Association parallèle

Chapitre III

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• D’autre part, pour les modules utilisés, les IGBT ont un coefficient de température positif sur toute la plage de courant et les diodes ont un coefficient de température positif au-delà du courant nominal. Cela signifie qu’un déséquilibre de courant, menant à l’accroissement de température du composant conduisant le courant le plus élevé, entraîne l’augmentation de sa résistance dynamique. Ainsi, le courant dans ce composant tend à diminuer et cela permet un équilibrage naturel des courants, en éliminant le risque d’emballement thermique.

• De par la configuration expérimentale adoptée, le refroidissement des différents composants est assez homogène pour ne pas introduire de dissymétrie supplémentaire.

figure III.53 : onduleur monophasé avec charge raccordée à un point milieu capacitif

Une campagne de caractérisation a été réalisée avec plusieurs valeurs d’inductances d’équilibrage, dans une configuration d’onduleur monophasé (figure III.53) dont la charge (RCH variable, LCH=10mH) est raccordée à un point milieu capacitif (C=3mF). Les deux cellules de commutation sont commandées en boucle ouverte par des rapports cycliques sinusoïdaux identiques. Il apparaît que le déséquilibre basse fréquence de courant entre les deux bras reste inférieur à 20% (figure III.54 à figure III.62).

L’équilibrage basse fréquence des courants ne dépend pas de la différence entre les deux selfs. En effet, leur impédance L et leur résistance série interne (entre 5 et 8m pour 44 H et 7 H) sont faibles par rapport aux résistances de sortie des interrupteurs : à Tc=25°C et I_c=50A, R_CE=26m et R_d=20m pour les bras d’onduleur et R_CE=40m et R_d=37m pour les interrupteurs d’isolement. Le déséquilibre de courant provient donc majoritairement de la dispersion des caractéristiques VCE(IC) et Vd(IC) des semi-conducteurs. Or, il apparaît que la dissymétrie évolue proportionnellement avec le rapport cyclique. Cela pourrait indiquer que la disparité de caractéristiques intervient de manière prépondérante dans l’interrupteur d’isolement. Cette disparité est plus ou moins marquée en fonction du signe du courant dans la charge et donc des composants qui conduisent le courant dans chaque interrupteur d’isolement. Ce point montre l’intérêt, dans une perspective d’industrialisation, de disposer de modules standardisés dont les caractéristiques présentent peu de dispersion : pour une commande en boucle ouverte, la mise en parallèle de modules ne requiert alors pas de surdimensionnement.

Enfin, il apparaît que l’équilibrage est également bien assuré pour de basses fréquences de modulante (quelques Hz). Toutefois, à partir de 6,25Hz, il apparaît identiquement sur les 2 bras une distorsion des formes d’onde de courant pour chaque alternance (mode commun). Elle est causée par le temps mort, qui constitue une perturbation

Chapitre III

perturbation n’intervient pas sur le mode différentiel (équilibrage des courants) et elle n’apparaît qu’en boucle ouverte.

figure III.54 : self différentielle de 88 H à 100Hz

figure III.55 : self différentielle de 88 H à 25Hz

figure III.56 : self différentielle de 88 H à 3,1Hz

figure III.57 : self différentielle de 14 H à 100Hz

figure III.58 : self différentielle de 14 H à 25Hz

figure III.59 : self différentielle de 14 H à 3,1Hz

figure III.60 : self différentielle de 3,5 H à 100Hz

figure III.61 : self différentielle de 3,5 H à 25Hz

figure III.62 : self différentielle de 3,5 H à 3,1Hz

III.3.1.2 Equilibrage dynamique des courants

Les déséquilibres de courant observés en régime dynamique peuvent avoir plusieurs origines.

• La dispersion du seuil VGEth à partir duquel les IGBT commencent à conduire est supposée faible pour les modules Econopack utilisés, d’après le fabriquant.

• Les inductances parasites entre les puces et les connexions au bus continu sont de faibles valeurs et par conséquent leurs disparités semblent peu influentes.

• La répartition des champs magnétiques créés par les conducteurs dépend de la disposition des bras dans le module ; elle peut occasionner une différence de vitesse de commutation des interrupteurs. Cette contribution devrait rester limitée.

Si la dissymétrie de commutation est assez importante, la pleine tension de bus s’applique et, en l’absence d’inductance d’équilibrage, le courant de court-circuit n’est alors limité que par les inductances parasites des cellules jusqu’à la désaturation des IGBT. Cela peut donc s’avérer destructeur pour les composants. Par conséquent, une self est insérée entre les cellules de commutation pour limiter la croissance du courant différentiel haute fréquence

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et ainsi le déséquilibre de courant Iph pendant la durée t où les tensions de sortie des cellules sont différentes.

B A

DC

ph L L

V I t

+

= ⋅ (III-21)

La parallélisation d’onduleurs a souvent été considérée en ajoutant des inductances de valeurs importantes [SHI04]. Pour des applications d’alimentation sans interruption (UPS) ou de redresseur actif, cela n’est pas forcément préjudiciable puisqu’un filtre de sortie est nécessaire. Pour les applications d’alimentation de moteur envisagées, les caractéristiques inductives de ce dernier peuvent supprimer le besoin de filtrage différentiel. Les inductances additionnelles doivent alors être minimales pour ne pas pénaliser la compacité du convertisseur et ne pas occasionner une diminution importante de la tension de sortie. Ainsi, dans cette étude, les inductances ne sont dimensionnées que pour compenser les dissymétries du montage. Dans cette logique, les cellules de commutation sont commandées en synchronisme et l’entrelacement des commandes n’est pas traité.

Les essais représentés par la suite ont été réalisés dans la même configuration que précédemment, avec une inductance de 7 H sur chaque bras. Le déséquilibre observé sur la figure III.63 intervient deux fois par période de découpage (T_d=60 s). Il ne provient pas d’une dispersion de transmission des ordres de commande (<50ns) ou d’une évolution dissymétrique des tensions de grille. Le déséquilibre est lié au fait que les interrupteurs ne s’amorcent et ne se bloquent pas à la même vitesse. Le pic de tension différentielle qui en résulte présente une amplitude plus élevée à l’amorçage des transistors (figure III.64 et figure III.65) ; cela traduit une disparité des caractéristiques des interrupteurs.

figure III.63 : déséquilibre haute fréquence des courants

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L’amplitude du déséquilibre reste inférieure à 2A pour une tension commutée de 200V avec les deux inductances de 7 H. Cela reste peu élevé par rapport au courant vu par le bras d’onduleur. La faible valeur de self montre que l’ajout d’inductances d’équilibrage requis pour la mise en œuvre de la topologie est peu pénalisant au niveau de son dimensionnement et l’impact sur la compacité du convertisseur est donc réduit. De par la limitation du nombre d’entrées et de sorties de la carte de commande, il n’a pas été réalisé d’essai en configuration triphasée.

III.3.1.3 Association parallèle avec une seule boucle de régulation de courant

Dans le cadre des applications envisagées pour la mise en parallèle, chacun des bras d’onduleurs est commandé en courant. L’introduction des boucles de régulation, avec une stratégie adaptée, permet de partager équitablement les courants entre les cellules en compensant de manière active le déséquilibre statique [SHA99].

L’association en parallèle de bras d’onduleur peut présenter un avantage supplémentaire dans le contexte considéré. Comme chacun de ces bras comporte un capteur de courant, leur commande peut être maintenue en cas de défaillance de l’un des capteurs. La mesure de courant restante suffit à effectuer la régulation en instaurant une boucle commune pour les deux cellules.

Dans la continuité des études de mise en parallèle, il est simplement proposé ici d’appliquer expérimentalement ce principe (figure III.66). La forme d’onde du courant n’est pas parfaitement sinusoïdale à cause du déséquilibre des tensions V_Cb et V_Ch aux bornes des condensateurs créant le point milieu, mais cela n’a pas d’influence sur les phénomènes étudiés. Avec une seule boucle de courant, le principe est assez semblable à celui de la boucle ouverte puisque le même rapport cyclique est transmis aux deux cellules de commutation.

Cependant, l’action de la régulation compense presque totalement les déséquilibres de courant à basse fréquence ( I<0,2A soit 5% environ).

figure III.66 : mise en parallèle de deux bras avec une boucle de régulation de courant globale

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