Étude des convertisseurs multicellulaires série - parallèle et de leurs stratégies de commande, approches linéaire et prédictive

L'evolution de l'electronique de puissance depuis ces dernieres annees est le resultat des enjeux energetiques actuels qui exigent, entre autres, des architectures de conversion d'energie capables de traiter des puissances de plus en plus importantes. Parmi les elements les plus caracteristiques de cette evolution, l'avancement technologique des composants semi-conducteurs (nouveaux composants SiC ou GaN) ainsi que la conception de nouvelles architectures de convertisseurs statiques jouent un role important. Parmi ces architectures, differentes associations basees sur la connexion en serie et en parallele de cellules de commutation classiques ont ete proposees. Ces associations permettent d'augmenter la puissance traitee par les convertisseurs sans accroitre les contraintes au niveau des interrupteurs. Elles permettent egalement l'obtention de signaux de sortie d'une meilleure qualite avec des frequences apparentes de decoupage plus importantes. Ces architectures utilisent des elements de stockage d'energie qui diminuent les contraintes au niveau des interrupteurs mais qui exigent, en revanche, une regulation precise des grandeurs de tension ou de courant propres a ces elements. Pour l'association en serie, les tensions des condensateurs doivent rester autour d'une fraction de la tension du bus d'entree. Pour l'association en parallele, le courant de sortie doit etre reparti equitablement entre les differents bras afin d'eviter les phenomenes non lineaires propres aux elements magnetiques utilises dans les inductances (separees ou magnetiquement couplees). Dans la premiere partie de cette these, nous presentons les generalites de l'association en serie et parallele des cellules de commutation. La modelisation des elements magnetiques utilises pour la mise en parallele est egalement detaillee dans le but d'identifier de possibles sources de desequilibre sur la repartition du courant de sortie. Une modelisation matricielle est appliquee pour simplifier la relation entre les variables propres a chaque association et les ordres de commande de toutes les cellules. Cette modelisation matricielle sera la base des strategies de commande que nous avons developpees dans la suite de nos travaux. Dans la deuxieme partie de cette these, nous presentons les differentes strategies de commande pouvant etre appliquees sur ces convertisseurs. Les premieres strategies sont basees sur une approche classique utilisant un modulateur, un generateur d'ordres de commande et des regulateurs de type lineaire pour la regulation des variables internes et externes de chaque association. En termes de modulateurs, nous presentons principalement un modulateur de type PS (Phase Shifted), tandis que quelques applications et resultats sont presentes pour un modulateur de type PD (Phase Disposition). D'autres strategies basees sur la commande predictive sont egalement presentees. La premiere est la strategie MPC qui utilise une fonction de cout pour choisir l'etat optimal du convertisseur pour chaque periode d'echantillonnage. Cette strategie a ete introduite recemment dans le domaine des convertisseurs statiques et presente des avantages liees a la facilite de sa mise en place ainsi qu'aux reponses du systeme lors des regimes transitoires. La deuxieme strategie, basee sur la commande predictive, utilise des instants de commutation variables, une fonction de cout simplifiee et une machine d'etat. Cette derniere permet de gerer les ordres de commande de toutes les cellules de commutation en fonction des variables a reguler. En plus des avantages lies a la strategie MPC, sa mise en place est bien plus simple car elle fonctionne a une frequence de decoupage fixe et s'adapte facilement a differents points de fonctionnement. Dans la derniere partie de cette these, nous presentons l'implantation experimentale de ces strategies afin de valider leur performance sur les convertisseurs multicellulaires.