Conception et réalisation d’un convertisseur
multicellulaire DC/DC isolé pour application
aéronautique
Julio Cezar Brandelero
Résumé
L’électricité prend une place de plus en plus importante dans les systèmes
énergétiques embarqués. L’électricité est une forme d’énergie très malléable, facile à
transporter et réglable ou transformable avec un très faible taux de pertes. L’énergie
électrique, associée à des convertisseurs statiques, est plus facile à maîtriser que, par exemple,
l’énergie hydraulique et/ou pneumatique, permettant un réglage plus fin et une réduction des
coûts de maintenance. L’évolution de la puissance dans les modèles avioniques est
marquante. Avec le nombre croissant de charges électroniques, un avion plus électrique avec
un réseau à courant alternatif inclurait un grand nombre de redresseurs AC/DC qui devront
respecter les normes de qualité secteur. Une solution pour la réduction de la masse serait de
préférer un réseau HVDC (High Voltage DC Bus). Sur les futurs modèles avioniques plus
électriques, les concepteurs envisageront des conversions HVDC/DC à partir de l’unité
appelée BBCU (Buck Boost Converter Unit).
Dans ce cas d’étude, un réseau de distribution en tension continue (±270Vdc) est
connecté à un réseau de sécurité basse tension (28Vdc) avec un échange bidirectionnel de
puissance pouvant atteindre 10kW. Le convertisseur statique assurant cette liaison représente
de nouveaux défis pour l’électronique de puissance en termes de fiabilité, sûreté, détection de
panne, rendement et réduction de masse et de coût. Le dimensionnement du convertisseur doit
prendre en compte une conception optimale, en aéronautique ce critère est la masse. Dans le
processus de dimensionnement et d’optimisation du convertisseur, il est donc impératif de
prendre en compte trois facteurs principaux : 1) l’évolution des topologies de conversion, 2)
l’évolution des composants actifs et passifs et 3) l’intégration de puissance. La réunion de ces
trois facteurs permettra ainsi la miniaturisation des convertisseurs statiques.
Dans un premier temps, nous préciserons la démarche adoptée pour le
dimensionnement d’un convertisseur en prenant en compte : les topologies actives, les filtres
différentiels et le système de refroidissement. Les différents éléments qui composent le
convertisseur sont décrits dans un langage informatique orienté objet. Des facteurs de
performances seront également introduits afin de faciliter le choix des semi-conducteurs, des
condensateurs et du dissipateur pour un convertisseur statique. Dans un deuxième temps, nous
présenterons le fonctionnement d’une topologie multicellulaire DC/DC, isolée pour
l’application proposée. Nous présenterons les avantages du couplage de différentes phases de
ce convertisseur. Nous introduirons les différentes associations des cellules et leurs avantages,
possibles grâce à l’isolement, comme la mise en série et en parallèle. Puisque la
caractérisation des pertes des semi-conducteurs est essentielle pour le dimensionnement du
convertisseur statique, nous proposerons deux approches : un modèle de simulation
relativement simple et paramétré à l’aide de seules notices constructeurs ; et une méthode de
mesure des pertes dans les semi-conducteurs qui est à la fois précise et compatible avec les
composants les plus rapides. En ce qui concerne les composants magnétiques, une surface de
réponse des matériaux ferrites sera présentée. Nous allons décrire, par le biais analytique et de
simulation, des modèles pour la détermination du champ magnétique à l’intérieur du noyau et
des ondulations de courant engendrés. Finalement, en profitant des modèles et des résultats
obtenus dans les sections précédentes, nous montrerons le dimensionnement et la réalisation
de chaque partie du convertisseur BBCU 100kHz / 10kW. Une perspective d’un design idéal
est également présentée.
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