Conception et réalisation d'un convertisseur multicellulaire DC/DC isolé pour application aéronautique

L’electricite prend une place de plus en plus importante dans les systemes energetiques embarques. L’electricite est une forme d’energie tres malleable, facile a transporter et reglable ou transformable avec un tres faible taux de pertes. L’energie electrique, associee a des convertisseurs statiques, est plus facile a maitriser que, par exemple, l’energie hydraulique et/ou pneumatique, permettant un reglage plus fin et une reduction des couts de maintenance. L’evolution de la puissance dans les modeles avioniques est marquante. Avec le nombre croissant de charges electroniques, un avion plus electrique avec un reseau a courant alternatif inclurait un grand nombre de redresseurs AC/DC qui devront respecter les normes de qualite secteur. Une solution pour la reduction de la masse serait de preferer un reseau HVDC (High Voltage DC Bus). Sur les futurs modeles avioniques plus electriques, les concepteurs envisageront des conversions HVDC/DC a partir de l’unite appelee BBCU (Buck Boost Converter Unit). Dans ce cas d’etude, un reseau de distribution en tension continue (±270Vdc) est connecte a un reseau de securite basse tension (28Vdc) avec un echange bidirectionnel de puissance pouvant atteindre 10kW. Le convertisseur statique assurant cette liaison represente de nouveaux defis pour l’electronique de puissance en termes de fiabilite, surete, detection de panne, rendement et reduction de masse et de cout. Le dimensionnement du convertisseur doit prendre en compte une conception optimale, en aeronautique ce critere est la masse. Dans le processus de dimensionnement et d’optimisation du convertisseur, il est donc imperatif de prendre en compte trois facteurs principaux : 1) l’evolution des topologies de conversion, 2) l’evolution des composants actifs et passifs et 3) l’integration de puissance. La reunion de ces trois facteurs permettra ainsi la miniaturisation des convertisseurs statiques. Dans un premier temps, nous preciserons la demarche adoptee pour le dimensionnement d’un convertisseur en prenant en compte : les topologies actives, les filtres differentiels et le systeme de refroidissement. Les differents elements qui composent le convertisseur sont decrits dans un langage informatique oriente objet. Des facteurs de performances seront egalement introduits afin de faciliter le choix des semi-conducteurs, des condensateurs et du dissipateur pour un convertisseur statique. Dans un deuxieme temps, nous presenterons le fonctionnement d’une topologie multicellulaire DC/DC, isolee pour l’application proposee. Nous presenterons les avantages du couplage de differentes phases de ce convertisseur. Nous introduirons les differentes associations des cellules et leurs avantages, possibles grâce a l’isolement, comme la mise en serie et en parallele. Puisque la caracterisation des pertes des semi-conducteurs est essentielle pour le dimensionnement du convertisseur statique, nous proposerons deux approches : un modele de simulation relativement simple et parametre a l’aide de seules notices constructeurs ; et une methode de mesure des pertes dans les semi-conducteurs qui est a la fois precise et compatible avec les composants les plus rapides. En ce qui concerne les composants magnetiques, une surface de reponse des materiaux ferrites sera presentee. Nous allons decrire, par le biais analytique et de simulation, des modeles pour la determination du champ magnetique a l’interieur du noyau et des ondulations de courant engendres. Finalement, en profitant des modeles et des resultats obtenus dans les sections precedentes, nous montrerons le dimensionnement et la realisation de chaque partie du convertisseur BBCU 100kHz / 10kW. Une perspective d’un design ideal est egalement presentee.