Comment modéliser et commander un onduleur à trois niveaux de type T

Principaux enseignements

• Une configuration de type T permet d'atteindre trois niveaux de tension avec quatre dispositifs par phase, en privilégiant un chemin de conduction plus court au détriment d'une répartition uniforme de la contrainte sur les dispositifs.
• La dérive du point neutre définit la limite pratique de contrôle, et c'est au niveau des états de commutation redondants à l'intérieur du modulateur qu'elle est corrigée.
• C'est grâce à la modélisation au niveau du dispositif de la branche intermédiaire que les résultats obtenus en laboratoire avec le contrôle à trois niveaux se confirment sur le matériel.

Une branche d'onduleur de type T atteint trois niveaux de tension de sortie grâce à quatre commutateurs par phase, et c'est son chemin bidirectionnel au point médian qui présente la plus grande difficulté de contrôle.

Cette topologie intègre un commutateur bidirectionnel entre la sortie de phase et le point médian d'un circuit intermédiaire en courant continu divisé. Cette branche permet d'obtenir un état zéro pur sans avoir recours aux diodes de blocage dont une branche NPC a besoin, et le nombre réduit de composants dans le circuit se traduit par une diminution des pertes par conduction. En contrepartie, on renonce à une répartition uniforme des contraintes sur les composants de la branche.

Les convertisseurs côté réseau mettent particulièrement à l'épreuve ce compromis. Les centrales solaires représentent 51 % des 86 GW de nouvelle capacité à grande échelle que les promoteurs américains prévoient de mettre en service en 2026, et la quasi-totalité de cette énergie est acheminée via un onduleur à source de tension. C'est la capacité à garantir le bon comportement du point neutre en cas de charge déséquilibrée qui fait la différence entre une conception fonctionnelle et un modèle qui ne fait que paraître correct.

Comment un circuit en T permet d'obtenir trois niveaux de tension

Un circuit de type T génère des niveaux de sortie positifs, nuls et négatifs à partir de quatre commutateurs. La paire extérieure relie la phase au rail CC supérieur ou inférieur. Le commutateur bidirectionnel situé au milieu relie la phase à la jonction du condensateur, ce qui permet à la sortie de varier par incréments d'un demi-rail.

Prenons une ligne de 800 V divisée en deux moitiés de 400 V par des condensateurs en série. Les commutateurs extérieurs font osciller la phase entre +400 V et -400 V autour de cette jonction, tandis que la branche centrale la maintient à zéro. La forme d'onde entre phases comporte alors cinq niveaux.

Cette réduction de moitié permet de financer les composants supplémentaires. Les inductances de filtrage deviennent plus petites, la composante en mode commun diminue, et le dv/dt atteignant les enroulements du moteur diminue en conséquence. Vous constaterez également que le spectre harmonique se déplace vers les hautes fréquences, puisque la fréquence de commutation effective en sortie double.

Pourquoi le commutateur bidirectionnel à point milieu complique la commutation

La branche centrale doit bloquer et conduire dans les deux sens ; elle est donc constituée de deux dispositifs montés dos à dos. Chaque transition entre le niveau zéro et un niveau de rail se fait par commutation entre cette paire et un commutateur extérieur, et c'est le sens du courant qui détermine quel dispositif se désactive.

Les configurations courantes consistent à disposer deux IGBT en configuration à émetteur commun, ou deux IGBT à blocage en inverse face à face. Une conception au carbure de silicium utilise souvent deux MOSFET source à source. Chaque option modifie le nombre de signaux de commande de grille, l’isolation et la récupération inverse ; par conséquent, considérer la branche comme un seul commutateur idéal ne permet pas de prendre en compte la répartition des pertes.

Le temps mort constitue la deuxième complication. La commutation vers un rail passe par une fenêtre où aucun des deux dispositifs n’est conducteur, et le courant circule en roue libre à travers une diode que vous n’aviez pas prévu d’utiliser. Ces petites erreurs de tension s’accumulent sous forme de distorsion d’ordre inférieur. Résolvez le problème de protection contre la conduction croisée dans un modèle avant de passer au banc d’essai.

La principale différence entre les branches d'onduleurs de type T et de type NPC

La principale différence entre une branche de type T et une branche à point neutre verrouillé réside dans l'emplacement de la tension de blocage. Une branche NPC répartit la tension totale de la ligne entre deux dispositifs montés en série et verrouille la jonction à l'aide de diodes. Une branche de type T comporte deux commutateurs externes à pleine tension et achemine l'état zéro via une branche à tension inférieure.

Si l'on examine le chemin de conduction, la différence apparaît clairement. Au niveau zéro, une branche de type NPC conduit le courant à travers deux commutateurs en série et une diode de blocage, tandis qu'une branche de type T utilise les deux composants de la branche intermédiaire. Au niveau du rail, la branche de type T n'utilise qu'un seul composant.

Le seuil de basculement est plus important que n’importe quel chiffre de perte pris isolément. Le NPC prend l’avantage au-delà d’environ 1 kV, seuil à partir duquel les dispositifs externes de type T doivent disposer d’une capacité de blocage qui devient coûteuse. En dessous de ce seuil, la branche de type T s’impose généralement en termes de perte totale.

Comment la tension de contrainte se répartit dans les dispositifs de type T

La répartition des contraintes est volontairement asymétrique. Les deux commutateurs extérieurs bloquent la totalité de la tension de la liaison et subissent les transitions de commutation brutales, tandis que la paire centrale bloque la moitié de la liaison dans des conditions bien plus douces. La conception thermique doit tenir compte de cette asymétrie.

Une paire centrale de 650 V sous une paire externe de 1 200 V constitue une configuration habituelle pour une liaison de 800 V. Les composants externes absorbent les pertes de commutation à chaque transition de rail, ce qui fait que leur température de jonction augmente avec la fréquence. Les composants centraux restent conducteurs plus longtemps ; c’est pourquoi la résistance à l’état passant y est plus importante.

Il en découle deux conséquences. La disposition du dissipateur thermique n'est plus symétrique, car la puce la plus chaude ne se trouve pas au centre du module. Les courbes de déclassement dépendent désormais de la topologie, car une fréquence de commutation plus élevée affecte les composants situés à l'extérieur, tandis qu'un courant plus élevé affecte la branche. Se baser sur une seule valeur de perte globalisée conduirait à un dimensionnement incorrect du système de refroidissement.

« La disposition du dissipateur thermique n'est plus symétrique, car la puce la plus chaude ne se trouve pas au centre du module. »

Quelles sont les causes de la dérive de tension au point neutre dans les onduleurs de type T ?

La dérive du point neutre résulte d'un déséquilibre entre les charges entrant et sortant de la jonction du circuit intermédiaire. Chaque fois qu'une branche se trouve à l'état zéro, un courant de phase circule vers ou depuis le point médian du condensateur. Ces contributions s'annulent rarement au cours d'un cycle fondamental ; par conséquent, un condensateur se charge tandis que l'autre se décharge.

Lorsque l'on fait fonctionner un onduleur triphasé de type T avec un facteur de puissance unitaire, le courant au point milieu est en moyenne proche de zéro. Si l'on réduit le facteur de puissance ou si l'on injecte du courant réactif pour soutenir le réseau, cette compensation moyenne cesse de s'appliquer. Les tensions aux condensateurs s'écartent les unes des autres jusqu'à ce que les niveaux de sortie perdent leur symétrie.

La correction s'effectue généralement au sein du modulateur. Les états de commutation redondants offrent deux façons de synthétiser le même vecteur de sortie, avec des effets opposés sur la jonction ; ainsi, un terme d'équilibrage choisit l'état qui ramène les tensions des condensateurs l'une vers l'autre. Des condensateurs de liaison plus importants ralentissent la dérive et permettent de gagner du temps. Si cet équilibre est mal réglé, vous observerez une ondulation impossible à contrôler.

Choix d'un mode de modulation pour un onduleur de type T

La modulation détermine les pertes de commutation, le contenu harmonique et le degré de contrôle que l'on conserve sur le point neutre. La modulation PWM à porteuse décalée en niveau est simple et offre des spectres prévisibles. La modulation vectorielle spatiale met directement en évidence les états redondants, ce qui facilite l'équilibrage des jonctions, au prix d'une charge de calcul plus importante.

Cinq facteurs déterminent généralement le choix.

• Budget des pertes de commutation, étant donné que les schémas discontinus limitent chaque phase à 120 degrés.
• L'autorité du point neutre, qui dépend de la quantité de sélection d'états redondants qu'un schéma laisse disponible.
• Performances harmoniques à proximité de la fréquence d'angle du filtre, mesurées par rapport à votre code de réseau.
• La tension en mode commun, qui joue un rôle important dans les courants de roulement des moteurs et les installations solaires sans transformateur.
• Temps d'exécution du contrôleur, car les algorithmes prédictifs évaluent chaque état candidat à chaque instant d'échantillonnage.

Le contrôle prédictif par modèle s'est imposé sur les jambes de type T, car une fonction de coût prend en compte à la fois le suivi du courant et l'équilibre des condensateurs. Chaque état est évalué en fonction de son effet réel plutôt que d'un modèle moyen. En contrepartie, la fréquence de commutation est variable et la charge est suffisamment importante pour nécessiter l'utilisation d'un FPGA.

Simulation en temps réel du comportement du point milieu d'un circuit de type T

La simulation en temps réel d'un circuit de type T doit traiter la branche médiane comme deux dispositifs distincts, chacun ayant ses propres états de conduction. Les modèles moyennés masquent les détails de la commutation sur lesquels s'appuient les actions de régulation ; par conséquent, un comportement validé par rapport à une installation moyennée ne correspondra pas à celui du matériel.

Les marges de rendement justifient cette fidélité. Un prototype de type T en carbure de silicium de 2,2 kW a affiché un rendement de 99,29 % à 20 kHz, contre 98,43 % pour une référence à deux niveaux, avec une distorsion passant de 3,11 % à 1,36 %. Des marges aussi étroites n'apparaissent que si le modèle prend en compte les pertes dispositif par dispositif. OPAL-RT simule la branche de type T sur un FPGA avec des pas de temps inférieurs à la microseconde, de sorte que le contrôleur testé soit confronté à la séquence de commutation qu’il rencontrera sur le matériel.

Simulation HIL C'est lors des essais que l'on récolte les fruits de son travail. Vous pouvez piloter le contrôleur de production à l'aide d'un modèle de réseau intégrant la tolérance des condensateurs, le temps mort et les conditions de déséquilibre du réseau, puis observer la réponse de la boucle d'équilibrage à pleine vitesse. Les cas de défauts qui s'avèrent coûteux lors d'essais au banc peuvent être simulés en toute sécurité dans le modèle.

« Des marges aussi faibles n'apparaissent que si le modèle prend en compte les pertes appareil par appareil. »

Dans quels cas la discipline de régulation de type T est-elle présente en laboratoire ?

La réussite ou l'échec des conceptions de type T dépendent des détails de la branche centrale. Le choix des composants, le temps mort, le dimensionnement des condensateurs et le terme d'équilibrage agissent tous sur le même nœud, et aucun d'entre eux ne peut être réglé isolément. Les équipes qui les traitent comme un seul et même problème terminent plus rapidement.

Ce schéma se répète d'un projet à l'autre. Une équipe qui valide sa boucle d'équilibrage par rapport à une installation moyenne réussit la simulation, puis passe des semaines à rechercher les harmoniques d'ordre inférieur sur banc d'essai, car le modèle n'a jamais reproduit le déséquilibre de charge généré par le matériel. Une équipe qui résout la branche identifie ce problème en une semaine.

C'est grâce à une modélisation minutieuse du trajet du point médian que les schémas de contrôle à trois niveaux peuvent être testés par rapport à la topologie telle qu'elle est réellement dessinée, et c'est pourquoi OPAL-RT construit la branche de type T au niveau des composants plutôt que sous la forme d'un bloc moyenné. Cette rigueur ne facilite pas le travail de conception. Mais elle donne tout son sens à vos résultats de laboratoire.