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

par Romain Deniéport (Deniéport)

Thèse de doctorat en Électronique et optoélectronique, nano et microtechnologies

Sous la direction de Ming Zhang et de Francis Rodes.

Soutenue le 17-12-2014

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015) , en partenariat avec Ecole nationale supérieure d'électronique, informatique & radiocommunications de Bordeaux (Talence, Gironde) (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Bénabes.

Le jury était composé de Francis Rodes, Philippe Bénabes, Francis Crenner, Patrick Loumeau, Hervé Barthélemy.

Les rapporteurs étaient Francis Crenner, Patrick Loumeau.

mots clés

• Convertisseurs de puissance
• Alimentation à découpage
• Dynamique d’entrée
• Loi de commande
• Rendement énergétique
• Économies d'énergie
• Électronique de puissance
• Réseaux électriques (énergie)

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.

mots clés

• DC/DC converters
• Wide input voltage range
• Switched-mode power supply
• Power efficiency
• Control laws

Titre traduit

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

Résumé

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.