies.