EP3763025A1 - Alimentation isolee a masse flottante pour convertisseur electronique - Google Patents

Alimentation isolee a masse flottante pour convertisseur electronique

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EP3763025A1
EP3763025A1 EP19706699.6A EP19706699A EP3763025A1 EP 3763025 A1 EP3763025 A1 EP 3763025A1 EP 19706699 A EP19706699 A EP 19706699A EP 3763025 A1 EP3763025 A1 EP 3763025A1
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EP
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electronic
floating
isolated
amplification
power supply
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EP19706699.6A
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Inventor
Dimitri Olszewski
Alexandre BATTISTON
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Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Publication date
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    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
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    • H03K17/691—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit using transformer coupling
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    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0081—Power supply means, e.g. to the switch driver

Definitions

  • the present invention is in the field of electronic power systems and more particularly energy conversion systems between alternating currents (which can be abbreviated as AC or alternating current AC) and / or currents. continuous (which can be abbreviated by DC or in English by DC for "direct current”).
  • alternating currents which can be abbreviated as AC or alternating current AC
  • continuous which can be abbreviated by DC or in English by DC for "direct current”
  • the present invention relates in particular to the realization of an isolated power supply generated from the energy conversion system.
  • Electronic power systems perform several functions according to the applications in which they are used.
  • switching systems A large majority of these systems from a few tens of watts to several hundred kilowatts are so-called switching systems by those skilled in the art. In other words, they are composed of semiconductor switches capable of switching large currents and voltages at high frequencies.
  • drivers stages of components or electronic control circuits (hereinafter referred to as "drivers") and which make it possible to convert the control signals originating from a digital calculation unit, such as "DSP” type (for Digital Signal Processor in English) or microcontroller by way of example, in low power control signals adapted to the types of switch, as illustrated in Figure 1a which represents a generic diagram of a power system of the state of the art. art including a driver, and which will be detailed in the following description).
  • DSP Digital Signal Processor in English
  • a driver stage consists of an amplification driver (DD) of uninsulated voltage and current levels with low impedance outputs (push -pull or totem-pole and which have a semiconductor switch to the high level and another to the low level, one of which is blocked, while the other is saturated) associated with a pulse transformer (Tl) to isolate the signals.
  • DD amplification driver
  • Tl pulse transformer
  • isolated floating-mass power supplies are generally used to supply the drivers of the switches or else to supply voltage sensors that require, for example, a high-voltage power supply of the opto-isolation sensor type, and in a non-isolated manner. limiting other low power circuits requiring isolated power in the system.
  • the present invention aims at providing an isolated power supply to minimize the costs and bulk of the energy conversion system.
  • an electronic power system for the conversion of energy comprising at least one driver, at least one insulated feed with floating mass and with least one digital calculation unit for generating control signals, said driver comprises an amplification driver adapted to send the control signals to an associated pulse transformer, and the invention is characterized in that the isolated power supply floating mass is connected to the output of the amplification driver so that the control signals are recovered and used to generate the floating-state isolated power supply of the electronic power system.
  • the isolated floating-mass power supply comprises a transformer with its rectifier.
  • the rectifier of the insulated floating-point power supply is a diode rectifier.
  • the electronic power system comprises an isolated current and voltage measuring device.
  • the amplification driver is a driver for amplifying non-isolated voltage and current levels with push-pull output.
  • the push-pull output of the amplification driver is composed of a combination of transistors.
  • the invention relates to an isolated floating-mass power supply which comprises a transformer and a rectifier and which is characterized in that it is adapted to be powered by an output of a system amplification driver. power electronics as described above.
  • the invention consists in using these control signals between the output of the amplification driver (DD) and the input of the pulse transformer (Tl) to generate floating isolated supplies as shown in FIG. 2.
  • control signals are advantageously sent to a new transformer (TA) with its rectifier, diode for example, to create an insulated supply floating mass.
  • TA transformer
  • the transformation ratio of the transformer (TA) makes it possible to adapt the level of voltage required by the consumer circuit. Note that it is possible in a variant of the invention to add a linear regulator to stabilize the output voltage of the transformer (TA).
  • Figure 1a shows the state of the art of a generic scheme of a power system
  • Figure 1b is a diagram of a state of the art driver used in a power system of Figure 1a;
  • FIG. 2 is a detailed diagram of the driver stage and the generation of the isolated power supply according to one embodiment.
  • the electronic power systems (1) fulfill several functions according to the applications in which they are used, such as in particular the motor control for torque variation, the source conversion between a DC electrochemical accumulator and an AC distribution network, voltage level matching between two DC sources, the power variation.
  • switching systems As stated above, a large majority of these systems, from a few tens of watts to several hundred kilowatts, are so-called switching systems. In other words, they are composed of semiconductor switches (13) capable of switching large currents and voltages at high frequencies.
  • FIG. 1 a illustrates in block diagram form the various functions of an electronic power system (also called "energy conversion") as presented in the introduction and which is generally found in the state of the art. 'art. This scheme is also found in the context of the invention described below.
  • the GND references correspond to the electric masses.
  • Such an electronic system (1) comprises a measurement block MES which is composed of devices for measuring current and voltage isolated from the magnitudes located on the high voltage of the converter.
  • This measurement block comprises sensors (3) isolated, by an isolation system (4), between the input measurement and an output conditioned signal.
  • This output measurement signal being adapted to the usual voltage levels of a numerical calculation unit (2).
  • the electronic system (1) also comprises measurement conditioning devices, communication drivers and the numerical computing unit (2). This part is the heart of the system where the operating logic of the system is implemented.
  • the electronic system (1) comprises power semiconductor control devices (13).
  • these devices are isolated drivers (10).
  • the semiconductors are driven by driver stages which make it possible to convert control signals (12) coming from the digital computing unit (2) into low power control signals adapted to the types of switch.
  • the electronic system (1) also includes power switching devices typically MOSFET semiconductors (which are the acronyms of "Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor” in English which translates to metal-metal field effect transistor). semiconductor oxide) or IGBT (English Insulated Gate Bipolar Transistor or "bipolar transistor insulated gate”). These switches are connected between the output and the input of the system through an inductive energy accumulation system, typically a transformer for isolated converters or an inductor for uninsulated converters. These switching devices can be controlled by a pulse width modulation (PWM) method (Power Width Modulation).
  • PWM pulse width modulation
  • a driver (10) consists of an amplification driver (DD) of non-isolated voltage and current levels with push-pull outputs (15) associated with a pulse transformer ( Tl) to isolate the signals.
  • the driver (10) also includes a control part (CMD) and a power part (PUI).
  • the control part (CMD) and the amplification driver (DD) are isolated by an insulation (14), which can be either a galvanic isolation (pulse transformer) or an opto-isolation isolation (coupled photodiodes).
  • the push-pull outputs (15) of the amplification driver (DD) can be composed of a combination of transistors.
  • the voltages across the outputs (15) is generally between + 15V and -15V. They can also be at 0V.
  • the power section (PUI) and the amplification driver (DD) are also isolated by an insulation (16).
  • FIG. 2 represents an electronic system (1) in an embodiment according to the invention.
  • the electronic system (1) comprises a driver stage and an isolated floating-mass power supply (1 1).
  • the driver stage as previously described, consists of an amplification driver (DD) of non-isolated voltage and current levels with push-pull output associated with a pulse transformer (Tl) for isolating the signals.
  • DD amplification driver
  • Tl pulse transformer
  • the control signals (12) between the output of the amplification driver (DD) and the input of the pulse transformer (Tl) are recovered and used to generate the floating isolated power supplies (1 1 ).
  • a wired connection is provided such as metal wires (in particular copper), which connects the output of the amplification driver (DD) and the input of the pulse transformer (T1).
  • Another embodiment of connectivity is to use the electronic tracks of an electronic card.
  • the invention may include one or more floating isolated supplies.
  • the floating-mass insulated power supply (1 1) comprises a transformer (TA) with its rectifier, for example with a diode, in order to create an insulated and rectified floating-mass power supply of a parameterizable amplitude at the output.
  • the control signals (12) are sent to this new transformer (TA) with its rectifier.
  • the transformation ratio of the transformer (TA) makes it possible to adapt the level of voltage required by the consumer circuit (not shown).
  • a linear regulator can be added to stabilize the output voltage of the transformer (TA).
  • the embodiment of Figure 2 may include alternative embodiments.
  • a variant which consists of using secondary transformers or another variant which consists of using a n: 1 ratio secondary transformer or alternatively of using a planar transformer.
  • the invention described above has the advantage of reusing existing functions in the circuit to advantageously create an isolated and local power supply to mass floating.
  • the invention makes it possible to reduce the number of components as well as the cost and to reduce the size, the connectors and the cables to be distributed between the different cards.
  • the invention is advantageous as regards the choice of the numerical calculation unit, it indeed makes it possible not to add the need for a PWM output to manage the different floating-mass isolated power supplies, and thus to choose a less expensive component. .

Landscapes

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Abstract

L'objet de l'invention concerne un système électronique de puissance (1) pour la conversion d'énergie comprenant au moins un circuit électronique de pilotage de l'amplification (10), au moins une alimentation isolée à masse flottante (11) et au moins une unité de calcul numérique (2) pour générer des signaux de commande (12). L'invention concerne plus particulièrement l'alimentation isolée à masse flottante (11) à partir des signaux de commande (12).

Description

ALIMENTATION ISOLEE A MASSE FLOTTANTE POUR CONVERTISSEUR ELECTRONIQUE
La présente invention se situe dans le domaine des systèmes électroniques de puissance et plus particulièrement des systèmes de conversion d’énergie entre des courants alternatifs (qui peuvent être abrégés par CA ou en anglais par AC pour « alternating current ») et/ou des courants continus (qui peuvent être abrégés par CC ou en anglais par DC pour « direct current »).
La présente invention porte notamment sur la réalisation d’une alimentation isolée générée à partir du système de conversion d’énergie.
Les systèmes électroniques de puissance remplissent plusieurs fonctions suivants les applications dans lesquelles ils sont utilisés. A titre d’exemple non limitatif nous pouvons citer notamment la commande de moteur pour de la variation de couple, de la conversion de source entre un accumulateur électrochimique DC et un réseau de distribution AC, de l’adaptation de niveau de tension entre deux sources DC, de la variation de puissance.
Une grande majorité de ces systèmes de quelques dizaines de watts à plusieurs centaines de kilowatts sont des systèmes dits à découpage par l’homme de l’art. Autrement dit, ils sont composés d’interrupteurs à semi-conducteurs capables de commuter à des fréquences élevées des courants et des tensions importants.
Ces semi-conducteurs sont pilotés par des étages de composants ou circuits électroniques de pilotage ( dénommés « drivers » par la suite) et qui permettent de convertir les signaux de commande provenant d’unité de calcul numérique, type « DSP » (pour Digital Signal Processor en anglais) ou microcontrôleur à titre d’exemple, en signaux de commande de faible puissance adaptés aux types d’interrupteur, comme illustré sur la figure 1 a qui représente un schéma générique d’un système de puissance de l’état de l’art comprenant un driver, et qui sera détaillée dans la suite de la description).
Ces drivers, pour des niveaux de tension élevés et afin de satisfaire les normes de sécurité, sont isolés des circuits de commande soit par isolation galvanique (transformateur d’impulsion), soit par opto-isolation (photodiodes couplées). Dans l’état de l’art de ces drivers représenté à la figure 1 b, un étage driver est constituée d’un driver d’amplification (DD) des niveaux de tension et de courant non isolé à sorties à basse impédance ( dites push-pull ou totem-pole et qui comportent un semi-conducteur commutateur vers le niveau haut et un autre vers le niveau bas, dont l'un des deux est bloqué, tandis que l'autre est saturé ) associé à un transformateur d’impulsion (Tl) pour isoler les signaux. Dans ces types de convertisseurs, on utilise généralement des alimentations isolées à masses flottantes pour alimenter les drivers des interrupteurs ou bien alimenter des capteurs de tension qui nécessitent par exemple une alimentation sur la haute tension du type capteur à opto-isolation, et de façon non limitative les autres circuits de faible puissance nécessitant une alimentation isolée dans le système.
Ces alimentations isolées à masse flottante sont dans l’état de l’art générées à partir du bus de tension élevée ou d’une source de tension auxiliaire avec l’ajout d’un régulateur à découpage dédié et centralisé pour le reste des circuits. Cette solution est souvent coûteuse et consommatrice de place sur le circuit imprimé de la carte. En outre, cette alimentation centralisée doit être distribuée sur les différentes cartes du système et dimensionnée pour alimenter tous les circuits en aval.
La présente invention vise à réaliser une alimentation isolée pour minimiser les coûts et l’encombrement du système de conversion d’énergie.
Pour atteindre au moins les objectifs susvisés, parmi d’autres, la présente invention propose, selon un premier aspect, un système électronique de puissance pour la conversion d’énergie comprenant au moins un driver, au moins une alimentation isolée à masse flottante et au moins une unité de calcul numérique pour générer des signaux de commande, ledit driver comprend un driver d’amplification adapté à envoyer les signaux de commande à un transformateur d’impulsion associé, et l’invention se caractérise en ce que l’alimentation isolée à masse flottante est reliée à la sortie du driver d’amplification de telle manière que les signaux de commande sont récupérés et utilisés pour générer l’alimentation isolée à masse flottante du système électronique de puissance.
Selon une caractéristique, l’alimentation isolée à masse flottante comprend un transformateur avec son redresseur.
Selon une caractéristique, le redresseur de l’alimentation isolée à masse flottante est un redresseur à diode.
Selon une caractéristique, le système électronique de puissance comprend un dispositif de mesure de courant et de tension isolés.
Selon une caractéristique, le driver d’amplification est un driver d’amplification des niveaux de tension et de courant non isolé à sortie push-pull. Selon une caractéristique, la sortie push-pull du driver d’amplification est composée d’une association de transistors.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne une alimentation isolée à masse flottante qui comprend un transformateur et un redresseur et qui se caractérise en ce qu’elle est adaptée à être alimentée par une sortie d’un driver d’amplification d’un système électronique de puissance tel que décrit ci-dessus.
L’invention consiste à utiliser ces signaux de commande entre la sortie du driver d’amplification (DD) et l’entrée du transformateur d’impulsion (Tl) pour générer des alimentations isolées flottantes comme visible sur la figure 2.
Ainsi, les signaux de commande sont avantageusement envoyés vers un nouveau transformateur (TA) avec son redresseur, à diode par exemple, pour créer une alimentation isolée à masse flottante. Le rapport de transformation du transformateur (TA) permet d’adapter le niveau de tension requis par le circuit consommateur. A noter que l’on peut dans une variante de l’invention rajouter un régulateur linéaire pour stabiliser la tension en sortie du transformateur (TA).
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Présentation succincte des figures
La figure 1 a représente l’état de l’art d’un schéma générique d’un système de puissance ;
La figure 1 b est un schéma d’un driver de l’état de l’art utilisé dans un système de puissance de la figure 1 a ;
La figure 2 est un schéma de détail de l’étage driver et de la génération de l’alimentation isolée selon un mode de réalisation.
Description détaillée de l'invention
Les systèmes électroniques de puissance (1 ) remplissent plusieurs fonctions suivants les applications dans lesquelles ils sont utilisés comme notamment la commande de moteur pour de la variation de couple, de la conversion de source entre un accumulateur électrochimique DC et un réseau de distribution AC, de l’adaptation de niveau de tension entre deux sources DC, de la variation de puissance.
Comme énoncé précédemment une grande majorité de ces systèmes, de quelques dizaines de watts à plusieurs centaines de kilowatts, sont des systèmes dits à découpage. Autrement dit ils sont composés d’interrupteurs à semi-conducteurs (13) capables de commuter à des fréquences élevées des courants et des tensions importants.
La figure 1 a illustre sous forme de schéma bloc, les différentes fonctions d’un système électronique de puissance (également appelé « à conversion d’énergie ») tel que présenté en introduction et que l’on retrouve généralement dans l’état de l’art. Ce schéma est également celui retrouvé dans le cadre de l’invention décrite ci-après. Sur les figures, les références GND correspondent aux masses électriques.
Un tel système électronique (1 ) comprend un bloc de mesure MES qui est composé de dispositifs de mesures de courant et de tension isolés des grandeurs situées sur la haute tension du convertisseur. Ce bloc de mesure comprend des capteurs (3) isolés, par un système d’isolation (4), entre la mesure d’entrée et un signal conditionné de sortie. Ce signal de mesure en sortie étant adapté aux niveaux de tension usuelle d’une unité (2) numérique de calcul.
Le système électronique (1 ) comprend également des dispositifs de conditionnement des mesures, des drivers de communication et l’unité (2) numérique de calcul. Cette partie étant le cœur du système où la logique de fonctionnement du système est implémentée.
En outre, le système électronique (1 ) comprend des dispositifs de commande des semi-conducteurs (13) de puissance. Dans le cas de systèmes de conversion à haute tension, ces dispositifs sont des drivers (10) isolés. Les semi-conducteurs sont pilotés par des étages drivers qui permettent de convertir des signaux de commande (12) provenant de l’unité de calcul numérique (2) en signaux de commande de faible puissance adaptés aux types d’interrupteur.
Le système électronique (1 ) comprend également des dispositifs de commutation de puissance typiquement à semi-conducteurs MOSFET (qui sont les acronymes de « Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » en anglais ce qui se traduit par transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur) ou IGBT (de l’anglais Insulated Gâte Bipolar Transistor ou « transistor bipolaire à grille isolée »). Ces interrupteurs sont connectés entre la sortie et l’entrée du système au travers d’un système d’accumulation inductif d’énergie, typiquement un transformateur pour les convertisseurs isolés ou une inductance pour les convertisseurs non isolés. Ces dispositifs de commutation peuvent être commandés par une méthode de modulation de longueur d’impulsion PWM (de l’anglais « Power Width Modulation »)
Comme visible sur la figure 1 b, un driver (10) est constitué d’un driver d’amplification (DD) des niveaux de tension et de courant non isolé à sorties push-pull (15) associé à un transformateur d’impulsion (Tl) pour isoler les signaux. Le driver (10) comprend également une partie commande (CMD) et une partie puissance (PUI). La partie commande (CMD) et le driver d’amplification (DD) sont isolés par une isolation (14), qui peut être soit une isolation galvanique (transformateur d’impulsion), soit une isolation opto-isolation (photodiodes couplées).
Les sorties push-pull (15) du driver d’amplification (DD) peuvent être composées d’une association de transistors. Les tensions aux bornes des sorties (15) est généralement comprise entre +15V et -15V. Elles peuvent également être à 0V.
La partie puissance (PUI) et le driver d’amplification (DD) sont également isolés par une isolation (16).
La figure 2 représente un système électronique (1 ) dans un mode de réalisation conforme à l’invention. A cet effet le système électronique (1 ) comprend un étage driver et une alimentation isolée à masse flottante (1 1 ). L’étage driver tel que précédemment décrit, est constitué d’un driver d’amplification (DD) des niveaux de tension et de courant non isolé à sortie push-pull associé à un transformateur d’impulsion (Tl) pour isoler les signaux. Dans le cadre de l’invention les signaux de commande (12) entre la sortie du driver d’amplification (DD) et l’entrée du transformateur d’impulsion (Tl) sont récupérés et utilisés pour générer les alimentations isolées flottantes (1 1 ). Pour ce faire, on prévoit une connexion filaire comme des fils métalliques (notamment en cuivre), qui relie la sortie du driver d’amplification (DD) et l’entrée du transformateur d’impulsion (Tl). Une autre réalisation de connectique consiste à utiliser les pistes électroniques d’une carte électronique. L’invention peut comprendre une ou plusieurs alimentations isolées flottantes.
L’alimentation isolée à masse flottante (1 1 ) comprend un transformateur (TA) avec son redresseur, à diode par exemple, afin de créer une alimentation isolée et redressée à masse flottante d’une amplitude paramétrable en sortie. Les signaux de commande (12) sont envoyés vers ce nouveau transformateur (TA) avec son redresseur.
Le rapport de transformation du transformateur (TA) permet d’adapter le niveau de tension requis par le circuit consommateur (non représenté). Dans une variante de l’invention, on peut rajouter un régulateur linéaire pour stabiliser la tension en sortie du transformateur (TA).
Le mode de réalisation de la figure 2 peut comprendre des variantes de réalisation. Notamment, une variante qui consiste à utiliser des transformateurs à 2 secondaires, ou une autre variante qui consiste à utiliser un transformateur à 1 secondaire de ratio n : 1 ou encore une variante consistant à utiliser un transformateur planaire.
L’invention décrite ci-dessus présente l’avantage de réutiliser des fonctions existantes dans le circuit pour avantageusement créer une alimentation isolée et locale à masse flottante. En ce sens, l’invention permet de diminuer le nombre de composants ainsi que le coût et de réduire l’encombrement, les connecteurs et les câbles à distribuer entre les différentes cartes. On notera également que l’invention est avantageuse concernant le choix de l’unité de calcul numérique, elle permet en effet de ne pas rajouter de besoin de sortie PWM pour gérer les différentes alimentations isolées à masse flottante, donc de choisir un composant moins coûteux.
Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas aux réalisations décrites ci-dessus à titre d’exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.

Claims

Revendications
1 ) Système électronique de puissance (1 ) pour la conversion d’énergie comprenant au moins un circuit électronique de pilotage (10), au moins une alimentation isolée à masse flottante (1 1 ) et au moins une unité de calcul numérique (2) pour générer des signaux de commande (12), ledit circuit électronique de pilotage (10) comprend un circuit électronique de pilotage de l’amplification (DD) adapté à envoyer les signaux de commande (12) à un transformateur d’impulsion (Tl) associé audit circuit électronique de pilotage de l’amplification (DD) caractérisé en ce que l’alimentation isolée à masse flottante (1 1 ) est reliée à la sortie du circuit électronique de pilotage de l’amplification (DD) de telle manière que les signaux de commande (12) issus dudit circuit électronique de pilotage de l’amplification (DD) sont récupérés et utilisés pour générer l’alimentation isolée à masse flottante (1 1 ) du système électronique de puissance (1 ).
2) Système électronique de puissance (1 ) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’alimentation isolée à masse flottante (1 1 ) comprend un transformateur (TA) avec son redresseur.
3) Système électronique de puissance (1 ) selon la revendication 2 caractérisé en ce que le redresseur de l’alimentation isolée à masse flottante (1 1 ) est un redresseur à diode.
4) Système électronique de puissance (1 ) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de mesure de courant et de tension isolés.
5) Système électronique de puissance (1 ) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit électronique de pilotage de l’amplification (DD) est un circuit électronique de pilotage de l’amplification des niveaux de tension et de courant non isolé à sortie à basse impédance (15).
6) Système électronique de puissance (1 ) selon la revendication précédente caractérisé en ce que la sortie à basse impédance (15) du circuit électronique de pilotage de l’amplification (DD) est composée d’une association de transistors.
7) Alimentation isolée à masse flottante (1 1 ) comprenant un transformateur (TA) et un redresseur caractérisé en ce qu’elle est adaptée à être alimentée par une sortie d’un circuit électronique de pilotage de l’amplification (DD) d’un système électronique de puissance (1 ) tel que revendiqué dans les revendications 1 à 8.
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