High-performance flying-capacitor multilevel PFC converters with reduced passive energy storage and predictive control

Résumé

Cette thèse étudie la conception, la commande et la mise en œuvre de systèmes de conversion CA-CC connectés au réseau, privilégiant une haute densité de puissance, une longue durée de vie et une compatibilité avec des contrôleurs numériques à coût réduit. Les travaux se concentrent sur les étages d’entrée monophasés à correction du facteur de puissance (PFC) pour les chargeurs embarqués de véhicules électriques, les redresseurs pour centres de données et télécommunications, et autres interfaces monophasées similaires, tout en étendant les principes de conception sous-jacents à un redresseur PFC triphasé isolé représentatif. Pour l’ensemble de ces applications, les principaux goulots d’étranglement limitant les gains en densité et en fiabilité sont les composants passifs magnétiques et capacitifs requis pour le tamponnage d’énergie, le filtrage des interférences électromagnétiques (IEM) et le découplage de sortie. L’objectif central est de réduire le volume des composants passifs tout en respectant des objectifs stricts de qualité de l’énergie, de rendement et de durée de vie, en utilisant des topologies multiniveaux à capacités flottantes (FCML) combinées à des schémas de commande prédictive (MPC) avancés et optimisés pour les microcontrôleurs. La thèse développe d’abord un cadre de comparaison compact pour les étages d’entrée PFC monophasés, couvrant les étages totem-pole sans pont (bridgeless), les variantes totem-pole FCML avec différents nombres de niveaux et facteurs d’entrelacement, ainsi que les structures multiniveaux et hybrides associées. Sur la base de spécifications cohérentes de quelques kilowatts et d’un fonctionnement en conduction continue, des lois de dimensionnement analytiques sont introduites pour les inductances boost, les piles de capacités flottantes et les filtres IEM. Ces lois sont combinées à des contraintes de pertes équivalentes et à des métriques de volume simples dérivées de la densité d’énergie, produisant des tableaux structurels qui mettent en correspondance les choix de topologie et de commande avec le volume passif et les implications qualitatives en matière d’IEM. Ce cadre fournit une base systématique pour la sélection de candidats FCML monophasés prometteurs comme leviers de densité. Côté matériel et commande, un prototype PFC FCML totem-pole monophasé à cinq niveaux de 2,5 kW est conçu et réalisé avec une partition en trois cartes (étage de puissance, carte de capteurs et d’interface, et contrôleur numérique). Une commande linéaire avec modulation de largeur d’impulsion (MLI) déphasée, des boucles de courant et de tension avec anticipation (feedforward), et un équilibrage actif des capacités flottantes sont réalisés sur une plateforme microcontrôleur C2000 et validés expérimentalement avec un rendement élevé, un facteur de puissance proche de l’unité et une ondulation de bus CC maîtrisée. S’appuyant sur cette plateforme, la thèse développe et valide expérimentalement des schémas de commande prédictive à ensemble de contrôle fini (FCS-MPC) pour un étage d’entrée de chargeur embarqué (OBC) FCML à quatre niveaux, prenant en charge un fonctionnement unifié en mode suiveur de réseau (grid-following) et formateur de réseau (grid-forming) à travers plusieurs modes vehicle-to-everything, ainsi que pour un convertisseur PFC à capacités flottantes à quatre cellules avec tamponnage intégré des pulsations de puissance, incorporant le stockage d’énergie à deux fois la fréquence du réseau dans la pile de capacités flottantes. Une structure MPC lexicographique à deux étages, sans facteurs de pondération, est ensuite introduite pour éliminer le réglage de ces facteurs et garantir une exécution déterministe dans une période d’échantillonnage de 6,66 microsecondes sur un microcontrôleur double cœur, tout en obtenant une réduction substantielle de l’ondulation du bus CC et des économies de volume passif. Enfin, un redresseur PFC triphasé isolé de type matriciel, avec compensation des pertes de rapport cyclique et support de puissance réactive, est analysé comme exemple d’étage d’entrée à haute densité éliminant le condensateur de bus CC intermédiaire et intégrant l’isolation et le PFC en un seul étage. Les résultats combinés démontrent que les topologies PFC FCML avec tamponnage intégré, soutenues par des implémentations MPC soigneusement structurées sur des microcontrôleurs commerciaux, offrent une voie pratique vers des interfaces CA-CC compactes, efficaces et fiables. La thèse recommande l’utilisation du cadre de comparaison et des architectures de commande proposés comme outils de conception pour les étages d’entrée monophasés et triphasés de nouvelle génération dans la recharge des véhicules électriques, les centres de données et les alimentations de télécommunications.

Date	20 déc. 2025
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ambrish Chandra (Directeur(-trice))