New fail-safe and fault-tolerant converters for high performance and critical applications
Contribution à l’étude de nouveaux convertisseurs sécurisés à tolérance de panne pour systèmes critiques à haute performance. Application à un PFC Double- Boost 5 Niveaux
Résumé
This work is an exploration and an evaluation of new variants of multi-level AC/DC topologies (PFC) considering their global reliability and availability: electrical safety with an internal failure and post-failure operation. They are based on a non-differential AC and centre tap connection that led to symmetrical arrangement cells in series. These topologies permit an intrinsic active redundancy between cells in a same group and a segregation capability between the two symmetrical groups of cells. More again, they are modular and they can be paralleled and derived to any number of levels. Only single low-voltage (600V) transistor pear cell is used avoiding the short-circuit risk due to an unwanted control signal. Comparisons, taking into account losses, distribution losses, rating and stresses (overvoltage and over-temperature) during the post-operation are presented. Results highlight the proposed 5-level Double-Boost Flying Capacitor topology. This one was patented at the beginning of thesis, as a solution with the best compromise. On the theoretical side, we show that the reliability calculation based only on a "first fault occurrence" criterion is inadequate to really describe this type of topology. The inclusion of fault tolerance capability is needed to evaluate the overall reliability law (i.e. including a second failure). The adaptation of theoretical models with constant failure rate including overvoltage and over-temperature dependencies exhibit an increasing of the reliability over a short time. This property is an advantage for embedded systems with monitoring condition. Local detection and rapid diagnosis of an internal failure were also examined in this work. Two methods are proposed firstly, by a direct flying caps monitoring and secondly, by a realtime and digital synchronous demodulation of the input sampled voltage at the switching frequency (magnitude and phase). Both techniques have been integrated on FPGA and DSP frame and evaluated on a AC230V-7kW DC800V – 31kHz lab. set-up. We put forward the interest of the second method which only uses one input voltage sensor. Finally, we propose in this dissertation a new generic X-level PFC Vienna using, in 5-level version, half transistors and drivers for identical input frequency and levels. At the cost of a slight increase of losses and density losses, this topology appears very attractive for the future. A preliminary lab. set-up and test were also realized and presented at the end of the thesis.
Les conditionneurs alternatifs – continu à absorption sinusoïdale (PFC) pour les applications critiques se distinguent par un haut niveau de performances tel que les THD réduits, un haut rendement et une bonne fiabilité. Leur importance est d’autant plus nécessaire qu’une continuité de service des alimentations est requise même en présence d’une défaillance interne de composant. Deux types de structures associées à leur commande sont réalisés à cet effet, les structures à redondance parallèle et les structure à redondance en série. Elles consistent respectivement en l’ajout d’un bras d’interrupteur dans le cas de la redondance parallèle, qui est une option plus compliquée et en une suppression d’une cellule de commutation dans le deuxième cas. L’étude présentée ici, consiste en premier lieu en une exploration et une évaluation de nouvelles familles de topologies multi-niveaux, caractérisée par un partitionnement cellulaire en série. Ces nouvelles topologies, ainsi que leurs variantes, comportent au moins une redondance structurelle avec des cellules mono-transistor à défaut de commande non critique et symétriques à point-milieu. Elles sont donc génériques pour la mise en parallèle et l’extension en triphasé. Cependant, elles sont pour la plupart peu compétitives à cause des composants qui sont souvent surdimensionnés et donc plus onéreuses, en comparaison avec la structure PFC Double-Boost 5 Niveaux à composants standards 600 V (brevetée par l’INPT – LAPLACE –CNRS en 2008) que nous étudions. Cette dernière constitue le meilleur compromis entre un bon rendement et une maîtrise des contraintes en mode dégradé. Sur le plan théorique nous montrons que le seul calcul de fiabilité basé uniquement sur un critère de premier défaut est inadapté pour décrire ce type de topologie. La prise en compte de la tolérance de panne est nécessaire et permet d'évaluer la fiabilité globale sur une panne effective (i.e. au second défaut). L'adaptation de modèles théoriques de fiabilité à taux de défaillance constant mais prenant en compte, au niveau de leurs paramètres, le report de contrainte en tension et l'augmentation de température qui résulte d'un premier défaut, permet de chiffrer en valeur relative, le gain obtenu sur un temps court. Ce résultat est compatible avec les systèmes embarqués et la maintenance conditionnelle. Un prototype monophasé de PFC double-boost 5 niveaux à commande entièrement numérique et à MLI optimisée reconfigurable en temps réelle a été réalisé afin de valider l’étude. Il permet une adaptation automatique de la topologie de 5 à 4 puis 3 niveaux par exemple. Ce prototype a également servi de test d'endurance aux transistors CoolMos et diodes SiC volontairement détruits dans des conditions d'énergie maîtrisée et reproductibles. D’autres campagnes d'endurance en modes dégradés ont été réalisées en laboratoire sur plusieurs centaines d’heures en utilisant ce même prototype. Nous nous sommes axés sur la détection de défauts internes et le diagnostic (localisation) rapide, d'une part par la surveillance directe et le seuillage des tensions internes (tensions flottantes) et d'autre part, par la détection d’harmoniques (amplitude et phase) en temps réel. Ces deux techniques ont été intégrées numériquement et évaluées sur le prototype, en particulier la seconde qui ne requiert qu'un seul capteur. Enfin, nous proposons une nouvelle variante PFC expérimentée en fin de mémoire, utilisant deux fois moins de transistors et de drivers pour les mêmes performances fréquentielles au prix d'un rendement et d'une répartition des pertes légèrement moins favorable que la structure brevetée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)