EP2984746A1 - Convertisseur de tension et procédé de conversion de tension - Google Patents

Convertisseur de tension et procédé de conversion de tension

Info

Publication number
EP2984746A1
EP2984746A1 EP14726674.6A EP14726674A EP2984746A1 EP 2984746 A1 EP2984746 A1 EP 2984746A1 EP 14726674 A EP14726674 A EP 14726674A EP 2984746 A1 EP2984746 A1 EP 2984746A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coils
coil
voltage converter
voltage
terminal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14726674.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Emmanuel Talon
Luis De Sousa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Electrification SAS
Original Assignee
Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Systemes de Controle Moteur SAS filed Critical Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Publication of EP2984746A1 publication Critical patent/EP2984746A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F3/14—Constrictions; Gaps, e.g. air-gaps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
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    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
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    • H02M3/1586—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel switched with a phase shift, i.e. interleaved

Definitions

  • the present invention relates to a voltage converter and a voltage conversion method.
  • a system of coupled coils comprising at least three coils each having two terminals, and a magnetic coupling core of the coils, and
  • a switching system intended, for each coil, to alternatively cause a storage of energy in the coil by the reception by a terminal of the coil of a current coming from the input terminal, and a restitution, at the output terminal, stored energy.
  • the magnetic core comprises two parallel plates interconnected by transverse spacers around which the coils are wound.
  • a voltage converter comprising:
  • a system of coupled coils comprising: + at least three coils each have two terminals,
  • a switching system intended, for each coil, to alternatively cause a storage of energy in the coil by the reception by a terminal of the coil of a current coming from the input terminal, and a restitution, at the output terminal, stored energy
  • the magnetic core comprises at least one closed magnetic flux-guiding loop, around which the coils are successively wound, the coils (118J being such that the currents coming from the input terminal travel through the coils in direction of rotation around the closed loop alternating from one coil to the next.
  • closed loop is meant a magnetic flux loop, namely a magnetic flux line which loops back without going twice through the same arm of the magnetic circuit.
  • a closed loop corresponds to a closed mesh of an electric circuit. It is understood that the closed loop passes through all the coils.
  • the coils are coaxial.
  • the core comprises a plurality of magnetic core elements each provided with an arm on which is wound one of the coils, these elements being stacked so that these arms are on the same line.
  • the winding directions alternate from one coil to the next.
  • winding directions are all the same.
  • each closed loop comprises: a central bar around which the coils are wound; - a sidebar bypassing the coils; and end bars also bypassing the coils and respectively connecting the ends of the central bar to the ends of the side bar.
  • Central bar means a central element may include one or more air gaps.
  • the central bar is common to all closed loops.
  • the magnetic core further comprises, for each closed loop, transverse bars connecting the central bar to the side bar and separating the coils from each other.
  • each closed loop has a reluctance at least ten times greater than the reluctance of the cross bars.
  • the central bar is provided with at least one gap.
  • the crossbars have a smaller section than the section of the central bar.
  • the voltage converter is intended to provide a higher output voltage than the input voltage.
  • the voltage converter comprises an even number of coils, and, the coils being arranged in their succession along each closed loop from a first coil to a last coil, the switching system is intended to make alternating a first phase in which the odd-rank coils store energy, while the even-rank coils provide energy, and a second phase in which the odd-rank coils provide energy, while even-rank coils store energy.
  • obtaining a voltage converter comprising:
  • a magnetic coil coupling core comprising at least one closed magnetic flux-guiding loop around which the coils are successively wound
  • FIG. 1 is a simplified view from above of a voltage converter embodying the invention
  • FIG. 2 is a simplified view from above of a magnetic core of the voltage converter of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a view from above of an element serving to form the magnetic core of FIG. 2;
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating the steps of a voltage conversion method implemented by the voltage converter of FIG. 1;
  • FIG. 5 is a view similar to that of FIG. 2, illustrating magnetic fluxes in the magnetic core.
  • FIG. 6 is a set of two graphs illustrating the evolution of the current flowing through the coils of the voltage converter of FIG. 1.
  • the voltage converter 100 is a voltage booster (called “boost converter” or “step-up converter”), intended to receive a DC input voltage V in and to provide a DC output voltage V out greater than the DC input voltage V in .
  • boost converter voltage booster
  • step-up converter step-up converter
  • the voltage converter 100 first comprises a system 102 of coupled coils.
  • the system 102 firstly comprises a magnetic core 104.
  • the magnetic core 104 is made of ferromagnetic material.
  • the magnetic core 104 firstly comprises a central bar 108.
  • the term "bar” includes all the generally elongated elements, for example a rod or even a plate.
  • the central bar 108 is rectilinear and of rectangular section.
  • the magnetic core 104 further comprises first and second lateral bars 110, 112, located on two sides of the central bar 108.
  • first and second lateral bars 110, 112 are rectilinear and also of rectangular section, and extend parallel to the central bar 108.
  • the magnetic core 104 further includes first and second end bars 114, 116.
  • the first end bar 114 connects one end of the central bar 108 with the ends of the side bars 110, 112 on the same side, while the second end bar 116 connects the other end of the central bar 108 with the other ends of the side bars 110, 112, located on the other side.
  • the first and second end bars 114, 116 rectilinear and also of rectangular section, and extend perpendicularly to the central bar 108.
  • the magnetic core 104 further comprises N1 (N being greater than or equal to three, and preferably even - in the example described, N is equal to four) pairs of transverse bars 120 m , 122 m (m varying from 1 to Nl ).
  • the transverse bars 120 m , 122 m of each pair together connect the central bar 108 with respectively the first side bar 110 and the second side bar 112.
  • the cross bars 120 m , 122 m are rectilinear and sectional rectangular, which extend perpendicular to the central bar 108.
  • the system 102 further comprises N coils 118 n (N being greater than or equal to three, and n varying from 1 to N) successively wound around the central bar 108 and bypassed by the first and second end bars 114, 116 and the first and second lateral bars 110, 112.
  • each coil 118 n has two terminals defined by the winding direction of the coil: a winding start terminal and a winding end terminal. .
  • the winding directions of the coils 118 n alternate from one coil to the next in their succession.
  • the central bar 108, the first and second end bars 114, 116 and the first and second side bars 110, 112 define two closed loops passing through all the coils 118 n and intended to guide the magnetic flux.
  • a closed loop is a path defined by the magnetic core 104 which returns to its starting point without passing twice in the same section of the magnetic core 104.
  • transverse bars 120 m , 122 m are interposed between the coils 118 n , so that each coil 118 n is separated from the next along the central bar 108 by a pair of cross bars 120 m , 122 m .
  • the transverse bars 120 m , 122 m define magnetic flux leakage paths between the coils 118 n .
  • the voltage converter 100 further comprises a ground terminal 124 connected to an electrical ground 126 and an input terminal 128 for presenting an input voltage V in with respect to the electrical ground 126.
  • the voltage converter 100 further comprises an electrical source 130 connected to the terminals 124, 128 for applying the input voltage V in to the input terminal 128 with respect to the ground terminal 124.
  • the electrical source 130 is a DC voltage source.
  • the input terminal 128 is further connected to a first terminal of each coil 118 n .
  • the input terminal 128 is connected to the winding start terminals of the coils 118 n .
  • the voltage converter 100 further comprises an output capacitor 132 having a first terminal 134 connected to the electrical ground 126 and a second terminal 136, called an output terminal, for presenting the output voltage V out with respect to the first terminal. 134.
  • the voltage converter 100 further comprises a switching system 138 intended, for each coil 8 n , to alternatively cause, on the one hand, a storage of energy in the coil 118 n by the reception by the terminal of the coil 118 n connected to the input terminal 128 of a current from the input terminal 128, and, secondly, a supply of energy stored in the coil 118 n by supplying a current to the output terminal 136.
  • a switching system 138 intended, for each coil 8 n , to alternatively cause, on the one hand, a storage of energy in the coil 118 n by the reception by the terminal of the coil 118 n connected to the input terminal 128 of a current from the input terminal 128, and, secondly, a supply of energy stored in the coil 118 n by supplying a current to the output terminal 136.
  • the switching system 138 comprises first, for each coil 8 n , a first controlled switch 140 n connecting the terminal of the coil 118 n not connected to the input terminal 128, to the terminal output 136.
  • the switching system 138 further comprises, for each coil 8 n , a second controlled switch 142 n connecting the terminal of the coil 118 n not connected to the input terminal 128, to the electrical ground 126.
  • the switching system 138 further comprises a device 144 for controlling the switches 140 n , 142 n .
  • the control device 144 is intended, for each coil 8 n , to alternately open the first controlled switch 140 n and close the second 142 n , then open the second controlled switch 142 n and close the first 140 n .
  • the coil 118 n supplies power to the output capacitor 132, and in the second configuration, the coil 118 n stores energy from the voltage source 144.
  • the closed loops are represented by dashed lines and carry respectively the references 202 and 204.
  • each transverse bar 120 m , 122 m has a reluctance value r between the central bar 108 and respectively the first and second lateral bars 110, 112.
  • the two closed loops 202, 204 have the same reluctance value R.
  • the reluctance value R is at least ten times higher than the reluctance value r.
  • this is first obtained by providing a section of the transverse bars 120 m , 22 m smaller than the section of the central bar 108, the end bars 114, 116 and the lateral bars 110, 112
  • the central bar 108 is provided with air gaps 206, that is to say cuts of material preferably less than one centimeter in size.
  • the 120 m , 122 m cross bars have a smaller reluctance r than the other elements of the magnetic core 104, these 120 m , 122 m cross bars saturate magnetically for lower magnetic flux values than the closed loops 202, 204.
  • the element 300 is E-shaped and has a base 302 and three parallel arms 304, 306, 308 extending from the base 302.
  • the central arm 306 may be a little shorter than the other two surrounding it.
  • Several elements such as the element 300 are stacked to form the magnetic core 104: the base 302 of each element forms either the end bar 116 or a section of the central bar 108 and a pair of transverse bars, the central arm 306 form a section of the central bar 108, and the other arms 304, 308 form sections of the side bars 110, 112.
  • the arms 304, 308 are intended to come into contact with either the base 302 of the element 300 following the of the end bar 114.
  • an air gap is formed in the stack between the central arm 306 and either the base 302 of the next element or the end bar 114.
  • the control device 144 controls the switches 140 n , 142 n in the energy storage configuration (switches 140 n open, switches 142 n closed).
  • each coil 118 n therefore receive current from the electrical source 130 in an increasing manner, and a corresponding magnetic flux appears in the magnetic core 104.
  • each coil 118 n creates, in each section magnetic core 104, a magnetic flux.
  • each section of the magnetic core 104 is traversed by four magnetic fluxes, one for each coil 118 n .
  • the magnetic fluxes are alternately in one direction of rotation and in the other.
  • the lateral bars 110, 112 and the end bars 116, 114 the magnetic fluxes compensate at least in part (see for example the zone Z of the lateral bar 112 in FIG. 5). , so that the resulting field remains weak.
  • the magnetic flux generated by each of the coils can be distributed in various magnetic loops and pass through a variable number of the other coils.
  • the system 102 has a low apparent inductance. As the magnetic flux resultant remains weak, it is possible to use a weak section for the bars 108, 110, 112, 114, 116, which reduces the size of the system 102.
  • the compensating phenomenon is less marked in the transverse bars 120 m , 122 m because, in these places, the magnetic fluxes generated by the two nearest coils 118 n , that is to say the two coils 118 n surrounding each pair of cross bars 120 m , 122 m are of the same direction and therefore add up.
  • the transverse bars 120 m , 122 m saturate magnetically so that their reluctance becomes very high.
  • the radiation to the outside of the system 102, induced by these saturations, remain moderate.
  • control device 144 switches the switches 140 n , 142 n from one configuration to another, so that each coil 118 n stores energy, then restores it.
  • the tilts are opposite from one coil to the next (phase shift of ⁇ between each coil), so that when a coil is in a configuration, the next coil is in the other configuration.
  • the coils 118 n being arranged in succession along each closed loop 202, 204 from a first reel 118 to a last one coil 8 4, in a first phase, the odd-numbered coils l5 118 118 3 store energy, while the even-rank coils 118 2 , 118 4 supply energy, and in a second phase, the odd-rank coils 118 15 118 3 restore energy, while the even-rank coils 118 2 , 118 4 store energy.
  • each coil 118 n thus has a continuous Im component (so-called "common mode” component), which is theoretically the same for all the coils, and an oscillating component i (n) varying around zero.
  • FIG. 6 is not completely faithful to reality since each oscillating current i (n) should have several slopes, depending on the state of the other coils (in energy storage or in energy recovery ).
  • the signs of the oscillating components i (n) are of alternating signs: one out of two is positive (that is to say that the current I (n) is greater than its common mode component Im) and one out of two is negative (i.e. the current I (n) is smaller than its common mode component Im).
  • This alternation compensates, at least in part, the alternation of the rotational directions of the currents in the coils 118 n , so that the magnetic fluxes are no longer alternated as in step 402.
  • the magnetic fluxes add up the along the closed loops 202, 204 of the magnetic core 104.
  • the resulting magnetic flux is high, resulting in a high apparent inductance for the oscillating components i (n).
  • the system 102 remains efficient.
  • the ferromagnetic core could have only one sidebar, not two, and thus define a single closed loop.
  • cross bars could be omitted.
  • phase difference between successive coils could be of a value other than ⁇ .
  • the phase shift may have a value adapted to the design of the converter to allow an apparent inductance, in particular not negligible, and / or to minimize the losses.
  • a coil is sized to support the flux generated by the DC and AC components of the current flowing through it, without saturating. To avoid saturation of the magnetic circuit, it can provide a gap and / or a section of the magnetic core adapted. The higher the current (expressed for example in ampere-turns) generating the magnetic flux, the more the air gaps must be increased so that the magnetic induction does not reach the saturation zones, and the more the sections of the Magnetic core must be increased to compensate for the inductance value reduction inherent in this gap increase.
  • the continuous components of the currents of the coils create flows that cancel out almost completely because of opposite directions.
  • the alternating components of the currents of the coils create fluxes which go up.
  • the gaps and the sections of the magnetic core can therefore be dimensioned according to the flows resulting from the principal components mainly, and will therefore be of smaller sizes.
  • the size of the converter is lower than in the prior art, especially since the ratio between DC component and AC component is high.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Dc-Dc Converters (AREA)
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Abstract

Le convertisseur (100) de tension comporte : - une borne d'entrée (128) destinée à être connectée à une source électrique (130) pour présenter une tension d'entrée (Vin); - une borne de sortie (136) destinée à être connectée à un condensateur de sortie (132) pour présenter une tension de sortie (Vout); - un système (102) de bobines couplées comportant : + au moins trois bobines (118n) présentent chacune deux bornes et un noyau magnétique (104) de couplage des bobines (118n); - un système de commutation (138) destiné, pour chaque bobine (118n), à alternativement provoquer un stockage d'énergie dans la bobine (118n) par la réception par une borne de la bobine (118n) d'un courant en provenance de la borne d'entrée (128), et une restitution, à la borne de sortie (136), d'énergie stockée. Le noyau magnétique (104) comporte au moins une boucle fermée de guidage de flux magnétique, autour de laquelle les bobines (118n) sont successivement enroulées, les bobines (118n) étant telles que les courants en provenance de la borne d'entrée (128) parcourent les bobines (118n) dans des sens de rotation autour de la boucle fermée alternant d'une bobine (118n) à la suivante.

Description

CONVERTISSEUR DE TENSION ET PROCÉDÉ DE CONVERSION DE
TENSION
Description
La présente invention concerne un convertisseur de tension et un procédé de conversion de tension.
La thèse intitulée « Investigation of Multiphase Coupled-Inductor Buck Converters in Point-of-Load Applications » de Yan Dong, datée du 24 juillet 2009, et déposée auprès de la « Faculty of the Virginia Polytechnic Institute » et de la « State University » décrit, sur la figure 1.26 (b) :
- un système de bobines couplées comportant au moins trois bobines présentent chacune deux bornes, et un noyau magnétique de couplage des bobines, et
- un système de commutation destiné, pour chaque bobine, à alternativement provoquer un stockage d'énergie dans la bobine par la réception par une borne de la bobine d'un courant en provenance de la borne d'entrée, et une restitution, à la borne de sortie, d'énergie stockée.
Plus précisément, dans cette publication, le noyau magnétique comporte deux plaques parallèles reliées entre elles par des entretoises transversales autour desquelles les bobines sont enroulées.
Le système de bobines couplées décrit dans la thèse précédente présente comme inconvénient de nécessiter des épaisseurs de plaques importantes, car les flux magnétiques générés par les bobines s'additionnent dans ces plaques. Ainsi, un convertisseur de tension utilisant ce système de bobines couplées présenterait un encombrement important.
Afin de résoudre au moins en partie cet inconvénient, il est proposé un convertisseur de tension, comportant :
- une borne d'entrée destinée à être connectée à une source électrique pour présenter une tension d'entrée,
- une borne de sortie destinée à être connectée à un condensateur de sortie pour présenter une tension de sortie,
- un système de bobines couplées comportant : + au moins trois bobines présentent chacune deux bornes,
+ un noyau magnétique de couplage des bobines,
- un système de commutation destiné, pour chaque bobine, à alternativement provoquer un stockage d'énergie dans la bobine par la réception par une borne de la bobine d'un courant en provenance de la borne d'entrée, et une restitution, à la borne de sortie, d'énergie stockée,
caractérisé en ce que le noyau magnétique comporte au moins une boucle fermée de guidage de flux magnétique, autour de laquelle les bobines sont successivement enroulées, les bobines (118J étant telles que les courants en provenance de la borne d'entrée parcourent les bobines dans des sens de rotation autour de la boucle fermée alternant d'une bobine à la suivante.
En particulier, on entend par boucle fermée une boucle de flux magnétique, à savoir une ligne de flux magnétique qui se reboucle sans passer deux fois par un même bras du circuit magnétique. Notamment, par analogie avec le domaine électrique, une boucle fermée correspond à une maille fermée d'un circuit électrique. On comprend que la boucle fermée passe par toutes les bobines.
De préférence, les bobines sont coaxiales.
Avantageusement, le noyau comporte une pluralité d'éléments de noyau magnétique pourvus chacun d'un bras sur lequel est bobiné l'une des bobines, ces éléments étant empilés de sorte que ces bras soient sur une même droite.
De façon optionnelle, les sens d'enroulement alternent d'une bobine à la suivante.
De façon optionnelle également, les sens d'enroulement sont tous les mêmes.
De façon optionnelle également, chaque boucle fermée comporte : - une barre centrale autour de laquelle les bobines sont enroulées ; - une barre latérale contournant les bobines ; et - des barres d'extrémité contournant également les bobines et reliant respectivement les extrémités de la barre centrale aux extrémités de la barre latérale.
On entend par barre centrale un élément central pouvant comporter un ou plusieurs entrefers.
De façon optionnelle également, la barre centrale est commune à toutes les boucles fermées. De façon optionnelle également, le noyau magnétique comporte en outre, pour chaque boucle fermée, des barres transversales reliant la barre centrale à la barre latérale et séparant les bobines les unes des autres.
De façon optionnelle également, chaque boucle fermée présente une réluctance au moins dix fois plus grande que la réluctance des barres transversales.
De façon optionnelle également, la barre centrale est munie d'au moins un entrefer.
De façon optionnelle également, les barres transversales présentent une section plus faible que la section de la barre centrale.
De façon optionnelle également, le convertisseur de tension est destiné à fournir une tension de sortie plus élevée que la tension d'entrée.
De façon optionnelle également, le convertisseur de tension comporte un nombre pair de bobines, et, les bobines étant rangées dans leur succession le long de chaque boucle fermée depuis une première bobine jusqu'à une dernière bobine, le système de commutation est destiné à faire s'alterner une première phase dans laquelle les bobines de rang impair stockent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair fournissent de l'énergie, et une seconde phase dans laquelle les bobines de rang impair restituent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair stockent de l'énergie.
Il est également proposé un procédé de conversion de tension, comportant :
- l'obtention d'un convertisseur de tension, comportant :
+ une borne d'entrée destinée à être connectée à une source électrique pour présenter une tension d'entrée ;
+ une borne de sortie destinée à être connectée à un condensateur de sortie pour présenter une tension de sortie ;
+ un système de bobines couplées comportant :
* au moins trois bobines, et
* un noyau magnétique de couplage des bobines, comportant au moins une boucle fermée de guidage de flux magnétique autour de laquelle les bobines sont successivement enroulées,
- l'alternance, pour chaque bobine :
+ d'un stockage d'énergie par la réception par une borne de la bobine d'un courant en provenance de la borne d'entrée, et
+ d'une restitution, à la borne de sortie, d'énergie stockée, les courants en provenance de la borne d'entrée parcourant les bobines dans des sens de rotation autour de la boucle fermée alternant d'une bobine à la suivante.
Un exemple de réalisation de l'invention va à présent être décrit en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue simplifiée de dessus d'un convertisseur de tension mettant en œuvre l'invention ;
- la figure 2 est une vue simplifiée de dessus d'un noyau magnétique du convertisseur de tension de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue de dessus d'un élément servant à former le noyau magnétique de la figure 2 ; et
- la figure 4 est un schéma-blocs illustrant les étapes d'un procédé de conversion de tension mis en œuvre par le convertisseur de tension de la figure 1 ;
- la figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 2, illustrant des flux magnétiques dans le noyau magnétique ; et
- la figure 6 est un ensemble de deux graphes illustrant l'évolution du courant parcourant des bobines du convertisseur de tension de la figure 1.
En référence à la figure 1, un convertisseur de tension 100 mettant en œuvre l'invention va à présent être décrit. Dans l'exemple décrit, le convertisseur de tension 100 est un élévateur de tension (appelé en anglais « boost converter », ou bien « step-up converter »), destiné à recevoir une tension continue d'entrée Vin et à fournir une tension continue de sortie Vout plus grande que la tension continue d'entrée Vin.
Le convertisseur de tension 100 comporte tout d'abord un système 102 de bobines couplées.
Le système 102 comporte tout d'abord un noyau magnétique 104. Dans l'exemple décrit, le noyau magnétique 104 est en matériau ferromagnétique.
Le noyau magnétique 104 comporte tout d'abord une barre centrale 108. Dans le cadre la présente invention, le terme « barre » regroupe tous les éléments globalement allongés, par exemple une tige ou même une plaque. Dans l'exemple décrit, la barre centrale 108 est rectiligne et de section rectangulaire.
Le noyau magnétique 104 comporte en outre des première et seconde barres latérales 110, 112, situées sur deux côtés de la barre centrale 108. Dans l'exemple décrit, les première et seconde barres latérales 110, 112 sont rectilignes et de section également rectangulaire, et s'étendent parallèlement à la barre centrale 108.
Le noyau magnétique 104 comporte en outre des première et seconde barres d'extrémité 114, 116. La première barre d'extrémité 114 relie une extrémité de la barre centrale 108 avec les extrémités des barres latérales 110, 112 situées du même côté, tandis que la seconde barre d'extrémité 116 relie l'autre extrémité de la barre centrale 108 avec les autres extrémités des barres latérales 110, 112, situées de l'autre côté. Dans l'exemple décrit, les première et seconde barres d'extrémité 114, 116 rectilignes et de section également rectangulaire, et s'étendent perpendiculairement à la barre centrale 108.
Le noyau magnétique 104 comporte en outre N-l (N étant supérieur ou égal à trois, et de préférence pair - dans l'exemple décrit, N est égal à quatre) paires de barres transversales 120m, 122m (m variant de 1 à N-l). Les barres transversales 120m, 122m de chaque paire relient ensemble la barre centrale 108 avec respectivement la première barre latérale 110 et la seconde barre latérale 112. Dans l'exemple décrit, les barres transversales 120m, 122m sont rectilignes et de section rectangulaire, qui s'étendent perpendiculairement à la barre centrale 108.
Le système 102 comporte en outre N bobines 118n (N étant supérieur ou égal à trois, et n variant de 1 à N) successivement enroulées autour de la barre centrale 108 et contournées par les première et seconde barres d'extrémité 114, 116 et les première et seconde barres latérales 110, 112. Comme cela en connu en soi, chaque bobine 118n présente deux bornes définies par le sens d'enroulement de la bobine : une borne de départ d'enroulement et une borne de fin d'enroulement. Dans l'exemple décrit, les sens d'enroulement des bobines 118n alternent d'une bobine à la suivante dans leur succession.
Ainsi, la barre centrale 108, les première et seconde barres d'extrémité 114, 116 et les première et seconde barres latérales 110, 112 définissent deux boucles fermées traversant toutes les bobines 118n et destinées à guider du flux magnétique. Une boucle fermée est un chemin défini par le noyau magnétique 104 qui revient à son point de départ sans passer deux fois dans un même tronçon du noyau magnétique 104.
En outre, les barres transversales 120m, 122m sont intercalées entre les bobines 118n, de sorte que chaque bobine 118n est séparée de la suivante le long de la barre centrale 108 par une paire de barres transversales 120m, 122m. Ainsi, les barres transversales 120m, 122m définissent des chemins de fuite de flux magnétique entre les bobines 118n.
Le convertisseur de tension 100 comporte en outre une borne de masse 124 connectée à une masse électrique 126 et une borne d'entrée 128 destinée à présenter une tension d'entrée Vin par rapport à la masse électrique 126.
Le convertisseur de tension 100 comporte en outre une source électrique 130 connectée aux bornes 124, 128 pour appliquer la tension d'entrée Vin à la borne d'entrée 128 par rapport à la borne de masse 124. Dans l'exemple décrit, la source électrique 130 est une source de tension continue.
La borne d'entrée 128 est en outre reliée à une première borne de chaque bobine 118n. Dans l'exemple décrit, la borne d'entrée 128 est reliée aux bornes de départ d'enroulement des bobines 118n.
Ainsi, grâce au sens d'enroulement alternés des bobines, les courants en provenance de la borne d'entrée 128 parcourent les bobines 118n dans des sens de rotation autour de la barre centrale 108 alternant d'une bobine à la suivante suivant leur succession. Cette alternance est représentée sur la figure 1 par des flèches de directions opposées sur les bobines 118n.
Le convertisseur de tension 100 comporte en outre un condensateur de sortie 132 présentant une première borne 134 connectée à la masse électrique 126 et une seconde borne 136, appelée borne de sortie, destinée à présenter la tension de sortie Vout par rapport à la première borne 134.
Le convertisseur de tension 100 comporte en outre un système de commutation 138 destiné, pour chaque bobine 8n, à alternativement provoquer, d'une part, un stockage d'énergie dans la bobine 118n par la réception par la borne de la bobine 118n connectée à la borne d'entrée 128 d'un courant en provenance de la borne d'entrée 128, et, d'autre part, une fourniture d'énergie stockée dans la bobine 118n par la fourniture d'un courant vers la borne de sortie 136.
Dans l'exemple décrit, le système de commutation 138 comporte tout d'abord, pour chaque bobine 8n, un premier interrupteur commandé 140n reliant la borne de la bobine 118n non connectée à la borne d'entrée 128, à la borne de sortie 136. Le système de commutation 138 comporte en outre, pour chaque bobine 8n, un second interrupteur commandé 142n reliant la borne de la bobine 118n non connectée à la borne d'entrée 128, à la masse électrique 126.
Le système de commutation 138 comporte en outre un dispositif 144 de commande des interrupteurs 140n, 142n. Le dispositif de commande 144 est destiné, pour chaque bobine 8n, à alternativement ouvrir le premier interrupteur commandé 140n et fermer le second 142n, puis ouvrir le second interrupteur commandé 142n et fermer le premier 140n. Dans la première configuration, la bobine 118n fournit de l'énergie au condensateur de sortie 132, et dans la seconde configuration, la bobine 118n stocke de l'énergie depuis la source de tension 144.
En référence à la figure 2, les boucles fermées sont représentées par des pointillés et portent respectivement les références 202 et 204.
Par ailleurs, chaque barre transversale 120m, 122m présente une valeur de réluctance r entre la barre centrale 108 et respectivement les première et seconde barres latérales 110, 112. En outre, dans l'exemple décrit, les deux boucles fermées 202, 204 présentent une même valeur de réluctance R. De préférence, la valeur de réluctance R est au moins dix fois plus élevée que la valeur de réluctance r. Dans l'exemple décrit, ceci est tout d'abord obtenu en prévoyant une section des barres transversales 120m, 22m inférieure à la section de la barre centrale 108, des barres d'extrémité 114, 116 et des barres latérales 110, 112. En outre, la barre centrale 108 est pourvue d'entrefers 206, c'est-à-dire de coupures de matières d'une taille de préférence inférieure à un centimètre.
Comme les barres transversales 120m, 122m présentent une réluctance r plus petite que les autres éléments du noyau magnétique 104, ces barres transversales 120m, 122m saturent magnétiquement pour des valeurs plus faibles de flux magnétique que les boucles fermées 202, 204.
En référence à la figure 3, un élément 300 du noyau magnétique 104 va à présent être décrit. Bien évidemment, dans d'autres modes de réalisations, d'autres formes d'élément pourraient être utilisées.
L'élément 300 est en forme de E et comporte une base 302 et trois bras 304, 306, 308 parallèles s'étendant depuis la base 302. Le bras central 306 peut être un peu plus court que les deux autres l'entourant. Plusieurs éléments comme l'élément 300 sont empilés pour former le noyau magnétique 104 : la base 302 de chaque élément forme soit la barre d'extrémité 116, soit un tronçon de la barre centrale 108 et une paire de barres transversales, le bras central 306 forme un tronçon de la barre centrale 108, et les autres bras 304, 308 forment des tronçons des barres latérales 110, 112. Les bras 304, 308 sont destinés à venir au contact soit de la base 302 de l'élément 300 suivant de l'empilement, soit de la barre d'extrémité 114. Lorsque le bras central 306 est plus court que les deux autres, un entrefer est formé dans l'empilement entre le bras central 306 et soit la base 302 de l'élément suivant, soit la barre d'extrémité 114.
En référence à la figure 4, un procédé 400 de conversion de tension mettant en œuvre l'invention va à présent être décrit.
Au cours d'une étape 402, le dispositif de commande 144 commande les interrupteurs 140n, 142n dans la configuration de stockage d'énergie (interrupteurs 140n ouverts, interrupteurs 142n fermés).
Au cours d'une étape 404, toutes les bobines 118n reçoivent donc du courant depuis la source électrique 130 de manière croissante, et un flux magnétique correspondant apparaît dans le noyau magnétique 104. Plus précisément, chaque bobine 118n crée, dans chaque tronçon du noyau magnétique 104, un flux magnétique. Ainsi, dans l'exemple décrit, chaque tronçon du noyau magnétique 104 est parcouru par quatre flux magnétique, un pour chaque bobine 118n.
Or, grâce à l'alternance, d'une bobine à la suivante, des sens des courants parcourant les bobines 118n (qui résulte des sens d'enroulement des bobines 118n, choisis judicieusement en fonction des bornes des bobines 118n connectées à la borne d'entrée 128), les flux magnétiques sont alternativement dans un sens de rotation et dans l'autre. Ainsi, dans la barre centrale 108, les barres latérales 110, 112 et les barres d'extrémité 116, 114, les flux magnétiques se compensent au moins en partie (voir par exemple la zone Z de la barre latérale 112 sur la figure 5), de sorte que le champ résultant reste faible.
Le flux magnétique généré par chacune des bobines peut se repartir dans diverses boucles magnétiques et traverser un nombre variable des autres bobines.
Ainsi, le système 102 présente une inductance apparente faible. Comme la résultante de flux magnétique reste faible, il est possible d'utiliser une section faible pour les barres 108, 110, 112, 114, 116, ce qui permet de réduire l'encombrement du système 102.
En revanche, le phénomène de compensation est moins marqué dans les barres transversales 120m, 122m car, à ces endroits, les flux magnétiques générés par les deux bobines 118n les plus proches, c'est-à-dire les deux bobines 118n entourant chaque paire de barres transversales 120m, 122m sont de même sens et donc s'additionnent.
Ainsi, au cours d'une étape 406, les barres transversales 120m, 122m saturent magnétiquement de sorte que leur réluctance devient très élevée. Comme ces barres transversales sont entourées par les autres parties du noyau magnétique 104 qui ne saturent pas, les rayonnements vers l'extérieur du système 102, induits par ces saturations, restent modérés.
Au cours d'une étape 408, le dispositif de commande 144 bascule les interrupteurs 140n, 142n d'une configuration à l'autre, de sorte que chaque bobine 118n stocke de l'énergie, puis la restitue.
Alternativement, comme cela est représenté sur la figure 6, les basculements sont opposés d'une bobine à la suivante (déphasage de π entre chaque bobine), de sorte que lorsqu'une bobine est dans une configuration, la bobine suivante est dans l'autre configuration.
Ainsi, les bobines 118n étant rangées dans leur succession le long de chaque boucle fermée 202, 204 depuis une première bobine 1181 jusqu'à une dernière bobine 84, dans une première phase, les bobines de rang impair 118l5 1183 stockent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair 1182, 1184 fournissent de l'énergie, et, dans une seconde phase, les bobines de rang impair 118l5 1183 restituent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair 1182, 1184 stockent de l'énergie.
Toujours en référence à la figure 6, le courant I(n) parcourant chaque bobine 118n présente donc une composante Im continue (composante dite « de mode commun »), qui est en théorie la même pour toutes les bobines, et une composante oscillante i(n) variant autour de zéro. Il sera noté que la figure 6 n'est pas complètement fidèle à la réalité puisque chaque courant oscillant i(n) devrait présenter plusieurs pentes, en fonction de l'état des autres bobines (en stockage d'énergie ou en restitution d'énergie).
À un instant donné, les signes des composantes oscillantes i(n) sont de signes alternés : une sur deux est positive (c'est-à-dire que le courant I(n) est plus grand que sa composante de mode commun Im) et une sur deux est négative (c'est-à-dire que le courant I(n) est plus petit que sa composante de mode commun Im). Cette alternance compense, au moins un partie, l'alternance des sens de rotations des courants dans les bobines 118n, de sorte que les flux magnétiques ne sont plus alternés comme à l'étape 402. Ainsi, les flux magnétiques s'additionnent le long des boucles fermées 202, 204 du noyau magnétique 104. Le flux magnétique résultant est donc élevé, ce qui entraîne une inductance apparente élevée pour les composantes oscillantes i(n). Ainsi, malgré la réduction de l'encombrement du système 102 indiqué plus haut, le système 102 reste performant.
L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit précédemment, mais définie par les revendications qui suivent.
Par exemple, si les courants en provenance de la borne d'entée sont reçus alternativement, d'une bobine à la suivante, par la borne de début d'enroulement et par la borne de fin d'enroulement des bobines, ces dernières seraient alors enroulées selon des sens d'enroulement identiques autour de la ou des boucle fermées.
Par exemple également, le noyau ferromagnétique pourrait ne comporter qu'une seul barre latérale, et non deux, et définir ainsi une seule boucle fermée.
Par exemple également, les barreaux transversaux pourraient être omis.
En outre, le déphasage entre des bobines successives pourrait être d'une autre valeur que π. Le déphasage peut avoir une valeur adaptée à la conception du convertisseur pour permettre une inductance apparente, en particulier non négligeable, et/ ou minimiser les pertes.
En particulier, la réduction d'encombrement du convertisseur dans un mode de réalisation selon l'invention par rapport à l'art antérieur sera mieux comprise grâce à ce qui suit.
Une bobine est dimensionnée pour supporter le flux généré par les composantes continue et alternative du courant qui la traverse, sans saturer. Pour éviter une saturation du circuit magnétique, on peut prévoir un entrefer et/ou une section du noyau magnétique adaptés. Plus le courant (exprimé par exemple en Ampères-tours) générant le flux magnétique est élevé, plus les entrefers doivent être augmentés pour que l'induction magnétique n'atteigne pas les zones de saturation, et plus les sections du noyau magnétique doivent être augmentées pour compenser la réduction de valeur d'inductance inhérente à cette augmentation d'entrefer.
Lorsque les bobines ont des enroulements qui alternent de l'une à l'autre, les composantes continues des courants des bobines créent des flux qui s'annulent presque en totalité car de sens opposés. En revanche, les composantes alternatives des courants des bobines créent des flux qui se somment. On obtient donc un anticouplage sur les composantes continues et un couplage sur les composantes alternatives. Les entrefers et les sections du noyau magnétique peuvent donc être dimensionnés en fonction des flux résultant des composantes alternatives principalement, et seront donc de tailles moindres. Ainsi, l'encombrement du convertisseur est plus faible que dans l'art antérieur, et ce d'autant plus que le ratio entre composante continue et composante alternative est élevé.

Claims

Revendications
1. Convertisseur (100) de tension, comportant :
- une borne d'entrée (128) destinée à être connectée à une source électrique (130) pour présenter une tension d'entrée (Vin),
- une borne de sortie (136) destinée à être connectée à un condensateur de sortie (132) pour présenter une tension de sortie (Vout),
- un système (102) de bobines couplées comportant :
+ au moins trois bobines (118J présentent chacune deux bornes,
+ un noyau magnétique (104) de couplage des bobines ( 8J,
- un système de commutation (138) destiné, pour chaque bobine (118J, à alternativement provoquer un stockage d'énergie dans la bobine ( 8J par la réception par une borne de la bobine ( 8J d'un courant en provenance de la borne d'entrée (128), et une restitution, à la borne de sortie (136), d'énergie stockée,
caractérisé en ce que le noyau magnétique (104) comporte au moins une boucle fermée (202 ; 204) de guidage de flux magnétique, autour de laquelle les bobines ( 8J sont successivement enroulées, les bobines ( 8J étant telles que les courants en provenance de la borne d'entrée (128) parcourent les bobines ( 8J dans des sens de rotation autour de la boucle fermée (202 ; 204) alternant d'une bobine (118J à la suivante.
2. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 1, dans lequel les bobines sont coaxiales.
3. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les sens d'enroulement alternent d'une bobine (118J à la suivante.
4. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les sens d'enroulement (H8J sont tous les mêmes.
5. Convertisseur (100) de tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque boucle fermée (202 ; 204) comporte :
- une barre centrale (108) autour de laquelle les bobines ( 8J sont enroulées, - une barre latérale (110 ; 112) contournant les bobines ( 8J,
- des barres d'extrémité (114, 116) contournant également les bobines ( 8J et reliant respectivement les extrémités de la barre centrale (108) aux extrémités de la barre latérale (110 ; 112).
6. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 5, dans lequel la barre centrale (108) est commune à toutes les boucles fermées (202 ; 204).
7. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le noyau magnétique (104) comporte en outre, pour chaque boucle fermée (202 ; 204), des barres transversales (120m ; 122J reliant la barre centrale (108) à la barre latérale (110 ; 112) et séparant les bobines ( 8J les unes des autres.
8. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 5 ou 6, dans lequel chaque boucle fermée (202 ; 204) présente une réluctance (R) au moins dix fois plus grande que la réluctance (r) des barres transversales ( 20m, 122^).
9. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 8, dans lequel la barre centrale (108) est munie d'au moins un entrefer.
10. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 8 ou 9, dans lequel les barres transversales (120m, 122^) présentent une section plus faible que la section de la barre centrale (108).
11. Convertisseur (100) de tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, destiné à fournir une tension de sortie (Vout) plus élevée que la tension d'entrée (Vin).
12. Convertisseur (100) de tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comportant un nombre pair de bobines ( 8J, et dans lequel, les bobines ( 8J étant rangées dans leur succession le long de chaque boucle fermée (202 ; 204) depuis une première bobine (118a) jusqu'à une dernière bobine (1184), le système de commutation (138) est destiné à faire s'alterner une première phase dans laquelle les bobines de rang impair (1181, 1183) stockent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair (1182, 1184) fournissent de l'énergie, et une seconde phase dans laquelle les bobines de rang impair (118l5 83) restituent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair (1182, 1184) stockent de l'énergie.
13. Procédé (400) de conversion de tension, comportant :
- l'obtention d'un convertisseur (100) de tension, comportant :
+ une borne d'entrée (128) destinée à être connectée à une source électrique
(130) pour présenter une tension d'entrée (Vin) ;
+ une borne de sortie (136) destinée à être connectée à un condensateur de sortie (132) pour présenter une tension de sortie (Vout) ;
+ un système (102) de bobines couplées comportant :
* au moins trois bobines ( 8J, et
* un noyau magnétique (104) de couplage des bobines ( 8J, comportant au moins une boucle fermée (202 ; 204) de guidage de flux magnétique autour de laquelle les bobines ( 8J sont successivement enroulées,
- l'alternance (408), pour chaque bobine ( 8J :
+ d'un stockage d'énergie par la réception par une borne de la bobine ( 8J d'un courant en provenance de la borne d'entrée ( 28), et
+ d'une restitution, à la borne de sortie ( 36), d'énergie stockée,
les courants en provenance de la borne d'entrée (128) parcourant les bobines ( 8J dans des sens de rotation autour de la boucle fermée (202 ; 204) alternant d'une bobine (118J à la suivante.
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