Amélioration du rendement énergétique et de la dynamique d'entrée de convertisseurs d’énergie isolés par l’utilisation de techniques analogiques et numériques de commande

New switched mode power supply architectures capable of dealing with a wide input voltage range without a reduction of the power efficiency

• Auteur / Autrice : Romain Deniéport
• Direction : Ming Zhang, Francis Rodes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique et optoélectronique, nano et microtechnologies
• Date : Soutenance le 17/12/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecole nationale supérieure d'électronique, informatique & radiocommunications de Bordeaux (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Bénabes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francis Rodes, Philippe Bénabes, Francis Crenner, Patrick Loumeau, Hervé Barthélemy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francis Crenner, Patrick Loumeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux électriques (énergie)

Électronique de puissance

Économies d'énergie

Mots clés libres

Convertisseurs de puissance

Alimentation à découpage

Dynamique d’entrée

Loi de commande

Rendement énergétique

DC/DC converters

Wide input voltage range

Switched-mode power supply

Power efficiency

Control laws

Résumé

Les travaux présentés ici proposent des convertisseurs d’énergie à haut rendement et très large dynamique de tension d’entrée, c'est-à-dire capables de fonctionner avec un rendement énergétique élevé sur une plage de tension d’entrée étendue (typiquement de 9V à 200V). De multiples tensions de réseaux sont standards dans l’industrie : elles sont spécifiques à un domaine (aéronautique, ferroviaire, …) et dépendent de la source primaire d’alimentation électrique (batterie d’accumulateurs, génératrice, …). Au sein d’un équipement embarqué, plusieurs réseaux peuvent cohabiter : une alimentation principale 110V et une alimentation de secours sur batterie 12V, par exemple. Le besoin de convertisseurs large dynamique d’entrée est donc une réalité, mais il n’existe sur le marché que peu de convertisseurs capables de réaliser une dynamique d’entrée supérieure à dix. Dans un premier temps, nous avons étudié les enjeux et les problématiques liés à la large dynamique d’entrée, afin de mieux cerner les limitations des topologies de puissance classiques. Nous avons ensuite traité le cas d’une architecture de conversion d’énergie de type série, dont nous avons amélioré le rendement énergétique grâce à l’utilisation de circuits d’aide à la commutation. Cette solution ayant des performances limitées, nous avons proposé de nouvelles architectures de convertisseurs DC/DC, de type parallèle, capables de supporter des dynamiques de tension d’entrée supérieures à vingt et ayant un rendement énergétique élevé (supérieur à 80%). Nous avons également étudié et mis en œuvre des stratégies de commande, numériques et analogiques, permettant de contrôler ces nouvelles topologies complexes.

Power converters are present in virtually every embedded system, but many standards of DC networks exist: the supply voltage is depending on how the power is generated (battery, alternator …) and can range from 12V to more than 115V. When an equipment must comply with a 110V main supply and 12V back-up supply, the use of a wide input voltage range DC/DC converter is mandatory. Since classical switched mode power converters cannot achieve simultaneously high efficiency and wide input voltage range, manufacturers rarely propose DC/DC converters with an input voltage range greater than 10. This work tackles the issue of wide input voltage power conversion. After discussing about designs trade off and problems that stem from a wide input range, we try to improve the overall efficiency of a classical buck-boost converter, by using non dissipative switching-aid circuits. We also proposed a novel two stages power converter capable of dealing with very wide input voltage ranges (more than 20), without a reduction of the power efficiency. Since those new converters are far more difficult to control, some theoretical analysis was performed and some practical tests were done using complex controls laws.