Sélection de la topologie du transformateur à l'état solide: à deux niveaux contre à trois niveaux et DAB contre LLC

Un transformateur à semi-conducteurs ne doit pas être traité comme un transformateur conventionnel reconstruit avec des commutateurs à semi-conducteurs. Cette interprétation est trop étroite et conduit souvent à de mauvaises priorités en matière de topologie, de composants et de validation.

Pour une fonction de base d'abaissement de tension et d'isolation, un transformateur de fréquence de ligne classique reste difficile à remplacer. Il est efficace, durable, relativement économique et familier au personnel de terrain. La valeur technique d'un transformateur à semi-conducteurs devient plus claire lorsque plusieurs fonctions doivent être combinées au sein d'une seule interface électronique de puissance contrôlable.

Ces fonctions peuvent inclure la transformation de tension, l'isolation galvanique, la conversion AC/DC, la conversion DC/DC isolée, le flux d'énergie contrôlé, les ports DC accessibles et la gestion de la qualité de l'énergie. Une fois ces exigences considérées ensemble, la sélection de la topologie devient une décision de conception au niveau du système plutôt qu'une comparaison entre des circuits convertisseurs individuels.

Une séquence de développement pratique est la suivante :

Sélection de la topologie → conception des paramètres → validation technique

Ces étapes sont interdépendantes. Une topologie qui semble appropriée lors de l'analyse de circuit peut devenir peu pratique après la conception magnétique, le calcul des contraintes des semi-conducteurs, les tests de faible charge, l'évaluation de l'isolation, l'analyse thermique ou la validation des défauts de fonctionnement.

Qu'est-ce qu'un transformateur statique ?

ETH Zurichdécrit untransformateur à semi-conducteurs, ou SST, en tant qu'interface électronique de puissance isolée galvaniquement entre les systèmes électriques. Il utilise une conversion de puissance contrôlée pour combiner la transformation et l'isolation de tension avec des fonctions telles que la conversion AC/DC, la conversion DC/DC, le contrôle du flux d'énergie, l'accès DC et les capacités de prise en charge du réseau. (pes-publications.ee.ethz.ch)

SST comme interface électronique de puissance intégrée

La caractéristique déterminante d’un SST n’est pas simplement l’utilisation d’appareils de commutation. Son principal intérêt réside dans l'intégration de fonctions qui nécessiteraient autrement plusieurs appareils ou étapes de conversion distincts.

Un SST peut fournir une isolation électrique tout en contrôlant à la fois l'ampleur et la direction du transfert de puissance. Il peut créer une liaison CC intermédiaire, fournir une sortie CC régulée, s'interfacer avec une charge CA ou prendre en charge des fonctions de qualité de l'énergie au niveau de la connexion au réseau.

Cela change la base de comparaison.

Un transformateur conventionnel est principalement évalué comme un dispositif passif de conversion de tension et d’isolation. Un SST doit être évalué comme un système électronique de puissance complet contenant des commutateurs à semi-conducteurs, des composants magnétiques, des condensateurs, des pilotes de grille, des boucles de contrôle, des fonctions de protection, des chemins thermiques et une structure d'isolation.

Son adéquation dépend donc de l'application. Un SST n'est pas automatiquement supérieur car il assure un contrôle actif, et un transformateur conventionnel n'est pas obsolète simplement parce qu'il manque de fonctionnalités électroniques de puissance.

Pourquoi un transformateur conventionnel reste solide pour les applications abaisseurs de base

Lorsque les exigences se limitent à une transformation de tension fiable et à une isolation galvanique, un transformateur de fréquence de ligne conventionnel constitue toujours une base d'ingénierie solide.

La question pertinente n’est pas de savoir si un SST surpasse un transformateur conventionnel dans toutes les catégories. Il s'agit de savoir si l'application bénéficie suffisamment d'une conversion contrôlable, d'un accès CC, d'une gestion du flux d'énergie et d'une intégration fonctionnelle pour justifier la complexité supplémentaire du système.

Comment une architecture SST divise les tâches de conversion de puissance

Architecture de transformateur à semi-conducteurs à trois étages

Une architecture SST commune divise le processus de conversion en trois étapes principales :

1. Un étage AC/DC côté réseau

2. Un étage DC/DC isolé

3. Un onduleur côté charge ou un étage de sortie CC régulé

Ce n'est pas la seule configuration SST possible. Les architectures modulaires, de type matriciel, front-end isolé, back-end isolé et multiniveaux peuvent organiser ces fonctions différemment.

Le modèle en trois étapes fournit néanmoins un cadre pratique pour comprendre où se produisent normalement les deux décisions topologiques majeures :

• Conversion à deux niveaux ou à trois niveaux à l'étape face au réseau

• Conversion DAB versus LLC à l'étage DC/DC isolé

Conversion AC/DC frontale

L'étage frontal connecte le SST au système CA et établit une liaison CC contrôlée. Selon l'application, il peut également gérer un flux d'énergie contrôlé et prendre en charge les fonctions de qualité d'énergie requises.

Le choix entre une structure à deux ou trois niveaux affecte :

• Contrainte de tension des semi-conducteurs

• Étapes de tension du nœud de commutation

• Exigences de filtrage

• Nombre de semi-conducteurs

• Exigences du pilote de porte

• Complexité du contrôle

• Séquençage des protections

• Évolutivité du système

Un nombre inférieur de semi-conducteurs n’est pas toujours l’objectif le plus important. À une tension de liaison CC plus élevée, la tension de blocage appliquée à chaque appareil peut devenir la limitation dominante.

Une topologie à plusieurs niveaux peut répartir cette contrainte de tension, mais elle introduit des états de commutation, des condensateurs ou des chemins de serrage supplémentaires et des exigences d'équilibrage supplémentaires. La topologie doit donc être évaluée dans le cadre du convertisseur complet plutôt que par le seul nombre de périphériques.

Conversion DC/DC isolée

L'étage DC/DC isolé transfère la puissance via un transformateur haute ou moyenne fréquence tout en maintenant l'isolation galvanique entre les domaines électriques.

Cet étage ne peut pas être sélectionné indépendamment de la conception du transformateur. L'inductance de fuite, l'inductance magnétisante, les composants résonants, la fréquence de commutation, la capacité du semi-conducteur, le temps mort et la stratégie de modulation affectent tous le transfert de puissance et le comportement de commutation douce.

DAB et LLC sont tous deux des candidats importants, mais ils utilisent des mécanismes de transfert de pouvoir différents. Leur adéquation dépend :

• Direction requise du flux de puissance

• Rapport de tension d'entrée à sortie

• Plage de gain requise

• Profil de charge attendu

• Plage de commutation douce

• Conception de composants magnétiques

• Limites de courant de circulation

• Capacité de contrôle

Topologies de convertisseur à deux ou trois niveaux pour les étapes frontales SST

Un convertisseur à deux niveaux et un convertisseur à trois niveaux ne doivent pas être comparés uniquement en comptant les commutateurs ou en comparant une valeur de rendement de crête.

Une comparaison utile commence par les exigences de fonctionnement :

• Quelle est la tension du circuit intermédiaire ?

• À quelle tension de blocage chaque semi-conducteur doit-il résister ?

• Quel échelon de tension du nœud de commutation est acceptable ?

• Quel filtrage est nécessaire ?

• Quelle complexité de contrôle le projet peut-il prendre en charge ?

• La topologie nécessite-t-elle un équilibrage du point neutre ou de la tension du condensateur ?

• Les états de commutation anormaux et les conditions de défaut peuvent-ils être validés ?

Comment fonctionne un convertisseur à deux niveaux

Une jambe de commutation conventionnelle à deux niveaux commute son nœud de sortie entre les rails de liaison CC positif et négatif.

Les principaux dispositifs de commutation doivent donc résister à la pleine tension du circuit intermédiaire pertinente, y compris la marge nécessaire au dépassement de commutation, aux événements transitoires, à la réponse de protection et au déclassement.

Une structure à deux niveaux comporte moins d'états de tension et généralement moins de dispositifs actifs et de serrage qu'une implémentation à trois niveaux. Cela peut simplifier :

• Conduite de porte

• Modulation

• Logique de protection

• Séquence d'arrêt

• Disposition des circuits imprimés

• Analyse des défauts

Le compromis est que le nœud de commutation subit la transition complète de tension du circuit intermédiaire. Cet échelon de tension affecte la perte de commutation, la contrainte électromagnétique, le comportement en mode commun et le filtrage requis pour contrôler l'ondulation et les émissions de courant.

À des tensions de circuit intermédiaire plus élevées, la sélection des appareils peut devenir restrictive. Un semi-conducteur avec une tension de blocage suffisante peut ne pas fournir l'équilibre souhaité entre perte de conduction, perte de commutation, vitesse de commutation et performances thermiques.

Une topologie à deux niveaux n’est donc pas intrinsèquement inférieure. Cela reste intéressant lorsque les exigences en matière de contrainte du dispositif, de filtrage, de fréquence de commutation, d'isolation et thermique peuvent être satisfaites sans introduire de complexité multiniveau inutile.

Comment un convertisseur NPC à trois niveaux répartit les contraintes de tension

Un convertisseur à point neutre à trois niveaux utilise une liaison CC divisée et des chemins de serrage pour créer trois niveaux de tension de nœud de commutation :

• (+V_{dc}/2)

• (0)

• (-V_{dc}/2)

Dans les conditions d'équilibrage prévues, l'échelon de tension appliqué à la sortie ou au filtre peut être réduit par rapport à une branche conventionnelle à deux niveaux.

Les appareils individuels peuvent également fonctionner à environ la moitié de la charge totale de blocage du circuit intermédiaire, en fonction de l'état de commutation, de la stratégie de protection, de l'équilibre de tension et de la mise en œuvre exacte du NPC.

La réduction des contraintes de tension des appareils peut élargir les options de semi-conducteurs disponibles. Le choix final du dispositif doit toujours prendre en compte la perte de conduction, la perte de commutation, la marge transitoire, le comportement du boîtier et les contraintes thermiques.

L'avantage de tension-contrainte s'accompagne d'exigences de conception supplémentaires. Une branche NPC contient davantage de dispositifs semi-conducteurs et de chemins de serrage, et son bon fonctionnement dépend de séquences de commutation sûres et de tensions de bus divisées stables.

Une liaison 900 V CC combinée à des dispositifs 650 V est parfois utilisée pour illustrer l'avantage de la conversion multiniveau en termes de contrainte de tension. Cependant, l’identité topologique est importante.

Texas Instruments identifie TIDA-010957comme unconvertisseur à condensateur volant à trois niveaux, pas un convertisseur NPC. La conception démontre l'utilisation de dispositifs GaN de 650 V avec une tension de liaison CC allant jusqu'à 900 V, mais elle ne doit pas être présentée comme une conception de référence spécifique aux NPC.

Le principe général d'ingénierie reste valable : un convertisseur multiniveau peut répartir les contraintes de tension sur sa structure de commutation. La méthode diffère selon les topologies NPC, NPC actif, de type T, Vienne et à condensateur volant.

Convertisseur PNJ à deux niveaux ou à trois niveaux

Équilibrage de tension au point neutre dans une topologie NPC à trois niveaux

Le point médian de la liaison CC divisée est une contrainte de conception active plutôt qu'un point de référence passif.

Différents états de commutation et directions de courant peuvent charger et décharger de manière inégale les condensateurs supérieur et inférieur du circuit intermédiaire. Si leurs tensions s'écartent, les niveaux prévus (+V_{dc}/2), (0) et (-V_{dc}/2) ne sont plus symétriques.

Ce déséquilibre peut affecter :

• Contrainte de tension des semi-conducteurs

• Qualité de la forme d'onde de sortie

• Comportement de modulation

• Marge de protection

• États de commutation disponibles

Le contrôleur devra peut-être sélectionner des états de commutation redondants ou ajuster la séquence de modulation pour influencer le courant du point neutre.

La capacité d'équilibrage peut changer en fonction de la direction de la charge, de l'indice de modulation, du facteur de puissance et de la direction du flux de puissance. Le démarrage, l'arrêt, le fonctionnement à faible charge, la régénération et la récupération après panne nécessitent également une vérification.

Une contrainte nominale inférieure sur l'appareil ne facilite donc pas automatiquement la mise en œuvre d'une topologie NPC. L'échelon de tension réduit du nœud de commutation est remplacé par des exigences supplémentaires de gestion d'état et de contrôle de point médian.

Équilibrage de tension au point neutre NPC

Critères de sélection à deux niveaux ou à trois niveaux

Une topologie à deux niveaux est généralement attrayante lorsque la simplicité, la clarté de la protection, l'analyse des pannes et la maturité du contrôle dominent le projet.

Une topologie NPC à trois niveaux devient plus attrayante lorsque la tension du circuit intermédiaire, la disponibilité des dispositifs, les exigences de forme d'onde ou les performances de commutation rendent la distribution de contrainte de tension suffisamment précieuse pour justifier le matériel supplémentaire et le contrôle du point médian.

DAB vs LLC pour l'étage DC/DC isolé

La topologie DC/DC isolée doit être sélectionnée en fonction de l'enveloppe de fonctionnement complète plutôt que du nom de la topologie.

DAB et LLC utilisent tous deux une isolation haute fréquence, mais leurs mécanismes de transfert d'énergie et leurs principales variables de contrôle sont différents. Leur sélection affecte la conception du transformateur, la contrainte de courant, le gain de tension, le comportement de commutation douce, le fonctionnement bidirectionnel et les performances à faible charge.

Principe de fonctionnement du DAB et facteurs de décision techniques

UNdouble pont actif, ou DAB, utilise des ponts à commutation active des deux côtés d'un transformateur haute fréquence.

Étant donné que les deux côtés contiennent des ponts de commutation actifs, la topologie est naturellement adaptée au transfert de puissance bidirectionnel contrôlé.

La puissance est généralement régulée en modifiant la relation temporelle entre les tensions du pont. Dans une implémentation de base, ceci est réalisé grâce à un contrôle de déphasage. Des méthodes de modulation plus avancées peuvent introduire des variables de synchronisation supplémentaires.

L'inductance de fuite du transformateur, ou une inductance série supplémentaire, fait partie du mécanisme de transfert de puissance. Il façonne le courant circulant entre les ponts et apporte l'énergie stockée nécessaire lors des transitions de commutation.

Cela crée à la fois flexibilité et sensibilité.

La même inductance qui permet un transfert de puissance contrôlé affecte également :

• Pente actuelle

• Courant de pointe

• Courant efficace

• Puissance réactive

• Énergie en circulation

• Plage de commutation sans tension

Une stratégie de déphasage de base peut être relativement directe, mais elle ne garantit pas des performances optimales sur un large rapport de tension et une large plage de charge. Des variables de modulation supplémentaires peuvent réduire la contrainte de courant ou étendre la région de commutation douce, mais elles augmentent également la complexité du contrôle et de l'étalonnage.

Les principaux facteurs de sélection du DAB sont :

• Si un flux de puissance bidirectionnel est requis

• Le rapport de tension attendu

• La plage de puissance requise

• Le courant de circulation acceptable

• La plage de commutation douce requise

• La capacité de contrôle disponible

• La cible d'inductance de fuite du transformateur

• Exigences de démarrage, d'inversion et de réponse aux pannes

Principe de fonctionnement de LLC et facteurs de décision d'ingénierie

UnConvertisseur résonant LLCest défini par trois éléments résonants principaux :

• Inductance résonante (L_r)

• Inductance magnétisante du transformateur (L_m)

• Capacité de résonance (C_r)

Une partie ou la totalité de l'inductance résonante peut être mise en œuvre via l'inductance de fuite du transformateur. L'inductance magnétisante appartient à la structure magnétique du transformateur, tandis que le condensateur résonnant est normalement externe.

Le gain de tension est contrôlé principalement en modifiant la fréquence de commutation par rapport aux fréquences de résonance du réseau.

Le convertisseur peut fournir des conditions de commutation favorables lorsque le réservoir résonant est conçu autour des éléments suivants :

• Plage de tension d'entrée

• Tension de sortie

• Plage de charge

• Fenêtre de fréquence de découpage

• Exigence de gain

Si la plage de conversion requise devient trop large, le convertisseur LLC devra peut-être fonctionner loin de sa région de résonance préférée. Cela peut augmenter le courant de circulation, élargir la plage de fréquences de commutation, compliquer la conception magnétique ou réduire la marge de commutation douce disponible.

L’affirmation selon laquelle un convertisseur LLC assure une commutation sans tension ne doit donc pas être interprétée comme inconditionnelle.

La limite réelle de commutation douce dépend de :

• Charger

• Paramètres du réservoir résonant

• Courant magnétisant

• Temps mort

• Capacité de l'appareil

• Gain de tension requis

• Fréquence de commutation

Un étage LLC conventionnel peut également utiliser une rectification passive du côté secondaire. Il ne faut pas supposer que cet agencement offre la même capacité bidirectionnelle qu'un DAB contenant des ponts actifs des deux côtés.

Topologies DC/DC isolées DAB et LLC

Critères de sélection DAB vs LLC

Le DAB constitue généralement l’option la plus directe lorsque le transfert de puissance bidirectionnel contrôlé est une exigence fondamentale.

Le LLC peut être intéressant lorsque la plage de fonctionnement est clairement définie et que le réservoir résonant peut rester dans des conditions proches des conditions favorables pendant la majeure partie du cycle de service.

La décision ne doit pas être basée sur un seul résultat d’efficacité maximale. Une comparaison significative nécessite des rapports de tension, des niveaux de puissance, des technologies de semi-conducteurs, des contraintes magnétiques, des conditions de refroidissement, des fréquences de commutation et des points de charge équivalents.

La conception SST doit coordonner les paramètres magnétiques, de commutation douce et de semi-conducteurs

Paramètres de conception SST couplés

Les composants magnétiques, les conditions de commutation douce et les paramètres des semi-conducteurs ne doivent pas être calculés en tant que lots de travaux distincts.

Chaque domaine de conception modifie les conditions de fonctionnement des autres.

Un transformateur optimisé uniquement pour sa taille peut créer une fuite ou un courant de circulation excessif. Un semi-conducteur sélectionné uniquement pour sa faible perte de conduction peut nécessiter des conditions de commutation que le circuit magnétique ne peut pas fournir. Une condition de commutation logicielle théoriquement valide peut échouer dans le prototype car le réseau parasite réel diffère du modèle.

Pourquoi les paramètres magnétiques affectent les conditions de commutation

Dans un DAB, l'inductance de transfert affecte :

• Pouvoir transféré

• Pente actuelle

• Courant de pointe

• Courant efficace

• Énergie réactive

• Énergie disponible pour les transitions de commutation

Si l'inductance est trop petite, la contrainte de courant peut augmenter rapidement. S'il est trop important, la capacité de transfert de puissance ou la réponse dynamique peuvent devenir restrictives.

La valeur correcte dépend du rapport de tension, de la fréquence de commutation, de la méthode de modulation, du niveau de puissance et du comportement du semi-conducteur.

Dans un convertisseur LLC, (L_r), (L_m) et (C_r) définissent la courbe de gain et les fréquences de résonance. Ils influencent également le courant de circulation, le courant magnétisant, la plage de fréquence de commutation et les limites de commutation douce.

Une modification du transformateur destinée à améliorer l'isolation ou les performances thermiques peut modifier ses inductances de fuite et magnétisantes. Cela peut éloigner le convertisseur de sa zone de fonctionnement prévue.

La conception magnétique ne doit donc pas se limiter à la taille du noyau et à la perte de cuivre. Il devrait également aborder :

• Fuite fonctionnelle ou inductance résonante

• Inductance magnétisante

• Capacité parasite

• Distance d'isolation

• Structure diélectrique

• Disposition des enroulements

• Perte d'enroulement en fonction de la fréquence

• Perte de base

• Chemin thermique

• Comportement en décharge partielle

Pourquoi la sélection des appareils ne peut pas être séparée de la disposition et de la conception thermique

Une fiche technique des semi-conducteurs ne représente pas l’environnement de commutation complet.

La capacité de sortie de l'appareil affecte l'énergie requise pour la commutation sans tension. La charge de grille et la résistance de grille interne affectent les exigences du pilote. L'inductance du boîtier et les interconnexions du PCB influencent le dépassement, la sonnerie et la vitesse de commutation.

Le temps mort doit être coordonné avec le courant disponible pour terminer la transition de commutation. La résistance de grille modifie la vitesse de commutation mais affecte également la perte et le dépassement.

L'alimentation du pilote de grille, la barrière d'isolation, la réponse de protection et le comportement en mode commun doivent être compatibles avec la technologie de semi-conducteur sélectionnée.

La fréquence de commutation se répercute ensuite sur la taille magnétique, la perte de semi-conducteur, les besoins de refroidissement et les contraintes d'isolation.

L'augmentation de la fréquence peut réduire le volume magnétique, mais elle peut également augmenter :

• Perte de commutation

• Perte d'enroulement

• Perte diélectrique

• Concentration thermique

• Sensibilité aux composants parasites

Les décisions électriques, magnétiques, thermiques, d’isolation, de contrôle et d’agencement doivent donc être résolues comme un seul problème de conception coordonné.

Cinq exigences de validation technique pour les projets SST haute tension

Cinq exigences méritent une attention précoce dans le développement de SST haute tension et modulaires :

1. Ne calculez pas indépendamment les composants magnétiques, la commutation douce et les paramètres des semi-conducteurs.

2. Validez séparément le fonctionnement à faible charge.

3. Effectuez des tests de décharge partielle avant l’assemblage complet du prototype.

4. Maintenez l'inductance parasite de la boucle de grille en dessous de l'objectif spécifié du projet.

5. Définissez la stratégie de contournement avant de construire un système multi-modules.

Ces exigences étaient associées à des projets SST labellisés≥3 kV. L'étiquette de tension est incomplète à moins que l'emplacement de tension pertinent et sa base AC ou DC ne soient définis.

Cinq exigences de validation technique SST haute tension

Valider séparément le fonctionnement en charge légère

Les performances à charge nominale n’établissent pas les performances à charge légère.

Dans un DAB, la commutation sans tension dépend en partie de l'énergie stockée dans l'inductance de transfert. À puissance transférée inférieure, le courant disponible peut être insuffisant pour charger et décharger les capacités semi-conductrices pendant l'intervalle de commutation.

Le convertisseur peut donc perdre la commutation douce même lorsque sa forme d'onde de charge nominale est satisfaisante.

La consommation auxiliaire représente également une part plus importante de la puissance d’entrée à faible charge. Les circuits d'attaque de grille, d'électronique de commande, de détection, de refroidissement et de précharge peuvent dominer les pertes qui sont moins importantes à la puissance nominale.

Une étape LLC peut rencontrer une limitation différente. Le maintien de la régulation à faible charge peut nécessiter un changement important de fréquence de commutation ou un mode de fonctionnement dédié à faible charge.

La validation à faible charge doit examiner :

• Formes d'onde des nœuds de commutation

• Marge de commutation sans tension

• RMS et courant de circulation

• Stabilité de la boucle de contrôle

• Consommation d'énergie auxiliaire

• Régulation de sortie

• Répartition thermique

Aucun pourcentage de charge fixe ne doit être traité comme une définition universelle de la charge légère. Les points de test doivent refléter le cycle de service réel de l'application.

Effectuer des tests de décharge partielle avant l'assemblage complet du prototype

Le risque de décharge partielle doit être évalué avant que la structure isolante ne soit verrouillée dans l'ensemble mécanique complet.

Les premiers tests peuvent révéler des faiblesses dans :

• Enroulements du transformateur

• Isolation intercalaire

• Matériaux d'empotage

• Terminaux

• Structures de bus

• Connecteurs

• Régions de concentration de champ électrique

La détection de ces problèmes avant l'assemblage final permet de localiser plus facilement le défaut et de réviser la géométrie de l'isolation.

CEI 60270:2025définit le cadre général basé sur la charge pour la terminologie des décharges partielles, les quantités, les fréquences de mesure, les circuits de test, l'étalonnage, les méthodes de mesure et la gestion des interférences. Elle s'applique aux mesures de décharges partielles basées sur la charge dans les appareils, composants et systèmes électriques dans des conditions de test AC ou DC spécifiées. (Boutique en ligne CEI)

La CEI 60270 n'établit pas de limite universelle d'acceptation du SST et ne précise pas non plus que tous les tests doivent avoir lieu avant l'assemblage du prototype.

La tension d'essai requise, la tension d'initialisation de décharge partielle, la tension d'extinction, la limite de charge apparente, la durée et les critères d'acceptation doivent être déterminés à partir des exigences d'équipement applicables, de la coordination de l'isolation, de la norme de produit ou des spécifications du client.

Les tests précoces de décharge partielle sont une mesure de séquencement technique et ne remplacent pas la qualification finale du système.

Maintenir l'inductance parasite de la boucle de grille en dessous de 10 nH

Pour la conception de commutation à grande vitesse considérée ici, l'inductance parasite de la boucle de grille doit rester inférieure à10 nH.

Cet objectif doit être traité comme une limite spécifique au projet plutôt que comme une règle SST universelle. La valeur appropriée dépend de :

• Technologie des semi-conducteurs

• Pack d'appareils

• Placement des chauffeurs

• Vitesse de commutation

• Résistance de grille

• Implémentation de la source Kelvin

• Limite de mesure ou d'extraction

L'inductance de boucle de grille affecte le comportement d'activation et de désactivation. Une inductance excessive peut contribuer à :

• Dépassement de tension de grille

• Sous-dépassement de la tension de grille

• Oscillation

• Commutation retardée

• Allumage parasite

• Augmentation de la perte de commutation

• Surcharge de l'appareil

• Efficacité de protection réduite

Le pilote de grille doit être placé à proximité du dispositif semi-conducteur. Le chemin allant de la sortie du conducteur à la porte et retour au retour du conducteur doit être court et compact.

Le cas échéant, une connexion source Kelvin ou émetteur Kelvin doit séparer le retour du variateur de grille du chemin principal du courant électrique.

L'inductance finale doit être vérifiée dans le schéma réel plutôt que déduite du seul schéma.

Définir une stratégie de contournement avant de construire un SST modulaire

La modularité ne garantit pas automatiquement la tolérance aux pannes.

Un SST multicellulaire peut continuer à fonctionner après une panne de module uniquement lorsque l'architecture a été conçue pour cette condition.

Le système peut nécessiter :

• Capacité de tension redondante

• Un chemin de contournement physique

• Détection des défauts

• Isolement d'anomalie

• Reconfiguration du contrôle

• Redistribution de tension

• Un mode de fonctionnement dégradé défini

Ces fonctions doivent être traitées séparément.

Détection des défautsidentifie un module anormal.
Isolement d'anomalieempêche la propagation du défaut.
Contournement physiquecrée un chemin de courant alternatif.
Reconfiguration du contrôlemodifie les commandes appliquées aux modules restants.
Redistribution de tensionempêche les modules sains d'être surchargés.
Fonctionnement dégradédéfinit le niveau de puissance restant admissible.

Un commutateur de dérivation sans marge de tension suffisante dans les modules restants ne crée pas un système insensible aux pannes.

De même, les modules redondants sans séquences validées de détection, d'isolation et de contrôle peuvent ne pas améliorer la disponibilité pratique du système.

La stratégie de contournement doit donc être établie avant que les caractéristiques nominales du module, la structure d'isolation, la hiérarchie de contrôle et le matériel de protection ne soient finalisés.

Définir la signification de la limite ≥3 kV

L’expression « applicable aux projets SST ≥3 kV » est incomplète à moins que la tension référencée ne soit identifiée.

Il peut faire référence à :

• Tension ligne à ligne d'entrée CA

• Tension CA ligne-terre

• Tension du circuit intermédiaire

• Tension de sortie

• Tension des modules individuels

• Tension d'essai d'isolation

• Évaluation complète du système

Ces valeurs ne sont pas interchangeables.

Une liaison CC de 3 kV et un système CA de 3 kV ne créent pas d'exigences identiques en matière de semi-conducteur, d'isolation, de mise à la terre ou de test.

Une architecture en cascade peut également diviser la tension du système entre plusieurs modules, rendant la contrainte électrique au niveau du module très différente de la tension aux bornes.

Les cinq exigences techniques restent pertinentes, mais l'étiquette ≥3 kV ne doit pas être convertie en une classification formelle de tension ou un seuil de test obligatoire tant que sa référence électrique n'est pas définie.

Un flux de travail pratique de sélection de topologie SST

Le développement de la SST doit être traité comme un processus itératif.

La topologie initiale définit l'espace de conception, mais les calculs de paramètres et les résultats de validation peuvent nécessiter une révision de la topologie ou de la plage de fonctionnement.

Étape 1 : Définir les fonctions du système avant de sélectionner une topologie

La première tâche consiste à déterminer ce que le SST doit accomplir.

Les exigences doivent définir :

• Domaines de tension d'entrée et de sortie

• Interfaces CA et CC

• Exigences d'isolation galvanique

• Sens du flux de puissance

• Puissance continue et crête

• Profil de charge attendu

• Ports CC requis

• Fonctions de qualité d'énergie

• Exigences de redondance et de fonctionnement sur panne

• Contraintes de refroidissement et d’installation

• Exigences d’isolation et de décharge partielle

• Capacité de maintenance

Ce n'est qu'une fois ces fonctions claires que la topologie du convertisseur doit être sélectionnée.

Un système nécessitant un flux de puissance inversé contrôlé ne doit pas être évalué de la même manière qu’une alimentation régulée unidirectionnelle. Une interface modulaire moyenne tension nécessite également un processus de décision différent de celui d'un seul convertisseur basse tension.

Étape 2 : Concevoir ensemble les paramètres électriques, magnétiques, thermiques et de contrôle

La topologie sélectionnée établit des relations entre la contrainte du semi-conducteur, la fréquence de commutation, les paramètres du transformateur, l'inductance de résonance ou de transfert, les variables de contrôle et les limites thermiques.

La conception des paramètres doit suivre une boucle coordonnée :

1. Définir la contrainte électrique et la plage de fonctionnement.

2. Sélectionnez les technologies de semi-conducteurs et les classes de tension candidates.

3. Établir les fréquences de commutation et les méthodes de modulation possibles.

4. Concevez le transformateur et l'inductance fonctionnelle.

5. Recalculez la contrainte actuelle et les limites de commutation douce.

6. Estimer les pertes semi-conductrices et magnétiques.

7. Vérifier la faisabilité thermique.

8. Revoir les contraintes d’isolation et d’aménagement.

9. Répétez jusqu'à ce que les conceptions électriques et physiques soient cohérentes.

Le résultat final doit décrire une carte de fonctionnement plutôt qu'un point de fonctionnement évalué.

Étape 3 : Valider la plage de charge, l'isolation, les boucles de commutation et le fonctionnement en cas de défaut

La validation technique doit couvrir bien plus que la puissance nominale et le rendement maximal.

Le programme de test doit inclure :

• Conditions de tension nominale et hors nominale

• Fonctionnement à pleine charge

• Fonctionnement à faible charge

• Inversion du flux de puissance le cas échéant

• Démarrage et arrêt

• Comportement de l'isolation

• Dynamique de boucle de commutation

• Limites thermiques

• Fonctionnement de bypass modulaire

Un test de charge nominale réussi prouve seulement qu'une seule condition de fonctionnement a été atteinte.

Si la validation révèle une marge de commutation douce insuffisante, une contrainte de courant excessive, une dérive du point médian, une faiblesse de l'isolation, une concentration thermique ou des problèmes de récupération des défauts, la conception doit revenir à l'étape des paramètres ou de la topologie.

Flux de travail de développement itératif SST

Erreurs courantes de sélection de topologie SST

Traiter un SST comme une version électronique d'un transformateur conventionnel

Cette approche ignore la principale raison d'utiliser un SST : l'intégration de fonctions contrôlées de conversion, d'isolation, d'accès CC et de qualité de l'énergie.

Lorsque seuls un abaisseur de tension passif et une isolation sont requis, un transformateur conventionnel peut rester la solution technique la plus efficace.

Choisir une topologie à trois niveaux sans planifier un contrôle de point neutre

Une contrainte nominale inférieure des semi-conducteurs n’élimine pas la complexité du système.

Une conception NPC doit gérer la tension du bus divisé, les états de commutation redondants, le démarrage, l'arrêt, les conditions anormales et le séquençage de la protection.

Le comportement du point neutre doit être inclus dès le début dans la spécification de contrôle et de validation.

Sélection de DAB ou LLC à partir d'un numéro d'efficacité unique

Les données d'efficacité ne sont significatives que lorsque les conditions de fonctionnement sont comparables.

Le rapport de tension, le niveau de puissance, la technologie des semi-conducteurs, la conception du transformateur, la modulation, la fréquence de commutation, le refroidissement et le point de charge peuvent tous modifier le résultat.

Une valeur d’efficacité maximale ne décrit pas l’enveloppe opérationnelle complète.

En supposant que les tests de charge nominale terminent le processus de validation

La commutation à faible charge, le comportement de l'isolation, la dynamique de boucle de grille, la distribution thermique et la gestion modulaire des défauts peuvent échouer même lorsque la conversion de puissance nominale semble normale.

Le plan de validation doit refléter les conditions de fonctionnement réelles et les états de panne crédibles du système.

Conclusion : sélectionnez l'architecture SST comme système complet

Un transformateur à semi-conducteurs devient utile lorsqu'une application nécessite plus qu'une simple transformation de tension passive.

Son dossier d'ingénierie est basé sur l'intégration de l'isolation, de la conversion AC/DC, de la conversion DC/DC, du flux d'énergie contrôlé, des ports DC et des fonctions de qualité d'alimentation.

Cette intégration rend également la sélection de topologie plus exigeante.

Un frontal à deux niveaux peut constituer la solution la plus directe lorsque les contraintes et le filtrage des semi-conducteurs restent gérables.

Une structure NPC à trois niveaux peut améliorer la répartition des contraintes de tension et réduire les échelons de tension des nœuds de commutation, mais elle introduit des dispositifs supplémentaires, des états de commutation et des exigences de contrôle du point neutre.

Un étage isolé DAB est bien adapté au transfert de puissance bidirectionnel contrôlé, mais sa contrainte de courant et sa plage de commutation douce dépendent de l'inductance, du rapport de tension, de la charge et de la modulation.

Un étage LLC peut fournir un fonctionnement résonnant favorable dans une plage de gain définie, mais sa plage de fréquences et son comportement de commutation douce doivent être validés sur l'ensemble du cycle de service réel.

Une décision topologique est incomplète tant que la conception magnétique, la carte des contraintes du semi-conducteur, les limites thermiques, la structure d'isolation, l'enveloppe de contrôle, le comportement sous charge légère et la stratégie de fonctionnement en cas de défaut n'ont pas été vérifiés ensemble.

Foire aux questions

Quelle est la principale différence entre un transformateur statique et un transformateur conventionnel ?

Un transformateur conventionnel assure principalement une transformation de tension passive et une isolation galvanique.

Un SST combine l'isolation avec une conversion AC/DC et DC/DC contrôlée activement, un contrôle du flux d'énergie, un accès DC et potentiellement des fonctions de qualité d'alimentation. Le SST offre des fonctionnalités système plus larges, tandis que le transformateur conventionnel reste très compétitif pour une transformation de tension simple et fiable.

Quand un SST doit-il utiliser une topologie de convertisseur à deux ou trois niveaux ?

Une topologie à deux niveaux convient lorsque la tension du circuit intermédiaire, les caractéristiques nominales des appareils, les performances de commutation et les exigences de filtrage peuvent être gérées sans complexité multiniveau supplémentaire.

Une topologie à trois niveaux devient intéressante lorsque la répartition des contraintes de tension des semi-conducteurs ou la réduction des échelons de tension des nœuds de commutation offrent suffisamment d'avantages pour justifier des dispositifs supplémentaires, des états de commutation et des exigences d'équilibrage de tension.

Pourquoi l'équilibrage de la tension du point neutre est-il important dans un convertisseur NPC à trois niveaux ?

Un convertisseur NPC utilise une liaison CC divisée pour créer des niveaux de commutation (+V_{dc}/2), (0) et (-V_{dc}/2).

Une charge inégale des condensateurs du circuit intermédiaire supérieur et inférieur peut décaler la tension médiane, fausser les niveaux de commutation prévus et modifier la contrainte des semi-conducteurs. Le chargement, la modulation, le démarrage, l’arrêt et la direction du flux d’énergie peuvent tous influencer l’équilibre.

Le DAB ou le LLC sont-ils meilleurs pour l'étage DC/DC isolé d'un SST ?

Aucune des deux topologies n’est universellement meilleure.

Le DAB est généralement plus direct lorsque le flux de puissance bidirectionnel actif est essentiel. Le LLC peut être intéressant lorsque la plage de gain est bien contrôlée et que le réservoir résonant peut rester dans des conditions de fonctionnement proches des conditions favorables.

La sélection doit prendre en compte le rapport de tension, la plage de charge, les limites de commutation douce, le courant de circulation, la conception magnétique et la complexité du contrôle.

Pourquoi les performances du SST sous charge légère doivent-elles être testées séparément ?

Les conditions de commutation douce et le comportement de régulation peuvent changer considérablement à faible puissance.

Un DAB peut ne plus disposer d'une énergie inductive suffisante pour maintenir une commutation sans tension. Une LLC peut nécessiter un changement de fréquence de commutation plus important ou un mode de charge légère dédié.

La consommation auxiliaire devient également une part plus importante de la perte totale, de sorte que les résultats de charge nominale ne peuvent pas prédire l'efficacité ou la stabilité à faible charge.

Que faut-il valider avant d'assembler un prototype SST haute tension ?

L'équipe de conception doit valider les paramètres couplés magnétiques, de commutation douce et de semi-conducteur ; comportement à faible charge ; performances d'isolation et de décharge partielle ; disposition en boucle de porte ; distribution thermique; et stratégie de fonctionnement en cas de panne.

Dans un système modulaire, le fonctionnement du bypass et la reconfiguration du contrôle doivent être définis avant que les caractéristiques nominales des modules et le matériel de protection ne soient finalisés.