The three-phase dual active bridge (3p-DAB) isolated-bidirectional dc-dc converter (IBDC) is widely investigated in next-generation dc-grids. Its successful integration requires an accurate representation of its small- and large-signal characteristics. Furthermore, accurate characterization of converters behavior in degraded-mode is an important topic for the development of reliable and resilient dc-grids. The application of well-known modeling strategies to 3p-DAB converters in both normal and degraded operations is not trivial due to its dc-ac-dc structure, the different possible three-phase transformer connections and the higher number of switches compared to other wellknown IBDC topologies. The absence of accurate small-signal models as well as computational efficient large-signal models of the 3p-DAB has motivated the developments presented in this thesis. Three main contributions are emerging from this work.

This thesis first contributes to the identification of the limitations of the basic state-space averaging (SSA) approach for the determination of the driving point Z_D and null driving point Z_N input impedances for 3p-DAB converters. These two transfer functions are necessary for the application of Middlebrook’s extra element theorem (EET) which is broadly used by practicing power electronic designers to avoid dynamic performance degradation or instability conditions in the presence of an additional input filter. The accurate determination of Z_D and Z_N is also important to derive the closed-loop small-signal characteristics of converters from its open-loop characteristics. While it is shown that the generalized state-space averaging (GSSA) approach can be used to overcome SSA limitations to evaluate Z_D, a new hybrid SSA and GSSA multi-input multi-output (MIMO) model, which combines SSA and GSSA, is proposed to evaluate Z_N.

The second contribution of this thesis is the development of an accurate and computational efficient generalized average model (GAM) which enables system-level simulation of dc-grids with 3pDAB converters in electromagnetic transient type (EMT-type) programs. The proposed model is rigorously compared with alternative modeling techniques:​ ideal-model, switchingfunction (SWF) and state-space averaging (SSA). It is concluded that the GAM model provides an optimal solution when accuracy of transient response, reduction in computation time, and wideband response factors are considered. A large-scale test system is implemented in Electromagnetic Transient Program (EMTP) to validate the performance of the GAM model for fault current and transient recovery voltage analysis in a practical size system.

The third contribution of this thesis is the proposal and the characterization of a new degraded mode for the 3p-DAB converter. Previous work has shown that the 3p-DAB can be operated in a frozen leg fault-tolerant mode, i.e. with the two transistors of the same phase being opened by their gate driver internal protections. Because the free-wheeling diodes are left self-commutated, the analytical characterization of the converter for all voltage and loading conditions is not trivial. In this thesis, it is proposed to open the faulty-phase such as it eliminates the interaction with the faulty-phase free-wheeling diodes. By removing the interaction of the free-wheeling diodes, the 3p-DAB falls in a characterizable operating mode for all voltage and loading conditions. Furthermore, because of the circulation of reactive current in the faulty-phase in frozen leg operation, it is demonstrated that the current stress is higher, and the power transfer capability is reduced over the proposed open-phase operation.

Le convertisseur cc-cc bidirectionnel isolé triphasé à deux ponts actifs (3p-DAB) est largement étudié pour son utilisation dans les réseaux à courant continu de nouvelle génération. Son intégration nécessite une modélisation précise de ses caractéristiques petit et grand signal. De plus, sa caractérisation précise en mode dégradé d’opération est un sujet important pour le développement de réseaux fiables et résilients. L’application de stratégies de modélisation bien connues au convertisseur 3p-DAB, tant en fonctionnement normal que dégradé, n’est pas triviale du fait de sa structure cc-ca-cc, des différentes connexions possibles de transformateurs triphasés et du nombre plus élevé d’interrupteurs par rapport à d’autres topologies connues. L’absence de modèles petits signaux précis ainsi que de modèles grands signaux numériquement efficace du 3p-DAB est la principale motivation des développements présentés dans cette thèse. Trois contributions principales se dégagent de ce travail.

Cette thèse contribue d’abord à l’identification des limites de l’approche conventionnelle de moyennage en espace d’état (SSA) pour la détermination des impédances d’entrée Z_D et Z_N du convertisseur 3p-DAB. Ces deux fonctions de transfert sont nécessaires à l’application du théorème d’éléments supplémentaires (EET) de Middlebrook qui est largement utilisé par les concepteurs en électronique de puissance pour prévenir la dégradation des performances dynamiques ainsi que les conditions d’instabilité lors de l’ajout d’un filtre d’entrée. La détermination précise de Z_D et Z_N est également importante pour déduire les caractéristiques petit signal en boucle fermée du convertisseur à partir de son modèle en boucle ouverte. Bien qu’il soit démontré que l’approche généralisée de moyennage en espace d’état (GSSA) peut être utilisée pour surmonter les limites de la méthode SSA pour l’évaluation de Z_D, un nouveau modèle hybride combinant SSA et GSSA est proposé pour le calcul de Z_N.

La deuxième contribution de cette thèse est le développement d’un modèle moyenné généralisé (GAM) précis et efficace permettant la simulation de réseaux utilisant des convertisseurs 3p-DAB dans des logiciels d’analyses de transitoires électromagnétiques. Le modèle proposé est comparé en détail à d’autres techniques de modélisation, soit le modèle idéal en commutation, la technique des fonctions de commutation (SWF) et l’approche de moyennage en espace d’état (SSA). En somme, il est conclu que le modèle GAM fournit une solution optimale lorsqu’on prend en compte la précision de la réponse transitoire, la réduction du temps de calcul et la largeur de bande de la réponse fréquentielle. Finalement, un réseau de simulation à grande échelle est développé dans le logiciel Electromagnetic Transient Program (EMTP) pour valider les performances du modèle GAM pour l’analyse du courant de défaut et de la tension de transitoire de rétablissement dans un système grande échelle.

La troisième contribution de cette thèse est la proposition et la caractérisation d’un nouveau mode dégradé pour le convertisseur 3p-DAB. Des travaux antérieurs ont montré que le 3p-DAB peut être utilisé dans un mode de défaillance de panne dit à phase gelée, c’est-à-dire lorsque les deux transistors d’une même phase sont forcés à l’état ouvert par les protections internes de leurs pilotes de grille. Puisque les diodes de roue libre sont laissées en autocommutation, la caractérisation analytique du convertisseur pour toutes les conditions de tension et de charge n’est pas triviale. Dans cette thèse, il est proposé d'ouvrir la phase en défaut de manière à éliminer l’interaction des diodes de roue libre au niveau de la phase défectueuse. En éliminant l’interaction de ces diodes, le 3p-DAB peut être opéré dans un mode de fonctionnement caractérisable pour toutes les conditions de tension et de charge. De plus, en raison de la circulation de courant réactif dans la phase défectueuse en fonctionnement à phase gelée, il est démontré que les contraintes de courant sont plus élevées et que la capacité de transfert de puissance du convertisseur est réduite par rapport au fonctionnement à phase ouverte proposé dans cette thèse.