Multi-physical modeling of an on-board electrical power system for simulation, digital prototyping and control
Modélisation multi-physique d'un système électrique de puissance embarqué pour la simulation, le prototypage numérique et la commande
Résumé
The quality of the electrical energy supplied in aeronautical systems depends on the complexity of the electrical system used. The two quantities (voltage, current) generally suer from a lot of
disturbances due to the impedance of the electric grid and circulation of the perturbations non-linear loads variation. In the on-board grid of an helicopter, the proliferation of electrical disturbances can lead to malfunctions, degradations and overheating of the devices. The Power Factor Correction (PFC) is designed to avoid unwanted eects, harmonics and disturbances. This type of system, consisting of an AC / DC converter connected to another DC / DC converter, uses high frequency components and switches.
The choice of Silicon Carbide MOSFETs (SiC MOSFETs) ensures a good quality of energy and reduces the power-to-weight ratio for embedded systems. The contribution of this work is the multiphysical modeling of power SiC MOSFET component which is proposed to simulate and design a global control for dierent electrical power converters. We propose a more precise electro-thermal nonlinear model for SiC MOSFETs. This model takes into account electrothermal couplings and will make controls more robust. It has been validated by the comparing simulation to the characteristics of the datasheet. To implement and validate the proposed models and perform the prototyping of AC-DC and DC-DC converters, we used Psim, PSpice and Saber softwares. This work was carried out in an FUI project for the design of reliable embedded power sources in helicopters system.
La qualité de l'énergie électrique dans les systèmes aéronautiques dépend directement de la complexité du système électrique qui la délivre. Les deux grandeurs (tension, courant) subissent gé-
néralement beaucoup de perturbations liées à l'impédance des réseaux et à la circulation de courants perturbateurs, déséquilibrés et réactifs liés à la variation de charge non linéaire. Dans le réseau de bord d'un hélicoptère, la prolifération des perturbations électriques peut entraîner des dysfonctionnements, des dégradations et des échauffements des récepteurs. La correction active du facteur de puissance ou Power Factor Correction (PFC) a pour but d'éviter les effets indésirables, les harmoniques et perturbation des signaux. Ce type de système, constitué par un convertisseur AC/DC lié à un autre DC/DC, utilise des composants et commutations à hautes fréquences en particulier les MOSFET au Carbure de Silicium (MOSFET SiC). Ce choix permet de garantir une bonne qualité de l'énergie et la réduction du rapport puissance/poids pour les systèmes embarqués. La contribution de la thèse se situe au niveau de la modélisation multi-physique, de la simulation et la synthèse des lois de commande pour les structures de puissance utilisées. Ainsi, la modélisation non linéaire plus précise, devrait conduire à l'exploitation de lois de commande robustes et une bonne maîtrise du comportement thermique. Cette thèse a donné lieu à la proposition d'un modèle non linéaire électrothermique plus précis pour des MOSFET SiC. Ce modèle prend en compte les couplages électrothermiques et rend les premières commandes appliquées (PI et PBC) plus robustes. D'autre part, ce modèle a été validé par la reproduction des caractéristiques comparées aux datasheet. Pour implémenter et valider le modèle proposé et effectuer le prototypage de convertisseurs AC-DC et DC-DC, nous avons utilisé les simulateurs Psim, PSpice et Saber. Pour ces deux derniers simulateurs, nous avons amélioré les modèles des composants proposés que nous avons ajoutés à leurs bibliothèques. L'étude est réalisée dans le cadre d'un projet FUI pour la conception de sources d'énergie ables et stables qui seront embarquées dans les hélicoptères.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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