Modélisation d'onduleurs à point neutre actif verrouillé pour des conceptions à haut rendement

Principaux enseignements

• L'efficacité de l'ANPC repose sur une répartition contrôlée des pertes entre les différents dispositifs ; ainsi, les détails de la séquence de commutation sont tout aussi importants que la topologie elle-même.
• L'équilibre du point neutre, le temps mort et le choix de l'état zéro influencent la dispersion thermique, ce qui signifie que les modèles basés sur des moyennes ne tiennent pas compte de risques de conception importants.
• Une validation précise en temps réel, avec commutation, vous offre un moyen pratique de tester le contrôle de l'équilibrage des pertes avant que les choix matériels ne soient définitifs.

Les conceptions à point neutre verrouillé actif à haut rendement ne sont valables que si votre modèle tient compte des détails de commutation qui transfèrent les pertes d'un composant à l'autre.

Les ventes de voitures électriques ont atteint près de 14 millions d'unités en 2023, soit environ 18 % de l'ensemble des voitures vendues. Compte tenu de cette ampleur, chaque dixième de pour cent de rendement en plus pour un convertisseur mérite d'être recherché. Un convertisseur ANPC permet d'obtenir ces gains grâce à une répartition délibérée des pertes et à un contrôle précis des circuits internes. Il est indispensable de recourir à une modélisation qui tienne compte de la commutation des dispositifs, du courant au point neutre et de la synchronisation du contrôleur, sans quoi vous risquez d'approuver une conception qui ne semble équilibrée que sur le papier.

Ce que modifie un onduleur à point neutre fixe actif

Un onduleur à point neutre verrouillé actif intègre des commutateurs actifs dans le circuit de verrouillage du point neutre, ce qui permet à la branche de choisir le trajet du courant à chaque état de commutation. Cette liberté supplémentaire modifie les pertes, influe sur le courant au point neutre et change la manière dont la chaleur se propage dans la branche de phase. Il en résulte une branche à trois niveaux offrant un meilleur contrôle du rendement.

Une branche standard à trois niveaux utilise des diodes de blocage ou des chemins fixes qui limitent l'acheminement du courant lors de la commutation. Une branche ANPC remplace une partie de cette action fixe par des commandes de commutation, ce qui permet d'obtenir le même état de sortie via différents chemins internes. Un variateur de vitesse peut utiliser un chemin proche du courant positif et un autre proche du courant négatif. Ce choix permet de diriger les contraintes liées à la mise sous tension et à la coupure vers les composants disposant d'une marge thermique suffisante.

Vous ne vous contentez plus d'évaluer la branche uniquement en fonction de la qualité de la tension secteur. Vous évaluez également quels composants absorbent de la chaleur tout au long d'un cycle de fonctionnement complet. Cela rend cette topologie intéressante pour les conceptions à haut rendement, mais rend également les modèles basés sur des moyennes grossières moins utiles. Si le modèle masque les chemins de courant internes, il masque la raison d'être de l'ANPC.

Pourquoi les branches de l'ANPC répartissent les pertes de commutation entre les appareils

Les branches ANPC répartissent les pertes de commutation sur un plus grand nombre de composants, car il existe plusieurs chemins de courant valides pour un même état de sortie. Le contrôleur peut alterner les commutateurs chargés d'effectuer les événements de commutation brutale. Cela permet de réduire les contraintes répétées sur un petit sous-ensemble de composants. La chaleur sera toujours présente, mais elle ne s'accumulera pas sur les mêmes puces à chaque cycle.

Un onduleur photovoltaïque à moyenne tension en est un exemple frappant. Les dispositifs externes sont souvent soumis à des tensions plus élevées, tandis que les dispositifs internes et les dispositifs de limitation présentent des intervalles de conduction différents. La commande ANPC permet d’alterner les états zéro, de sorte qu’un même dispositif ne soit pas toujours celui qui se désactive en cas de courant élevé. Cela réduit les variations de température au niveau des jonctions locales, même si les pertes totales du convertisseur restent pratiquement inchangées.

Ce qu'il faut retenir, c'est que la compensation des pertes dépend de la stratégie de commutation et ne se fait pas spontanément. Une mauvaise modulation peut entraîner une élévation de température nettement plus importante d'un commutateur de verrouillage actif par rapport à ses voisins, ce qui va à l'encontre de l'objectif de cette topologie. Il faut disposer des détails de la séquence de commutation pour identifier ce phénomène. Le courant moyen et le rapport cyclique moyen ne suffisent pas à eux seuls à déterminer quel composant a supporté la charge lors de chaque transition.

« Ce qu’il faut retenir, c’est que la compensation des pertes découle de la stratégie de commutation et ne se produit pas d’elle-même. »

En quoi un onduleur ANPC diffère-t-il d'un onduleur NPC standard ?

La principale différence entre un convertisseur ANPC et un onduleur NPC standard réside dans le contrôle des chemins de commutation au sein de chaque état de tension. Dans un onduleur NPC standard, chaque branche est bloquée par des éléments fixes ; l'emplacement des pertes est donc largement déterminé par la topologie. Dans un convertisseur ANPC, chaque branche utilise des composants actifs dans ces chemins de blocage, ce qui permet de redistribuer les pertes de commutation et les contraintes thermiques grâce à un contrôle actif.

Prenons l'exemple d'un onduleur de traction pour illustrer cela concrètement. Une branche NPC offre souvent un partage de tension prévisible et une bonne qualité de forme d'onde, mais certains composants sont soumis de manière répétée aux événements de commutation les plus intenses. Une branche ANPC conserve les avantages du système à trois niveaux tout en ouvrant des voies de commutation alternatives. Ce choix supplémentaire s'avère utile lorsqu'une zone du dissipateur thermique devient plus chaude, ou lorsqu'une technologie de composant présente des pertes de commutation plus faibles mais des pertes par conduction plus élevées.

Vous opterez pour l'ANPC lorsque la distribution thermique est tout aussi importante que la qualité de la forme d'onde. C'est souvent le cas dans les chargeurs haute puissance, les convertisseurs de réseau et les systèmes de traction, où les contraintes liées au boîtier fixent la limite maximale. L'ajout de composants supplémentaires n'a de sens que si le contrôleur les exploite correctement. Votre méthode de modélisation doit le démontrer avant que les choix matériels ne soient définitifs.

Comment les états de commutation influencent le courant au point neutre

Les états de commutation influencent le courant au point neutre, car chaque état « zéro » relie la branche de phase au circuit intermédiaire de courant continu divisé par un chemin interne différent. Ces choix de chemins déterminent quel condensateur se charge ou se décharge au cours de chaque intervalle. L'équilibre au point neutre résulte de la sélection cumulative des états au fil du temps. De légères variations de synchronisation modifient immédiatement ce courant.

Un convertisseur raccordé au réseau présentant un facteur de puissance proche de l'unité illustre clairement ce phénomène. Au cours d'un demi-cycle, un courant positif et un état zéro sélectionné peuvent prélever du courant du condensateur supérieur plus souvent que du condensateur inférieur. Un schéma d'états zéro différent inverse cette tendance. Les deux schémas peuvent produire la même tension de sortie, mais le comportement au point médian sera très différent.

C'est pourquoi l'équilibre du point neutre ne peut pas être considéré comme un effet secondaire. Si vous vous contentez de régler la distorsion harmonique totale et la perte moyenne, la dérive du point neutre vous surprendra sous un autre angle de charge ou un autre indice de modulation. Un modèle utile doit conserver les détails au niveau de l'état qui génèrent ces courants de condensateur. Une fois ces détails mis en évidence, vous pouvez faire un compromis entre le contrôle du point neutre et les pertes de commutation de manière réfléchie, plutôt que de vous fier à des suppositions.

Quelles mesures de contrôle permettent de préserver les gains d'efficacité de l'ANPC ?

Les gains d'efficacité de l'ANPC sont préservés lorsque les objectifs de régulation incluent le placement des pertes, l'équilibre au point médian, le comportement en temps mort, la dispersion thermique et la continuité de la modulation. Ces objectifs permettent de tirer pleinement parti de la liberté de commutation supplémentaire. Un régulateur qui optimise uniquement la qualité de la tension de sortie ne tirera pas pleinement parti du principal avantage de cette topologie. Le meilleur ensemble d'objectifs relie les résultats électriques et thermiques à une même logique de commande.

• Veiller à ce que la sélection de l'état zéro reste liée au sens de circulation et à la zone de fonctionnement.
• Suivre la dérive du point neutre sur un cycle électrique complet, et non sur un seul échantillon.
• Limiter les commutations « dures » répétées sur la même paire d'appareils.
• Vérifiez les effets du temps mort tant sur les pertes que sur le courant au point médian.
• Utilisez le déséquilibre thermique comme indicateur de contrôle, et pas seulement comme résultat en fin de processus.

Une branche de charge fonctionnant à faible charge pendant une plage de fonctionnement et à forte charge pendant une autre mettra rapidement en évidence les points faibles du système. Un temps mort qui semble inoffensif au courant nominal peut fausser le partage de l'état zéro en cas de faible charge. Cela déplace le courant médian et entraîne des pertes inattendues au niveau des dispositifs de limitation. Vous ne conserverez les gains ANPC que si le contrôleur mesure simultanément les performances en termes électriques et thermiques.

Ce qu'une simulation utile de convertisseur ANPC doit prendre en compte

Une simulation utile d’un convertisseur ANPC doit prendre en compte les états de commutation, le temps mort, les chemins de conduction des composants, le comportement du condensateur au point neutre et la synchronisation du contrôleur, avec une résolution suffisamment fine pour préserver les événements de commutation. Ces détails constituent le mécanisme qui sous-tend l’équilibrage des pertes. Si le modèle les néglige en les moyennant, son résultat en termes de rendement paraîtra correct mais restera erroné. La fidélité prime sur la vitesse apparente.

En 2023, les énergies renouvelables à grande échelle ont représenté 21,4 % de la production d’électricité à grande échelle aux États-Unis. À cette échelle de fonctionnement, les convertisseurs passent davantage d’heures en modes de charge partielle et de soutien du réseau, où les choix d’état zéro jouent un rôle important. Un modèle moyen approximatif peut faire correspondre la tension en sortie tout en ne parvenant pas à déterminer quel commutateur a absorbé la coupure brutale pendant ces longues plages de fonctionnement. C’est précisément là que le déséquilibre thermique commence à avoir une incidence.

OPAL-RT est la solution idéale lorsque vous devez conserver ces détails de commutation en temps réel et boucler la boucle avec le contrôleur réel. Un retard de signal de porte de quelques microsecondes, un tableau de temps morts différent ou une règle d'état zéro révisée se traduiront par une modification de la contrainte subie par le dispositif, plutôt que par une hypothèse cachée. Vous validez ainsi le comportement avec les mêmes détails de commutation que ceux que le contrôleur percevra.

Quels raccourcis de modélisation masquent les erreurs de compensation des pertes ?

Les raccourcis de modélisation masquent les erreurs de compensation des pertes lorsqu’ils remplacent la commutation au niveau des composants par des cycles de service moyennés, des commutateurs idéaux ou une logique d’état zéro simplifiée. Ces raccourcis effacent l’asymétrie temporelle qui génère de la chaleur sur certains composants. Le modèle continue de fonctionner et semble stable. Il cesse simplement de répondre à la question qui importe pour le rendement de l’ANPC.

Un modèle de commutateur « idéal » est un piège courant. Il peut afficher une tension de sortie à trois niveaux correcte et une ondulation de courant acceptable, tout en présentant un coût nul à chaque opération de mise sous tension et de coupure. Une autre simplification excessive consiste à regrouper toutes les pertes des semi-conducteurs en une seule valeur par branche de phase. Cela facilite l'estimation rapide du budget thermique, mais masque le fait qu'un commutateur interne peut chauffer davantage que les autres selon une règle de modulation spécifique.

Vous perdez également en visibilité lorsque des états nuls sont fusionnés en un seul état équivalent. Cela supprime le mécanisme même utilisé pour équilibrer le courant au point médian et la contrainte de commutation. Une revue de conception basée sur ce modèle approuvera des priorités de contrôleur erronées. Corriger le problème après la construction du prototype coûte cher, car le schéma des grilles, le plan de refroidissement et les hypothèses relatives au conditionnement sont déjà liés au modèle initial.

« Le modèle fonctionne toujours et semble stable. Il ne répond simplement plus à la question qui importe pour l’efficacité de l’ANPC. »

Comment construire un modèle en temps réel d'un convertisseur ANPC

La modélisation en temps réel d'un convertisseur ANPC commence par la définition explicite des états de commutation et se termine par la validation en boucle fermée de la commande d'équilibrage des pertes dans des conditions de synchronisation réalistes. Il est nécessaire que la visibilité du chemin des composants, la dynamique des condensateurs intermédiaires et l'exécution du contrôleur soient alignées sur une même base de temps. Cette combinaison permettra de vérifier si le rendement promis par la topologie est bien respecté malgré les détails de mise en œuvre. Sans cela, trop d'éléments restent cachés.

Une séquence de conception rigoureuse donne de bons résultats. Commencez par un modèle de circuit de commutation précis, puis vérifiez chaque chemin de courant valide en présence d’un courant positif et négatif. Intégrez le temps mort, les déséquilibres entre condensateurs et le calcul des pertes thermiques afin que le modèle reflète les compromis auxquels vous serez confronté au niveau du matériel. Connectez ensuite la logique de commande et testez la sélection de l’état zéro en conditions de charge nominale, de charge légère, de régénération et de reprise après défaut.

Cette méthode vous fournit un critère d'ingénierie utile : l'ANPC n'est rentable que si les détails de la commutation restent visibles depuis le premier modèle jusqu'à la validation du contrôleur. Les modèles grossiers donnent l'impression que la topologie est plus simple qu'elle ne l'est en réalité et masquent le déséquilibre que vous essayez de corriger. OPAL-RT joue ici un rôle essentiel, car il capture le comportement de commutation en temps réel, ce qui vous permet de valider le contrôle d'équilibrage des pertes avant que la construction matérielle ne limite vos options.