Chapitre V Onduleur Multi niveaux
Chargée de Cours: Dr. CHERIFI
137
V.1. Introduction
L'onduleur multi-niveaux consiste à associer de plusieurs cellules de commutation en série,
afin de concevoir une tension de sortie à plusieurs niveaux.
L’augmentation de nombre du niveau permet d’améliorer les formes d’ondes en sortie du
convertisseur, notamment en termes de contenu harmonique.
Les applications les plus attractives de cette technologie sont dans le milieu de la haute
tension, dans les commandes des moteurs, la distribution et le transport de l'énergie électrique.
Malgré ces avantages considérables de ce type de convertisseurs, il faut toutefois souligner
que le nombre considérable des intercepteurs à semi-conducteur utilisés dans ce cas, provoque
les inconvénients suivants:
son coût élevé ;
présente des pertes (commutation et conduction) considérable;
sa technique de commande devient très compliquée.
V.2. Topologies multiniveaux
Les topologies les plus connues d'onduleurs multi-niveaux sont montrées dans la figure V-1.
Il existe d’autres topologies, comme le convertisseur “AC magnetically combined“, ou le
convertisseur “commutation soft-switching multilevel“, l’onduleur “multilevel H-bridge“,….etc.
Diodes de blocage
(NPC)
Structure onduleurs
multiniveaux
Cellules
Imbriquées
Cascade
Figure (V.1) : Topologies des onduleurs multi-niveaux
Chapitre V Onduleur Multi niveaux
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138
V.2.1. Onduleurs en cascade
La structure de l'onduleur en cascade est présentée à la figure (V.2 ). Elle consiste à mettre
en cascade, pour chaque phase, plusieurs onduleurs monophasés pont en H, alimentés par des
sources continues séparées.
T
a
1
T
a
1
v
a
T
a 2
T
a 2
T
a(n2)
T
a(n2)
n
T
a
(n1)
T
a
(n1)
v
dc
v
dc
v
dc
Figure (V.2) : Onduleur multiniveaux en cascade.
Chapitre V Onduleur Multi niveaux
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139
V.2.2. Onduleur à diodes flottantes
L’onduleur à diodes flottante, cet onduleur a été aussi appelé onduleur clampé par le neutre
(Neutral Point Clamped, "NPC", en anglais). La structure de ce type d'onduleurs est présentée
sur la figure (V.3). Dans cette structure, on associe à chaque phase des diodes appelées diodes
flottantes, qui sert à appliquer les différents niveaux de tension de la source continue.
T
a1
C
n
1
T
a 2
C
n
2
T
a (n
2)
T
a(n
1)
v
dc
v
a
T
a1
T
a 2
C
2
T
a (n
2)
C
1
T
a(n
1)
Figure (V.3) : Onduleur multiniveaux à diodes flottantes.
Chapitre V Onduleur Multi niveaux
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140
V.2.3. Onduleurs à capacités flottantes
La topologie d'un onduleur multiniveaux à capacités flottantes est présentée à la figure
(V.4). Les interrupteurs de chaque phase sont reliés par des condensateurs pour pouvoir
appliquer différents niveaux de tension à la sortie. Cet onduleur a l'avantage d'utiliser un nombre
plus réduit des composants. En plus, il présente le risque d'avoir une résonance parasite entre les
différentes capacités.
T
a1
C
n
1
T
a 2
C
n
2
T
a( n
2)
C
n
1
T
a( n
1)
v
dc
C
1
v
a
n
T
a1
C
n
1
T
a 2
C
n
2
C
n
1
T
a (n
2)
T
a (n
1)
Figure (V.4) : Onduleur multiniveaux à capacités flottantes.
Chapitre V Onduleur Multi niveaux
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141
V.3. Synthèse comparative, choix de la structure
Le tableau V.1 récapitule, pour le même nombre de niveaux de la tension simple de sortie, le
nombre de composants nécessaires à la conception de chacune des trois structures multi-niveaux
permettant l’équilibrage de la contrainte en tension exercée sur les interrupteurs les constituant.
Tableau V.1 : Nombre de composants nécessaires à la réalisation des trois structures d’onduleurs
multiniveaux
Structure du
convertisseur
Les composants
NPC
A cellules
imbriquées
Cascade
Composants de commutations
principales
)1(2 N
)1(2 N
)1(2 N
Diodes principales
)1(2 N
)1(2 N
)1(2 N
Diodes de blocage
)2(2 N
0
0
Condensateurs continus
(Alimentation)
)1( N
)1( N
2/)1( N
Condensateurs d’équilibrage
0
2/)2()1( NN
0
V.3.1. Onduleurs multi niveaux cascades
Avec quatre interrupteurs, on obtient l’onduleur de tension en pont complet. La figure V.5
illustre son schéma de principe.
Figure (V.5) : Onduleur de tension en pont complet.
Chapitre V Onduleur Multi niveaux
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142
a. Analyse fonctionnelle
Selon la commande et les états possibles, la tension de sortie sera un signal tristable
présentant trois niveaux, à savoir : +U, 0, -U. La figure V.6 illustre l'allure de cette tension et
indique les différents diagrammes de conduction des divers interrupteurs.
Tableau V.2 : Tension de sortie de l’onduleur cascade à trois niveaux de tension et état de
commutation correspondant
Tension de
sortie
ao
V
Etat de commutation
1
K
'
2
K
2
K
'
1
K
UV
1
1
1
0
0
0
2
V
1
0
1
0
0
2
V
0
1
0
1
UV
3
0
0
1
1
La valeur de l’angle
β
, angle de décalage des commandes, n’est pas fixée à priori. Les
expressions suivantes donnent, à titre d’exemple, les formes d’ondes des grandeurs
caractéristiques correspondant à la deuxième allure de la tension simple de sortie.
La structure de l’onduleur cascade à cinq niveaux est représentée sur la figure V.7. Pour cet onduleur, deux
cellules à pont complet monophasé et deux alimentations indépendantes sont utilisées.
2π-β
π-β
π
π+β
2π
β
U
U
'
U
2
K
0
t
Première allure
1
K
'
1
K
'
2
K
Commande des interrupteurs
1
K
2
K
Figure (V.6) : la tension simple de sortie d’une structure monophasée à pont complet et diagramme de
conduction correspondants
Chapitre V Onduleur Multi niveaux
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143
La tension V
ao
délivrée à la sortie peut être obtenue par les différentes combinaisons de commutation suivantes :
a) pour V
ao
=2U : les quatre interrupteurs K
1
, K
2
’
, K
3
, K
4
’
doivent être fermés.
Dans ce cas : V
ao
=U +U.
b) pour V
ao
=U : il y a quatre combinaisons possibles :
b.1) si K
1
’
,K
2
’
, K
3
, K
4
’
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=0 +U.
b.2) si K
1
, K
2
’
, K
3
’
, K
4
’
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=U +0.
b.3) si K
1
, K
2
’
, K
3
, K
4
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=U +0.
b.4) si K
1
, K
2
, K
3
, K
4
’
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=0 +U.
c) pour V
ao
=0 : il y a six combinaisons possibles :
c.1) si K
1
’
, K
2
’
, K
3
’
, K
4
’
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=0+0.
c.2) si K
1
’
, K
2
’
, K
3
, K
4
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=0+0.
c.3) si K
1
’
, K
2
, K
3
, K
4
’
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=-U +U.
c.4) si K
1
, K
2
’
, K
3
’
, K
4
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=U -U.
c.5) si K
1
, K
2
, K
3
’
, K
4
’
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=0+0.
c.6) si K
1
, K
2
, K
3
, K
4
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=0+0.
d) pour V
ao
= -U : il y a quatre combinaisons possibles :
d.1) si K
1
’
, K
2
’
, K
3
’
, K
4
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=0+U.
d.2) si K
1
’
, K
2
, K
3
’
, K
4
’
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=-U +0.
d.3) si K
1
’
, K
2
, K
3
, K
4
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=-U +0.
d.4) si K
1
, K
2
, K
3
’
, K
4
sont fermés, dans ce cas : V
ao
=0-U.
e) pour V
ao
=-2U : les quatre interrupteurs K
1
’
, K
2
, K
3
’
et K
4
doivent être fermés, dans ce cas : V
ao
= -U -U.
Tableau V.3 : Tension de sortie de l’onduleur cascade à cinq niveaux de tension et état de commutation
correspondant (une combinaison limitant les pertes de commutation)
1
K
'
1
K
2
K
'
2
K
1
i
3
K
'
3
K
4
K
'
4
K
2
i
a
o
'
UV
ao
Figure V.7 : Structure monophasée d’un onduleur cascade à cinq niveaux de tension
Chapitre V Onduleur Multi niveaux
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144
Tension de
sortie
ao
V
Etat de commutation
'
1
K
2
K
'
3
K
4
K
'
4
K
3
K
'
2
K
1
K
UV 2
5
1
1
1
1
0
0
0
0
UV
4
1
1
1
0
1
0
0
0
0
3
V
1
1
0
0
1
1
0
0
UV
2
1
0
0
0
1
1
1
0
UV 2
1
0
0
0
0
1
1
1
1
La figure V.8 montre l' allure de la tension v
ao
de sortie dans le cas un onduleur à cinq niveaux.
Figure V.8 : Tension de sortie de l’onduleur cascade à cinq niveaux de tension dont les interrupteurs fonctionnent
avec des combinaisons limitant les pertes de commutation
et des intervalles de conduction égaux
Quel que soit la combinaison choisie, le nombre N de niveaux d’une structure multi niveaux cascade est fonction
du nombre S de cellules utilisées. Il s'exprime par la relation générale suivante :
1*21)111(2 SN
foisS
V.1
N : nombre de niveaux de la tension simple de sortie (nombre impair),
S : nombre de cellules à pont complet monophasé qui est égal au nombre de sources continues d’alimentation.
Structure triphasée
Pour réaliser une structure triphasée, on doit grouper trois structures monophasées. Il suffit de décaler d’un tiers
de période les commandes de ces trois structures. Une telle structure est représentée sur la figure V.9.
2
2π-β
2
π-β
π
2
π+β
2π
1
β
U
U
'
U
2
K
0
t
1
K
'
1
K
'
2
K
1
K
2
K
2U
2U
2
β
1
π-β
1
π+β
3
K
'
3
K
3
K
4
K
'
4
K
4
K
Chapitre V Onduleur Multi niveaux
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145
Figure V.9 : Structure générale d’un onduleur multiniveaux cascade triphasé
V.3.2. Onduleur multi niveaux à diodes flottantes
L’onduleur multi-niveaux de type NPC (Neutral Point Clamped en anglais, Clampé par le
neutre en Français) permet, par la mise en série des interrupteurs, une meilleure maîtrise des
contraintes en tension sur les composants.
V.3.2.1. Onduleur NPC à trois niveaux monophasé
L’onduleur à trois niveaux est montré sur la figure (V.10), qui représente le schéma de
principe de l’une des topologies des onduleurs à structure NPC. Cette structure est la plus utilisée.
On associe à chaque phase des diodes appelées diodes flottantes, qui sert à appliquer les
différents niveaux de tension de la source continue.
31
K
'
31
K
32
K
'
32
K
33
K
'
33
K
34
K
2/)1(1 N
K
'
2/)1(1 N
K
c
'
34
K
11
K
'
11
K
12
K
'
12
K
13
K
'
13
K
14
K
'
14
K
21
K
'
21
K
22
K
'
22
K
23
K
'
23
K
24
K
'
24
K
a
b
Chapitre V Onduleur Multi niveaux
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146
Le coté continu d'entrée est composé de deux capacités en série (C
l
et C
2
), formant un point
milieu noté (0) qui permet à l'onduleur d'accéder à un niveau de tension supplémentaire par
rapport à l'onduleur classique à deux niveaux.
La tension totale du coté continu vaut E, dans les conditions normales de fonctionnement, celle-ci
est uniformément répartie sur les deux capacités qui possèdent alors une tension (E/2) à leurs
bornes. L'onduleur est composé de quatre interrupteurs commandés (K
1
, K
2
, K
3
et K
4
) et deux
diodes de maintien ou de bouclage connectées au point milieu du coté continu.
Les interrupteurs commandés sont unidirectionnels en tension et bidirectionnels en courant : il
s'agit, à titre d’exemple, d’association classique d'un transistor et d'une diode en antiparallèle.
Pour éviter le court-circuit de la source continue à l'entrée de l'onduleur, ou l'ouverture de la
charge alternative à la sortie, on doit éviter de fermer ou d'ouvrir simultanément les quatre
interrupteurs
i
c1
i
K1
U
c1
E
2
D
0
Tc
1
D
1
V
K1
i
D
V
D
0
i
K2
D
0
2
V
Tc
K2
2
E
i
i
K3
i
D
Tc
3
K
3
0
D
0
D
3
V
K3
U
c2
E
2
C
2
V
D
0
i
c2
Tc
4
D
4
i
K4
V
K4
K
4
K
1
K
2
C
1
U
'
A
Figure (V.10) : Onduleur NPC à trois niveaux monophasé
Chapitre V Onduleur Multi niveaux
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147
1
D
1
T
I
T1
1
D
1
T
a. Analyse fonctionnelle
Il faut déterminer les valeurs que peut prendre la tension simple V
A0
entre la borne (A) de la
charge et le point neutre (0). Cette tension est entièrement définie par l’état (0 ou 1) des quatre
interrupteurs K
1
, K
2
, K
3
et K
4
du bras.
Sur les
162
4
séquences possibles pouvant être représenté par un quadruplet de 1 et de 0
suivant l’état des interrupteurs, seules les trois suivantes sont mises en œuvre et prises en
considération.
Première configuration {1100}
K
1
, K
2
sont passants et K
3
, K
4
sont bloqués, on a la valeur de la tension simple de sortie est :
2
U'
10
E
VV
cA
Deuxième configuration {0110}
K
2
, K
3
sont passants et K
1
, K
4
sont bloqués, le point "A" est relié directement au point neutre
"0". alors, la tension de sortie V
A0
est nulle :
0U'
0
A
V
Interrupteurs K
1
est un interrupteur à 3 segments réversibles en I
V
K
I
K
-b- Amorçage et Blocage Spontanés
-a- Amorçage et Blocage Commandés
-a-
-b-
1
K
2
K
3
K
4
K
0
D
0
D
E
1c
V
2c
V
Ao
V
i
A
o
Ao
V
2
1
E
V
c
1
K
2
K
Figure (V.11) : Présentation de la première configuration.
Chapitre V Onduleur Multi niveaux
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148
Troisième configuration {0011}
K
3
, K
4
sont passants et K
1
, K
2
sont bloqués , on a la valeur de la tension simple de sortie est :
2
U'
20
E
VV
cA
Le Tableau V.4 représente la tension de sortie V
AN
d’un onduleur NPC à 3 niveaux en fonction
de l’état des interrupteurs
Tension de
sortie
Ao
V
Etat de commutation
1
K
2
K
3
K
4
K
2/E
1
1
0
0
0
0
1
1
0
2/E
0
0
1
1
- Avec ces trois séquences, la sortie de l’onduleur peut être reliée à l’un des trois potentiels de la
source continue d’alimentation permettant à la tension de sortie d’avoir trois états, d’où
l’appellation "onduleur à trois niveaux" attribuée à cette structure par analogie avec l’onduleur
classique à deux niveaux.
Figure (V.12) : Présentation de la deuxième configuration
1
K
2
K
3
K
4
K
0
D
0
D
E
1c
V
2c
V
Ao
V
i
A
o
Ao
V
3
K
0
D
0
i
Ao
V
2
K
0
i
1
K
2
K
3
K
4
K
0
D
0
D
E
1c
V
2c
V
Ao
V
i
A
o
Ao
V
2
2
E
V
c
4
K
3
K
Figure (V.13): Présentation de la troisième Configuration
Chapitre V Onduleur Multi niveaux
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149
- la forme d’onde de la tension simple de sortie V
A0
peut avoir l'allure suivante:
V.3.3. Onduleur multi niveaux à capacités flottantes (à cellules imbriquées)
Cette structure est proposée pour résoudre d’une part le problème de l’équilibre des
tensions, et d’autre part pour réduire le nombre excessif de diodes. Dans cette topologie, les
capacités remplacent les diodes de blocage, d’où l’appellation « onduleur à condensateur flottants ».
V.3.3.1. Onduleur à capacités flottantes à trois niveaux
Pour l’onduleur à cellules imbriquées à trois niveaux représenté sur la figure (V.15),
cette structure comporte quatre interrupteurs contrôlables et quatre diodes, et trois condensateurs ;
deux sont branchés en parallèle avec la tension d’entrée "E" et la troisième capacité remplace les
deux diodes de blocage.
-E/2
E/2
0
t
Ao
V
2
23
2
2
Figure (V.14) : la tension simple de sortie de l’onduleur
Figure (V.15) : Structure de l'onduleur à capacités flottantes à trois niveaux monophasé
a
IGBT
E
C
a1
C
a2
C
a2
U
i
Chapitre V Onduleur Multi niveaux
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150
a. Analyse fonctionnelle
En particulier pour un convertisseur à condensateurs flottants à trois niveaux on a quatre
séquences de fonctionnent:
Le tableau V.5 montre la tension de sortie (V
a0
) et les états de commutations possibles pour
trois niveaux.
Tension de
sortie
Ao
V
Etat de commutation
1
K
2
K
3
K
4
K
2/E
1
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
1
2/E
0
0
1
1
La figure (V.16) montre l'allure de la tension de sortie
ao
V
et indique, les intervalles de
conduction des divers interrupteurs correspondants.
2
2
3
K
2
K
4
K
1
K
1
K
2E
2E
Commande des interrupteurs
0
t
3
K
ao
V
allure
Premièreal
lure
