Design and optimization of Uninterruptible Power Supplies
Conception et optimisation d'Alimentations Sans Interruption
Résumé
The design of Uninterruptible Power Supplies (UPS) has been successively improved in recent years to achieve efficiency levels of around 95% while minimizing their footprint. The massive use of power electronics for these systems is led to focus all design efforts to increase both efficiency and power density. The constant developments in power electronics provide the designer many options, among them the multi-level and/or interleaved power topologies in order to reduce passive components size, the new technologies of semiconductor materials with the introduction of grand gap components and advanced technology on passive components materials. The choice between these options is a compromise to achieve the predefined objectives, particularly when other constraints appear to limit the space of possible solutions, including thermal aspect, technological limitations or EMI constraints. This work proposes the implementation of multi-objective optimization methodology for the design of power converters with all its constraints. This offers a quick tool to compare the different possibilities of design and to quantify the improvement provided to the converter. To do this, different topological and technological choices were studied with the development of multi-physics models. These models can take discrete variables as input. So, optimized converters could meet industrial requirements covered by real components and their datasheets. To do this, we first establish the different constraints imposed on the UPS within its environment. Identifying solutions to design is carried through a state of the art research in the field of power electronics. Generic models of power structures and discrete multi-physical models of the components are then developed based on analytical approaches by ensuring a good compromise between accuracy and speed of calculation. Finally, multi-objective and multi constraints optimization methodology is performed on the set of design choices to quantify the performances achieved by each of them. Experimental work has been essential for us to validate the models and optimal solutions. Based on the optimization results PFC converter of 4.2kW/L was built is its performance has been validated.
La conception des Alimentations Sans Interruption (ASI) a fait l’objet d’améliorations successives ces dernières années afin d’atteindre des niveaux de rendement avoisinant les 95% tout en minimisant leur encombrement. L’utilisation massive de l’électronique de puissance pour ces systèmes conduit à y concentrer tous les efforts de conception pour augmenter à la fois le rendement et la densité de puissance. Les développements constants en électronique de puissance offrent au concepteur des multitudes d’options, parmi elles, les topologies de puissance multi-niveaux et/ou entrelacées pour réduire le volume des composants passifs, les nouvelles technologies des matériaux semi-conducteurs avec l’introduction des composants grand gap, ainsi que l’avancée technologique sur les matériaux utilisés dans les composants passifs. Le choix entre ces options est un compromis pour atteindre les objectifs prédéfinis, particulièrement lorsque d’autres contraintes apparaissent pour limiter l’espace des solutions possibles, notamment l’aspect thermique, les limites technologiques ou les contraintes CEM. Ces travaux proposent la mise en œuvre de dimensionnements par optimisation multi-objectifs de l’ensemble du convertisseur avec toutes ses contraintes. Ceci offre un outil rapide pour comparer les différentes possibilités de conception optimale capable de quantifier le gain apporté au convertisseur par les différentes solutions. Pour ce faire, les différents choix topologiques et technologiques ont été traités par le développement de modèles multi-physiques acceptant des paramètres d’entrée discrets. Ainsi, les convertisseurs optimisés répondent naturellement aux contraintes industrielles cadrées par des catalogues de fournisseurs spécifiques. Pour ce faire, nous avons commencé par dresser les différentes contraintes énergétiques imposées sur l’ASI dans son environnement. L’identification des solutions adaptées à sa conception est réalisée à travers un état de l’art des recherches dans le domaine de l’électronique de puissance. Des modèles génériques des structures de puissance, ainsi que des modèles multi-physiques discrets des composants sont ensuite développés à la base des approches analytiques assurant le bon compromis entre précision et rapidité de calcul. Finalement, une méthodologie d’optimisation multi-objectif et multi contraintes est réalisé sur l’ensemble des solutions pour quantifier les performances atteintes par chacune d’elles. Des travaux expérimentaux nous ont été indispensables pour valider les modèles et les solutions optimales. Sur la base des résultats d’optimisation un convertisseur PFC de 4.2kW/L a été construit est ses performances ont été validées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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