Wide range DC/DC conversion for embedded applications in railway applications
Conversion DC/DC large plage pour application embarquée dans un environnement ferroviaire
Résumé
Electric converters can be found on almost every electronic device. The need for a stabilized power supply and the variability of the power sources make the power converters unavoidable. In embedded applications, the power conversion, mostly DC/DC conversion, must sustain various constraints due to their environment, airborne or in ground vehicles. Devices for railway applications endure severe constraint on their volume and immunity to vibration. Thus, they have to be built without any mobile part including fans, and to be as small as possible to minimize their impact on the payload capacity of the trains.The most specific constraint in railway application is the wide input voltage range sustained by the power converter. This voltage range, from 12 V to 154 V, is due to the large amount of electric standards worldwide. This characteristic is the main challenge for the design of compact DC/DC converters.In this thesis, in a first time the current converters topologies are analysed under the scope of our specifications. Then, the two most relevant structures are more deeply studied. Behavioural simulations and loss models are described, leading to the confirmation of their relevancy and the study of their lacks.In the last two chapters of this thesis, the sizing strategies used to fit our specifications are described. Then, the control techniques elaborated to meet the specificities of our application are described then tested on prototypes. The measurements made on the prototypes have confirmed the gain due to these control techniques and the sizing strategies previously described. These improvements have led to significant improvements in the performance of the converters and in the volume reduction of their passive elements
Les convertisseurs électriques sont présents dans tous les équipements électroniques. Les besoins en alimentations stabilisées des appareils et la variabilité des sources d'énergie imposent l'omniprésence des convertisseurs. Dans un environnement embarqué, la conversion, majoritairement DC/DC, subit de multiples contraintes environnementales dues au milieu dans lequel elle évolue, que ce soit dans un aéronef ou un véhicule terrestre. Les équipements ferroviaires doivent ainsi subir des contraintes vibratoires et volumiques fortes imposant à la fois l'absence de pièces mobiles telles que des ventilateurs, ainsi qu'un volume minimal afin de ne pas empiéter sur l'espace utile des cabines de trains.Une contrainte plus spécifique à l'environnement ferroviaire est la très large plage de tension d'alimentation devant être supportée par le convertisseur. Cette plage de tension, s'étendant de 12 V à 154 V, due à la multiplicité des standards électriques de par le monde représente le principal défi à la conception de convertisseurs DC/DC compacts.Dans ce mémoire, les topologies de convertisseurs existantes sont dans un premier temps analysées en fonction des contraintes du cahier des charges. Les deux structures les plus pertinentes sont ensuite étudiées plus profondément, par des simulations comportementales et des modélisations de pertes, afin de confirmer leur pertinence et d'étudier leurs carences.Dans les deux derniers chapitres de ce mémoire, les stratégies de dimensionnement propres à notre application sont décrites. Finalement, les technique de contrôle élaborées spécifiquement pour notre application sont décrites puis testées sur les prototypes des convertisseurs. Les mesures réalisées sur les prototypes ont permis de confirmer l'apport des techniques de contrôle et de dimensionnement décrites précédemment, améliorant significativement les performances des convertisseurs ainsi que l'encombrement de leurs éléments passifs
Origine : Version validée par le jury (STAR)