Minimisation des contraintes de courant pour un pont actif double isolé DC

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16980 (2022) Citer cet article

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Cet article présente une nouvelle modulation de déphasage pour un convertisseur courant continu-courant continu (DC-DC) à double pont actif (DAB) isolé. La technique proposée vise à minimiser la contrainte de courant maximale du convertisseur, ce qui pourrait directement augmenter le rendement et réduire les pertes du dispositif. Cette technique de modulation contrôle la puissance du convertisseur via seulement deux angles de déphasage ou deux degrés de liberté ; un déphasage est utilisé entre les jambes de son premier pont et l'autre entre les jambes du deuxième pont. Bien que la technique traditionnelle de déphasage monophasé (SPS) ne comporte qu'un seul degré de liberté, elle souffre de nombreux inconvénients en termes de contrainte de courant élevée et de flux de puissance de circulation inversé, qui diminuent l'efficacité du convertisseur. D’un autre côté, augmenter le nombre d’angles de déphasage peut améliorer les performances du système mais également augmenter la complexité du contrôle. Ainsi, une analyse comparative entre la technique de modulation proposée et le SPS traditionnel a été menée ; la nouvelle méthode a montré de meilleures performances en termes de réduction des contraintes actuelles, ainsi qu'une simplicité de mise en œuvre.

Les convertisseurs DC-DC isolés bidirectionnels sont actuellement le composant clé de nombreux dispositifs haute puissance, tels que les systèmes photovoltaïques1, les stockages d'énergie2,3,4 et les véhicules électriques4,5,6. Ces applications nécessitent un convertisseur de puissance léger et petit, à haut rendement, pour augmenter la densité de puissance ; de plus, une isolation galvanique est nécessaire pour des raisons de sécurité. Le remplacement des transformateurs de fréquence secteur par des transformateurs haute fréquence a conduit à des avancées spectaculaires dans les convertisseurs de puissance récents en termes de taille, de poids et de coûts7. Parmi tous les convertisseurs DC-DC, le type à double pont actif (DAB) est supérieur en raison de ses nombreux avantages : il fournit un flux de puissance bidirectionnel en modifiant simplement l'angle de déphasage entre la tension des deux ponts ; la disposition symétrique simplifie sa modélisation dynamique ; La commutation sans tension est également possible pour chaque appareil électrique sans aucun circuit supplémentaire ni technique de contrôle spéciale, en plus de l'avantage de l'inductance de fuite du transformateur8,9. La puissance du convertisseur DAB peut être augmentée en créant des configurations multiports et des topologies de modularité, qui peuvent être utilisées comme étape intermédiaire dans le système de conversion de puissance moyenne tension10.

Il existe de nombreuses techniques de contrôle pour ce type de convertisseur ; ils sont basés sur un contrôle par déphasage. Le contrôle par déphasage unique (SPS) est la méthode la plus largement utilisée en raison de sa simplicité11,12. Deux tensions carrées sont générées dans les deux ponts en contrôlant la mise sous tension de la paire de commutateurs interconnectés dans chaque pont. Un seul angle de déphasage doit être réglé entre ces deux tensions ; l'amplitude et la direction de la puissance peuvent être contrôlées via cet angle. Cependant, la puissance de circulation inverse est provoquée par une contrainte de courant élevée sur le convertisseur de puissance. Ainsi, les pertes du dispositif de puissance et des composants magnétiques sont élevées, affaiblissant l’efficacité du convertisseur8. De nombreuses tentatives ont été faites pour augmenter les performances de cette technique. Un rapport cyclique variable a été proposé dans la Réf.13 en calculant la valeur de l'angle de phase en ligne en fonction de la dynamique du convertisseur. Certaines études se sont concentrées sur l’augmentation de la plage de commutation douce14 ou sur la diminution de la puissance réactive du convertisseur15. La technique de contrôle à décalage de phase étendu (EPS) a été développée dans la Réf.16 pour obtenir de meilleures performances. Il utilise deux degrés de liberté (c'est-à-dire les angles de phase interne et externe) ; un déphasage (l'angle de phase interne) contrôle le décalage dans les commutateurs diagonaux du pont primaire tandis que l'autre agit comme dans la technique SPS, c'est-à-dire qu'il contrôle le déphasage entre les commutateurs croisés du pont primaire et secondaire. La technique de contrôle EPS a considérablement réduit la puissance inverse et minimisé la contrainte de courant dans les convertisseurs DAB, tout en élargissant la plage de régulation de la puissance de transmission. Néanmoins, pour échanger le flux de puissance, cette méthode nécessite d’échanger les états de fonctionnement des deux ponts. La technique de contrôle à double déphasage (DPS) a été introduite17 pour éliminer la puissance réactive et augmenter l’efficacité du convertisseur. Cette méthode utilise deux degrés de liberté comme celle de l'EPS mais est légèrement différente puisque l'angle de déphasage interne est utilisé dans les deux ponts et pas seulement dans le pont primaire, en plus du déphasage externe. Des recherches approfondies ont également été menées pour augmenter l'efficacité du DAB via un contrôle à triple déphasage (TPS) dans la réf. 18, où trois degrés de liberté sont utilisés. D'autres études ont proposé des déphasages combinés et accordables19, ainsi que des techniques de contrôle de déphasage unifiées18. Cependant, bien que ces méthodes augmentent les performances du convertisseur, elles entraînent également un contrôle et une analyse mathématique complexes.