Design and Optimization of InterCell Transformers for Parallel MultiCell Converters
Dimensionnement et Optimisation de Transformateurs Inter-Cellules pour les Convertisseurs Multicellulaires Parallèles
Résumé
In recent years, the interest for parallel multicell converters has grown, which is partially due to the possibility of coupling the inductors used to connect the different commutation cells together. Coupling the inductors to form an InterCell Transformer (ICT) does not usually modify the output current, but it reduces the current ripple in the windings and the flux swing in some regions of the core. It can be shown that this brings a reduction of copper and core losses in the magnetic component. The reduction of the phase current ripple also reduces the difference between turn on and turn off current in the switches, which brings a reduction of switching losses for devices generating more losses at turn off than at turn on. The design of an ICT is not that different from any other magnetic component but it is very specific and inherent features must be taken into account. Taking full benefit of the potential advantages of ICTs requires the development of special tools and methods which are the focus of the study. We show how to design ICTs considering several topologies and different methods, from the most precise and time-consuming to the less accurate but more quickly calculated. The explanation of the ICT design is divided in four main parts: Copper Losses, Core Losses, Flux Density Saturation and Thermal Aspects. Further attention is given to high frequency copper losses since complex phenomena such as skin and proximity effects highly influence the ICT design. Based on Finite Element Method simulations, smart practices are suggested to reduce high and low frequency copper losses, not only in ICTs but also in inductors and transformers. Simple tables are developed to help transformer designers to identify the best configuration of conductors inside a given core window, depending on the current waveform and frequency, number of turns and geometrical parameters. Optimization routines to reduce the ICT total mass, volume, losses or cost are developed and multidimensional interpolation of pre-simulated values of AC resistance and leakage inductance is used to speed up the optimization routine. Comparison of ICT designs with regard to core and conductor material, number of cells and switching frequency is performed. Comparison with regular inductors is also made in order to verify the benefits of this kind of magnetic component. Multilevel converter control aspects applied to three- hase systems is also investigated in terms of the ICT flux. Zero sequence signals, specific for a PWM strategy and converter/load topology, are created in order to minimize the flux in ICTs and consequently reduce even further the mass and size of these components. Comparison between several PWM methods are performed and experimentally verified.
Les convertisseurs multicellulaires parallèles permettent de traiter des puissances importantes et de profiter d'une certaine standardisation des équipements. Ces dernières années, ces structures ont connu un regain d'intérêt lié notamment à la possibilité de couplage magnétique des inductances. Ce couplage aboutit à un composant magnétique aux propriétés très différentes appelé Transformateur Inter-Cellules (ICT) ; il ne modifie pas le courant de sortie, par contre il réduit l'ondulation de courant dans les bobines et l'ondulation de flux dans certaines parties du noyau. On peut montrer que ce couplage entraîne une réduction des pertes Joules dans les conducteurs et des pertes magnétiques dans le noyau. La réduction de l'ondulation de courant diminue également le courant efficace dans les semiconducteurs ce qui réduit les pertes par conduction, et la différence entre le courant à l'amorçage et au blocage des interrupteurs, ce qui permet la diminution des pertes dans les semiconducteurs lorsque les pertes au blocage sont supérieures aux pertes à l'amorçage. Le dimensionnement d'un ICT n'est pas fondamentalement différent de celui fait pour d'autres composants magnétiques en ce sens qu'il est basé sur le respect de certaines valeurs limites (induction, température) ce qui suppose une évaluation des différentes pertes et l'élaboration d'un modèle thermique. Par contre, la manière d'évaluer ces différentes grandeurs est tout à fait spécifique et n'a que quelques points communs avec les méthodes de calcul des inductances et des transformateurs Dans ce travail de thèse, on montre comment dimensionner ces ICTs en considérant plusieurs topologies et méthodes différentes, correspondant à différents niveaux de sophistication et de complexité. L'explication de ce dimensionnement est divisée en quatre parties : Pertes Cuivre, Pertes Fer, Densité de Flux de Saturation et Aspects Thermiques. L'évaluation des pertes cuivre liées aux composantes alternatives des ICTs constituent un point particulièrement délicat dans la mesure où elles résultent de la combinaison de deux facteurs eux-mêmes difficiles à évaluer ; l'inductance de fuite qui détermine l'amplitude des courants alternatifs mais dépend des flux principalement non canalisés et circulant dans l'air (volume d'étude important, effets 3D...), et la résistance équivalente des bobinages qui en haute fréquence est sujette à des phénomènes complexes comme les effets de peau et de proximité. En se basant sur l'utilisation d'un logiciel simple mais néanmoins robuste et fiable pour calculer précisément les résistances en haute fréquence et les inductances de fuite des ICTs, plusieurs astuces permettant de réduire les pertes cuivre non seulement des ICTs mais aussi des transformateurs et des inductances sont suggérées. Des tableaux simples sont développés pour aider le concepteur de transformateurs à identifier la meilleur configuration de conducteurs dans une fenêtre de bobinage en prenant en compte la forme d'onde du courant, le nombre de tours des enroulements, la fréquence des courants et les paramètres géométriques. Des formules analytiques et des outils de calcul adéquats ont ensuite été utilisés pour développer des routines d'optimisation ayant pour but la réduction de la masse, du volume, des pertes ou du coût des ICTs. Des interpolations multidimensionnelles des valeurs présimulées des résistances et inductances de fuite en haute fréquence sont utilisées afin de réduire le temps d'exécution de la routine d'optimisation. Plusieurs dimensionnements des ICTs ont été comparées vis-à-vis des matériaux du noyau et des conducteurs, du nombre de cellules de commutation et de la fréquence de découpage. Des comparaisons avec des selfs ont également été faites afin de montrer les avantages de ces ICTs. Des aspects de la commande des convertisseurs multi-niveaux triphasés ont également été étudiés vis-à- vis du flux circulant dans les ICTs. Des homopolaires, spécifiques pour chaque stratégie MLI et chaque topologie convertisseur/charge, sont créées afin de minimiser le flux dans les ICTs et par conséquent de réduire davantage la masse et la taille de ces composants. Des comparaisons entre différentes méthodes de MLI sont effectuées et vérifiées expérimentalement.
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