Convertisseur hybride à double sortie basé sur le convertisseur modulaire universel CC‑AC/CC

Énergie pour les foyers et les collectivités

À mesure que de plus en plus de maisons, d'immeubles et de quartiers installent des panneaux solaires, des batteries et des véhicules électriques, ils ont besoin de matériel intelligent capable de déplacer l'électricité de manière efficace. De nombreux microréseaux futurs comporteront côte à côte du câblage alternatif (AC) traditionnel et des lignes continues (DC) plus récentes. Cette étude présente un nouveau type de convertisseur qui peut alimenter à la fois des circuits AC et DC depuis un boîtier compact, contribuant à rendre les systèmes énergétiques locaux plus simples, plus sûrs et moins coûteux.

Pourquoi l'AC et le DC sont importants

La plupart des appareils d'aujourd'hui et le réseau public utilisent de l'AC, mais de nombreuses sources renouvelables et des dispositifs électroniques fonctionnent naturellement en DC. Dans une maison ou un microréseau communautaire, cela signifie souvent recourir à plusieurs convertisseurs distincts en cascade pour adapter les tensions et passer de l'AC au DC et inversement. Chaque étape supplémentaire augmente le coût, les pertes énergétiques et la complexité. Parallèlement, l'Europe et d'autres régions encouragent fortement la réduction des émissions de carbone et la création de « communautés énergétiques » locales où l'on partage l'énergie propre. Ces tendances stimulent l'intérêt pour des réseaux hybrides transportant à la fois AC et DC, et pour une électronique modulaire réutilisable et évolutive selon les besoins.

Un seul boîtier au lieu de deux

Traditionnellement, alimenter à la fois l'AC et le DC à partir d'un champ solaire ou d'une batterie nécessite deux blocs : un convertisseur pour élever ou abaisser la tension DC, et un autre pour transformer le DC en AC. Les auteurs s'appuient sur l'idée d'un convertisseur « universel » antérieur et le repensent pour qu'un même étage de puissance puisse accomplir les deux fonctions simultanément. Leur dispositif est composé de quatre blocs identiques appelés cellules buck‑boost. Trois cellules génèrent les trois phases AC utilisées par un bâtiment ou un petit réseau, tandis que la quatrième cellule maintient la sortie DC à un niveau fixé. Astucieusement, le conducteur neutre du système AC est raccordé directement au pôle positif de la sortie DC, de sorte que l'AC et le DC partagent la même référence électrique sans nécessiter de transformateur d'isolement volumineux.

Comportement du nouveau convertisseur

À l'intérieur de chaque cellule, des commutateurs électroniques rapides et de petites bobines et condensateurs façonnent le courant, en élevant ou en abaissant la tension selon les besoins. Les trois cellules « AC » génèrent des formes d'onde sinusoïdales lisses superposées à une composante continue, tandis que la quatrième cellule maintient le niveau DC constant. En raison du point neutre partagé, les charges AC ne voient que la partie alternative de l'onde, tandis que les charges DC voient la valeur constante. Les chercheurs simulent le convertisseur dans des conditions réalistes puis réalisent un prototype de laboratoire. Lors des essais, une seule source DC alimente simultanément 1 kilowatt de puissance triphasée AC et 800 watts de puissance DC. Les tensions AC restent équilibrées et quasi sinusoïdales, et la sortie DC demeure proche de sa valeur cible même lorsque des charges AC ou DC sont commutées brusquement.

Sécurité, mise à la terre et fiabilité

Les choix de mise à la terre sont cruciaux pour la sécurité dans les systèmes mixtes AC/DC. Avec des convertisseurs doubles conventionnels non isolés, relier le neutre AC et un pôle DC à la terre peut créer involontairement une boucle laissant circuler des courants de défaut importants, de sorte que les concepteurs ajoutent généralement une isolation galvanique. Dans la nouvelle conception, le neutre AC et le pôle positif DC sont physiquement le même point, donc il n'y a qu'un seul nœud interne relié à la terre et pas de boucle cachée. Cela supprime le besoin d'un matériel d'isolation supplémentaire et peut aussi réduire les problèmes de corrosion à long terme liés aux courants DC parasites. L'imagerie thermique du prototype montre que les composants les plus chauds sont les commutateurs de puissance, comme prévu, mais leurs températures restent dans des limites sûres et pourraient être abaissées davantage par un refroidissement amélioré.

Ce que cela signifie pour les réseaux futurs

L'étude montre qu'un convertisseur modulaire à étape unique peut alimenter de manière fiable à la fois les réseaux AC et DC à partir d'une source DC unique tout en conservant des formes d'onde propres et des tensions bien contrôlées. Pour un non‑spécialiste, le message clé est que le même petit ensemble de « briques » électroniques peut être répété et réutilisé pour alimenter différents types de charges dans un microréseau ou une communauté énergétique. Cela réduit le matériel, simplifie la mise à la terre et la protection, et peut améliorer l'efficacité globale en évitant des étapes de conversion supplémentaires. Avec l'ajout d'une commande en boucle fermée et d'une synchronisation au réseau, de tels convertisseurs pourraient devenir des éléments de base centraux des futurs systèmes énergétiques locaux à faible émission de carbone.

Citation: Gutiérrez-Escalona, J., González-Antúnez, J.J., Roncero-Clemente, C. et al. Dual-output hybrid converter based on the modular universal dc-ac/dc converter. Sci Rep 16, 15203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45619-6

Mots-clés: microréseau hybride, convertisseur de puissance, distribution AC DC, électronique modulaire, systèmes d'énergie renouvelable