EP4115512A1 - Procédé et dispositif de conversion d'une tension avec commutation douce des interrupteurs - Google Patents

Procédé et dispositif de conversion d'une tension avec commutation douce des interrupteurs

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EP4115512A1
EP4115512A1 EP21704848.7A EP21704848A EP4115512A1 EP 4115512 A1 EP4115512 A1 EP 4115512A1 EP 21704848 A EP21704848 A EP 21704848A EP 4115512 A1 EP4115512 A1 EP 4115512A1
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EP
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switch
instant
bridge arm
cycle
injection
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Pending
Application number
EP21704848.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
Benoît Peron
Arnaud BRUDER
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Forsee Power SA
Original Assignee
Forsee Power SA
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • TITLE Method and device for converting a voltage with gentle switching of switches.
  • the present invention relates to the field of DC-DC converters, and in particular converters which include a transformer providing galvanic isolation.
  • DC-DC converters are based on the use of full bridge switching cells, coupled with a transformer.
  • a switching cell usually includes a switch and a capacitor.
  • the switching cells are configured for soft switching, ie with zero voltage at the terminals of the switch when closing and opening said switch, in other words respectively when the said switch is turned ON and when the switch is turned OFF. .
  • soft switching is only effective when closing, in other words when switching the switch to ON, and is not effective when switching on. 'opening, in other words when the switch is turned OFF.
  • the present invention relates to a method for converting an input voltage between two input terminals of a primary circuit of a converter into an output voltage between two output terminals of a secondary circuit of the converter.
  • the primary circuit comprising:
  • first bridge arm formed by a first switch and a second switch, the first and the second switch being connected in series between the input terminals of the primary circuit, a first midpoint of the first bridge arm designating a connection point intermediate between the first switch and the second switch;
  • a third bridge arm formed by a fifth switch and a sixth switch, the fifth and the sixth switch being connected in series between the input terminals of the primary circuit, a third midpoint of the third bridge arm designating a connection point intermediate between the fifth switch and the sixth switch, the third bridge arm being connected in parallel with the first and second bridge arms between the input terminals of the primary circuit;
  • control unit configured to control a state of the switches, each switch being configured to be alternately on
  • control unit ON or OFF, the control unit being configured to implement a switch command cycle comprising the following steps:
  • the invention comprises one or more of the following characteristics, alone or in a technically acceptable combination.
  • the first instant is determined as a function of a time when the diode associated with the first switch is in conduction, so that a voltage across the first switch is zero.
  • the capacitor arranged in parallel between the respective terminals of each of the first, second, third, and fourth switches allows gentle switching when the switches are turned OFF and when the switches of the first bridge arm are turned ON.
  • the injection inductance allows gentle switching of the switches over the entire operating range, in particular by extending the operating range to the lowest operating powers.
  • the injection duration is determined as a function of the predetermined minimum injection current.
  • the injection duration is determined by the relationship:
  • the minimum predetermined injection current is determined as a function of a level of current available l LKdispo in the primary coil of the primary circuit and a critical current level l LK.min in the primary coil of the primary circuit.
  • the predetermined minimum injection current is equal to l LK.min -l LKdispo .
  • the level of current available l LKdispo is a function of a ratio between a number of turns Np of the primary coil and a number of turns Ns of the secondary coil and an average value of one current l L1.moy in an inductor L1, L2 of the secondary circuit.
  • the level of current available LKdispo is determined by the relation: [Math 3]
  • the critical current level l LK.min in the primary coil of the primary circuit is a function of a capacitance Cres of the capacitor arranged in parallel between the respective terminals of each of the first, second, third, and fourth switches and the leakage inductance L k of the primary coil of the primary circuit and the input voltage Vin between the input terminals of the primary circuit of the converter.
  • the critical current level l LK.min in the primary coil of the primary circuit is determined by the relation:
  • Kmarge is a margin coefficient to be adjusted so that the freewheeling diode of one of the switches of the first bridge arm conducts long enough so that the gate voltage of the transistor of said switch can be applied to guarantee a soft switching when the second switch B is turned ON, between an instant ts, defined as a function of the fourth instant t 4 , and the fifth instant t 6 , and to guarantee a soft switching when the first switch A is turned ON between an instant t 10 defined as a function of the eighth instant t 9 and the first instant t 0 ;
  • the coefficient Kmarge is equal to 1.2.
  • the second instant of the cycle is offset from the first instant by a first time offset, a function of a phase shift between the first and second bridge arms, and by a duration of a complete cycle;
  • the third instant of the cycle is shifted from the first instant by a second time shift as a function of the first time shift and a first dead time;
  • the fourth instant of the cycle is shifted from the first instant by a third time shift which is a function of the duration of a half-cycle and of a second dead time;
  • the fifth instant of the cycle is shifted from the first instant by a fourth time shift which is a function of the duration of a complete half-cycle;
  • the sixth instant of the cycle is shifted from the first instant by a fifth time shift depending on the phase shift and the duration of a complete half-cycle;
  • the seventh instant of the cycle is shifted from the first instant by a sixth time shift depending on the phase shift and the duration of a complete half-cycle and the first dead time;
  • the eighth instant of the cycle is shifted from the first instant by a seventh time shift as a function of the duration of a complete cycle and of the second dead time.
  • the phase shift Ph between the first and second bridge arms is determined as a function of the ratio between the number of turns Np of the primary coil and the number of turns Ns of the secondary coil and of the ratio between the output voltage V or t between the output terminals of the secondary circuit and the input voltage V in . between the input terminals of the primary circuit.
  • the phase shift is defined by the relation: [Math 4]
  • the duration T of a complete cycle is a predetermined constant.
  • said first dead time corresponding to both a time interval between the second instant t 2 and a time where the diode of switch C becomes conductive, and at a time interval between the sixth instant t 7 and a time when the diode of switch D becomes conductive.
  • the first dead time t dead_C_D is adjusted to guarantee gentle switching of the switches of the second bridge arm, from the moment when the injection current has reached the predetermined minimum injection current.
  • said second dead time corresponds to the time interval between the instants t 4 and t 5 , and also to the time interval between t 9 and t-io.
  • the second dead time t dead_A_B is determined as a function of the capacitance C res of the capacitor arranged in parallel between the respective terminals of each of the first, second, third, and fourth switches and of the inductance of L k leak from the primary coil of the primary circuit.
  • the second dead time t dead_A_B is determined by the relation:
  • the first dead time t dead_A_B is determined by the relation:
  • the first time shift between t 0 and t 2 is determined by the relationship:
  • the third time shift between t 0 and t 4 is determined by the relation: [Math 10]
  • the fourth time shift between t 0 and t 6 is determined by the relationship:
  • the fifth time shift between t 0 and t 7 is determined by the relation: [Math 12]
  • the sixth time offset between t 0 and t 8 is determined by the relation:
  • the seventh time shift between t 0 and t 9 is determined by the relation:
  • the invention also relates to a converter comprising a primary circuit and a secondary circuit, the converter being configured to convert an input voltage between two input terminals of the primary circuit into an output voltage between the output terminals of the secondary circuit, the primary circuit comprising:
  • first bridge arm formed by a first switch and a second switch, the first and the second switch being connected in series between the input terminals of the primary circuit, a first midpoint of the first bridge arm designating a connection point intermediate between the first switch and the second switch;
  • a third bridge arm formed by a fifth switch and a sixth switch, the fifth and the sixth switch being connected in series between the input terminals of the primary circuit, a third midpoint of the third bridge arm designating a connection point intermediate between the fifth switch and the sixth switch, the third bridge arm being connected in parallel with the first and second bridge arms between the input terminals of the primary circuit;
  • Each of the first, second, third, fourth, fifth and sixth switches being associated with a diode connected to the terminals of said first, second, third, fourth, fifth and sixth switch;
  • the invention comprises one or more of the following characteristics, alone or in a technically acceptable combination.
  • the secondary circuit comprises:
  • the secondary circuit further comprises a capacitor disposed between the output terminals of the secondary circuit.
  • FIG. 2 is a timing diagram representing the evolution of the state of the components of the circuit shown in FIG. 1, and the evolution of currents and voltages between different points of the circuit.
  • FIG. 3.1 is a schematic representation of part of the electrical circuit of Figure 1, active during a portion of the operating cycle of the circuit, said portion of the cycle being between the times t 3 and t 3inj of the time axis of the timing diagram of FIG. 2.
  • FIG. 3.2 is a schematic representation of part of the electrical circuit of Figure 1, active during a portion of the operating cycle of the circuit, said portion of the cycle being between the times t 3inj and t 4 of the time axis of the timing diagram in figure 2.
  • FIG. 3.3 is a schematic representation of a part of the electrical circuit of FIG. 2, active during a portion of the operating cycle of the circuit, said portion of the cycle being between the times t 4 and t 5 of the time axis of the timing diagram in figure 2.
  • FIG. 3.4 is a schematic representation of part of the electrical circuit of Figure 1, active during a portion of the operating cycle of the circuit, said portion of the cycle being between the times t 8 and t 8inj of the time axis of the timing diagram of Figure 2.
  • FIG. 3.5 is a schematic representation of part of the electrical circuit of FIG. 1, active during a portion of the operating cycle of the circuit, said portion of the cycle being between the times t 8inj and t 9 of the time axis of the timing diagram in figure 2.
  • FIG. 3.6 is a schematic representation of a part of the electrical circuit of FIG. 2, active during a portion of the operating cycle of the circuit, said portion of the cycle being between the times t 9 and t 10 of the time axis of the timing diagram in figure 2.
  • FIG. 4 is a schematic representation of the steps of the method according to the invention.
  • FIG. 5 is a schematic representation of a second embodiment of the secondary circuit according to the invention.
  • FIG. 6 shows a third embodiment of the secondary circuit according to the invention, with in Figure 6a a first schematic representation of said third embodiment, and in Figure 6b a second equivalent schematic representation of said third embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic representation of a fourth embodiment of the secondary circuit according to the invention.
  • FIG. 1 is an equivalent electric diagram of a converter 1 according to one embodiment of the invention.
  • the diagram in figure 1 shows two parts 2, 3.
  • the first part 2 comprises a first portion 2 ′ of the primary circuit and a secondary circuit 2 ′′.
  • the first portion of the primary circuit 2 ′ comprises two input terminals E1, E2 configured to receive an input voltage V in . It also includes a first pair of switches A, B connected in series, in other words as a bridge arm between the two input terminals E1, E2, as well as a second pair of switches C, D connected in series, otherwise said as a bridge arm between the two input terminals E1, E2.
  • the first pair of switches A, B, and the second pair of switches C, D thus form two bridge arms, both connected in parallel between the two input terminals E1, E2.
  • Each bridge arm comprises a midpoint PAB, PCD at a connection point located between the two switches of said bridge arm.
  • the midpoints PAB, PCD of each bridge arm are connected by a primary coil coupled to a secondary coil of the secondary circuit 2 ".
  • Said primary coil is characterized by a leakage inductance L k ; it receives between its terminals, connected to the points medium PAB, PCD, a primary voltage V p determined in particular by the open or closed state of switches A, B, C and D.
  • a parallel capacitor is arranged so as to connect the respective terminals of each of said switches A, B, C, D.
  • the capacitance of said parallel capacitor is greater than the intrinsic capacitance, linked to the composition of the transistors, of each switch A, B, C,
  • the second part 3 of the diagram describes the second portion 3 of the primary circuit, complementary to the first portion 2 ′ of the primary circuit, so that, according to the embodiment of the invention described here, the primary circuit comprises the second portion 3 which will now be described, coupled to the first portion 2 'described above.
  • Said second portion 3 of the primary circuit comprises a pair of injection switches E, F in series, in other words as a bridge arm, between the two input terminals E1, E2.
  • the pair of injection switches E, F thus form a third bridge arm, connected in parallel between the two input terminals E1, E2.
  • Said third bridge arm comprises a midpoint PEF at a connection point situated between the two injection switches E, F of said third bridge arm.
  • This midpoint PEF and the midpoint PAB of one of the two bridge arms described above are electrically connected by an injection circuit characterized by its injection inductance L inj .
  • a diode inherent in the construction of the switch, is present in parallel with the switches A, B, C, D, E, F, in which, the cathode of the diode is electrically connected to the drain, or to the collector of the switch and the anode of the diode is electrically connected to the source, or to the emitter of the switch.
  • This diode is intrinsic to metal-oxide gate field effect transistors, otherwise called MOSFETs according to the acronym; a diode is added in the case of the use of bipolar transistors with insulated gate, otherwise called IGBT according to the English acronym.
  • the recombination charges of the diode must be negligible compared to the charges corresponding to the capacities of said parallel capacitor.
  • Silicon carbide (SiC) or galium nitrite (GaN) diodes are suitable for this invention, according to those skilled in the art. More generally, an SiC MOSFET transistor, or a GaN high mobility electron transistor, otherwise called HEMT according to the English acronym, or a fast IGBT transistor with an SiC diode in parallel, according to the preceding description, characterized by a high recombination speed of minority carriers, are suitable for switches A, B, C, D, E, F. The diode in parallel with the switches, conducts spontaneously, that is to say when the electric potential of its anode becomes superior (typically +0.5 Volt), at its cathode. The control of switches A, B, C, D, E, F is used to short-circuit this diode.
  • each switch A, B, C, D, E, F comprises, according to an equivalent circuit diagram of said switch, a "perfect" switch A, B, C, D, E, F and a diode, intrinsic or added.
  • the term switch will designate the perfect switch, forming said switch with the diode, intrinsic or added, depending on the embodiments.
  • setting a switch to ON corresponds to setting the corresponding perfect switch to ON, said setting to ON of the perfect switch which can occur when the corresponding diode is already conducting, so that the switch, formed by the perfect switch and the corresponding diode, is already partly closed.
  • the assembly formed by the first portion 2 ′ of the primary circuit, coupled as indicated above to the second portion 3 of the primary circuit constitutes the primary circuit 3 ′ of the converter 1.
  • Said primary circuit thus formed receives between these input terminals E1, E2 an input voltage V in , transformed into a primary voltage V p , determined in particular by the state of the switches A, B, C and D, at the terminals of the primary coil.
  • Said primary coil is magnetically coupled to a secondary coil of secondary circuit 2 "which will now be described.
  • the terminals of said secondary coil are connected in parallel, on the one hand by a fourth bridge arm formed by a fourth pair of switches SR1, SR2, with common sources or with common anode in the case of using only two diodes.
  • a fifth bridge arm formed by a pair of inductors L1, L2 arranged in series between the terminals of the secondary coil.
  • a midpoint PLIL2 of the fifth bridge arm, located at the connection point between the two inductors L1, L2, and a midpoint P SR1SR2 of the fourth bridge arm, located at the connection point between the two switches SR1, SR2, are directly and respectively electrically connected to the output terminals S1, S2 of the converter 1.
  • a capacitor is placed between said output terminals S1, S2.
  • the function of the secondary circuit 2 "can be achieved according to at least one other embodiment, as illustrated in FIGS. 5, 6 and 7, as follows:
  • each switch A, B, C, D, E, F is configured to be controlled by a control unit not shown in FIG. 1.
  • each switch A, B, C, D, E, F is configured to receive a signal from the control unit; depending on the signal received, the switch is either on, i.e. lets current flow, in other words is closed, or the switch is blocking, i.e. does not pass current, in other words is open.
  • the switch when the switch is on, it will be described as being on ON, and when the switch is blocking, it will be described as being on OFF.
  • the converter 1 is configured to transform an input voltage V in between the input terminals E1, E2 of the primary circuit 3 ', into an output voltage V out between the output terminals S1 S2 of the secondary circuit, according to a method who go now be described, with reference to the timing diagram of FIG. 2, which represents the evolution as a function of time of the state of switches A, B, C, D, E, F of the primary circuit of converter 1, and the evolution as a function of time of the currents and voltages between the terminals of the various components of the primary and secondary circuits.
  • the switches, currents and voltages considered are represented along the vertical axis of the timing diagram of figure 2, and the different instants t 0 , t 0end , t 1 , t 2 , t 3 , t 3inj t 4 , t 5 , t 6 , t 6end , t 7 , t 8 , t 8inj t 9 , tio, of an operating cycle of the converter 1 are shown on the horizontal axis.
  • control unit is configured so that, during an operating cycle of the converter 1, the control unit of the converter 1 successively controls the carrying out of the following steps 101 to 113 of the method 100, schematically represented in FIG. 4: - 101: set the first switch A to ON, at a first instant t 0 ;
  • - 103 set the third switch C to ON, at a third instant t 3 of the cycle;
  • - 104 set the first switch A to OFF, at a fourth instant t 4 of the cycle;
  • - 105 set the second switch B to ON, at the fifth instant t 6 of the cycle;
  • - 106 set the third switch C to OFF, at a sixth instant t 7 of the cycle; - 107: set the fourth switch D to ON, at a seventh instant t 8 of the cycle;
  • - 108 set the second switch B to OFF, at an eighth instant t 9 of the cycle
  • - 109 set the sixth switch F to ON at a first injection instant t 3inj between the third instant t 3 and the fourth instant t 4 so that an injection voltage applies between the poles of the injection inductance L inj for a duration t cmd_inj , until the fourth instant t 4 of the cycle, and that at the fourth instant t 4 of the cycle an injection current l Linj circulates in the injection inductor L inj , said injection current l Linj being greater than a predetermined minimum current; - 110: set the sixth switch F to OFF at the fourth instant t 4 ; - 111: set the fifth switch E to ON at a second injection instant t 8inj between the seventh instant t 8 and the eighth instant tg so that an injection voltage applies between the poles of the inductor injection L inj during the duration t cmd_inj until the eighth instant t 9 of the cycle, and so that
  • - 112 set the fifth switch E to OFF at the eighth instant tg; - 113: repeat steps 101 to 112 of the cycle from a ninth instant t 10 .
  • the instant t 0 is thus both the end of a previous cycle, and the start of the next cycle of the operation of the converter 1.
  • the order of presentation of steps 101 to 113 of the steps does not correspond to the order according to which said steps follow each other in time.
  • the order of temporal succession of the steps is determined by the instants which define each step and according to the chronology illustrated in FIG. 2.
  • a chopping period T, or duration T of a complete cycle is also used, said duration T being a predetermined constant, and a second dead time t dead_C_D, said second dead time corresponding both to a time interval between t 2 and a time when the diode of switch C becomes conductive, and at a time interval between t 7 and a time when the diode of switch D becomes conductive, the second dead time being adjusted to guarantee switching soft of the bridge arm C, D, from the moment when the injected current I inj , flowing in L K during this phase, is sufficient to ensure smooth switching.
  • phase shift between the bridge arms A, B and C, D is defined by the relation:
  • t mort_C_D [C res -V in ] / (I Ltcom ). (N s / N p ) with the I Ltcom current defined by:
  • I Ltcom (I L1 + I L2 ) / 2 where I L1 is the current in induction L1 at time t 2 and I L2 is the current in induction L2 at time t 7
  • the instants of switching to ON of the injection switches E, F are respectively the second instant and first instant of injection t 8inj , t 3inj ; the time during which these injection switches E, F are ON must allow the injection inductance L inj to be precharged to the desired injection current level L Linj.
  • the injection current level l Linj must make it possible to compensate for the lack of inductive energy available with the leakage inductance L K.
  • the level of the critical current l LK in the leakage inductance L K is that defined for the injection activation criterion, multiplied by a margin coefficient to be adjusted if necessary to guarantee smooth switching.
  • the margin coefficient Kmarge is dimensioned so that the diode B, in parallel with the transistor B, conducts during the time interval between the instants t5 to t6, thus guaranteeing the soft switching.
  • the gate voltage of transistor B can be suitably applied at t6, i.e. transistor B closes while the voltage between the drain and the source is negative corresponding to the conduction threshold voltage of the diode B, in parallel with transistor B.
  • the voltage before the closing of the transistor is -0.5 Volt, that is to say very close to 0. It is the soft switching when a transistor B is turned ON.
  • Kmarge 1.2.
  • the level of the critical current l LK in the leakage inductance L K is defined so as to cancel the voltage at the terminals of switch B (respectively A), therefore at the terminals of the parallel capacitor placed between the terminals of switch B (respectively A), between ts and t 6 where switch B can be turned to ON favorably (respectively at the start of the cycle, between the end of a previous cycle and the start of the next cycle where switch A can be put to ON favorably).
  • Cancellation is naturally achieved when the inductive energy of the circuit is sufficient to fully transfer the capacitive energy, i.e. cancel the voltage across switch B (respectively A) and establish the voltage across switch A ( respectively B).
  • the injection inductance Linj precharged beforehand to a certain level of injection current l Linj during the so-called freewheeling phase which precedes the fourth instant t4 (respectively, the eighth instant t9).
  • the inductive energy stored in the injection inductor L inj is added to the inductive energy of the leakage inductor L K on opening, ie at the switch A (respectively switch B) to OFF to discharge the parallel capacitor of switch B (respectively the parallel capacitor of switch A) and charge the parallel capacitor of switch A (respectively the parallel capacitor of switch B).
  • the condition for activating the current injection results from the comparison between inductive energy and capacitive energy, defined below.
  • the parallel capacitors installed in parallel with the switches A, B, C and D each have a capacitance C res of much greater value than the parasitic capacitances of the components. We can therefore neglect the capacitive energies of the components.
  • the capacitive energy to be considered is thus defined by the formula:
  • the value of the inductance of the leakage inductance L k of converter 1 deliberately high to reduce the overvoltages linked to the recovery currents of the rectifier diodes SR1, SR2 of the secondary stage, makes the contribution negligible. from the energy of the magnetizing inductance of converter 1 to the inductive energy of the circuit.
  • the current in the leakage inductance L k of converter 1, at time t4 (respectively t9) is between the image of the maximum current and the image of the average current in L1 (respectively L2, L1 and L2 being identical ).
  • L1 the image of the average current in L1 (respectively L2, L1 and L2 being identical ).
  • the inductive energy to be considered is defined by the formula:
  • L K , Ns, Np and Cres are fixed and known quantities of the circuit, Vin is measured and does not depend on the output power. Only read, measured by the control unit of converter 1, depends on the output power.
  • the preparation for the injection of the current begins with the setting on ON of the switch E at a first instant of injection t 8inj as illustrated on the diagram of the corresponding equivalent circuit shown in figure 3.5, the objective being to preload the injection inductor L inj with an injection current l Linj of the same sign as the current l LK seen from the midpoint PAB of the bridge arm A, B, both positive currents according to the sign conventions adopted.
  • the time period between an instant t 10 and the instant t 0 end constitutes a phase of return to the rest state, said instant t 0 end being the moment when the current s' cancels in injection induction.
  • the freewheeling diode of switch F and switch A being both on, the voltage across the injection inductor L inj is V in , which increases its current linearly up to its cancellation, leading to blocking of the freewheeling diode of switch F.
  • the converter 1 implemented for example on a 10kW, 700Vin / 110VDCout battery charger operated with a power range of between 100% and 0.4% of its nominal power.
  • the arrangements described above thus make it possible to operate at a very low load. without causing thermal and electrical stresses on the power semiconductors A and B.
  • the peak currents of IL1 and IL2 were sized by the value of L1 and L2, so that the energies 1 ⁇ 2.L1. [IL1. (Ns / Np)] 2 and 1 ⁇ 2.L2. [IL2. (Ns / Np)] 2 respectively in t2 and t7 are much greater than Vin 2 .Cres.
  • [L LK ] 2 in t2 and in t7 is much less than 1 ⁇ 2.L1.
  • a fourth bridge arm can then be added with a second Linj inductor in PCD, to ensure the smooth switching of switches C and D.
  • the current injection technique can also be used in Dual Active Bridge (DAB) applications to ensure smooth switching of low load power switches according to the same sequencing described in figure 2.
  • DAB Dual Active Bridge

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Abstract

Procédé (100) de conversion d'une tension d'entrée (Vin) d'un convertisseur (1) en une tension de sortie (Vout) le circuit comprenant un premier bras de pont formé deux interrupteurs (A) et (B), un deuxième bras de pont formé par deux interrupteurs (C) et (D), connectés en parallèle, une bobine primaire couplée à une bobine secondaire, et connectée par un pôle au point milieu (PAB) du premier bras de pont, et par un autre pôle au point milieu (PCD) du deuxième bras de pont; le circuit comprenant en outre un condensateur en parallèle entre les bornes respectives de chacun des interrupteurs (A, B, C, D); un troisième bras de pont formé par deux interrupteurs (E) et (F), connectés en série; chacun des interrupteurs (A, B, C, D, E, F) étant associé à une diode aux bornes dudit interrupteur; une inductance d'injection (Linj) connectée au point milieu (PAB) du premier bras de pont, et au point milieu (PEF) du troisième bras de pont; une unité de contrôle-commande configurée pour commander les interrupteurs sur ON ou sur OFF, selon un cycle de commande configuré pour assurer une commutation douce sur ON et sur OFF.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Procédé et dispositif de conversion d'une tension avec commutation douce des interrupteurs.
La présente invention concerne le domaine des convertisseurs continu-continu, et en particulier des convertisseurs qui comportent un transformateur assurant l'isolation galvanique. Les convertisseurs continu -continu connus sont basés sur l'utilisation de cellules de commutation en pont complet, couplées avec un transformateur. Une cellule de commutation comprend habituellement un interrupteur et un condensateur. Les cellules de commutation sont configurées pour une commutation douce, i.e. avec une tension nulle aux bornes de l'interrupteur lors de la fermeture et de l'ouverture dudit interrupteur, autrement dit respectivement à la mise sur ON et à la mise sur OFF dudit interrupteur. Néanmoins, avec les convertisseurs de l'état de l'art, la commutation douce n'est effective que lors de la fermeture, autrement dit lors de la mise sur ON, de l'interrupteur, et n'est pas effective lors de l'ouverture, autrement dit lors de la mise sur OFF, de l'interrupteur. En outre, la plage de fonctionnement des convertisseurs continu-continu connus est limitée à des courants de sortie et des puissances transférées qui doivent être supérieures à un niveau minimum; ainsi, lorsqu'un convertisseur de l'état de l'art est couplé à une charge faible, qui nécessite une puissance et un courant de fonctionnement inférieures à ces niveaux minima, la commutation douce n'est plus possible. De ce fait, la décharge du condensateur de la cellule de commutation dans l'interrupteur dégrade l'interrupteur et altère la fiabilité du convertisseur ; de plus, la raideur des fronts de tension n'est pas aussi réduite qu'elle pourrait l'être, ce qui induit des perturbations électromagnétiques émises par le convertisseur ; enfin, des surtensions potentiellement destructrices apparaissent aux bornes des transistors de puissance des cellules de commutation. L'invention a donc pour but de proposer une solution à tout ou partie de ces problèmes.
A cet effet, la présente invention concerne un procédé de conversion d'une tension d'entrée entre deux bornes d'entrée d'un circuit primaire d'un convertisseur en une tension de sortie entre deux bornes de sortie d'un circuit secondaire du convertisseur, le circuit primaire comprenant:
- un premier bras de pont formé par un premier interrupteur et un deuxième interrupteur, le premier et le deuxième interrupteur étant connectés en série entre les bornes d'entrée du circuit primaire, un premier point milieu du premier bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le premier interrupteur et le deuxième interrupteur ;
- un deuxième bras de pont formé par un troisième interrupteur et un quatrième interrupteur, le troisième et le quatrième interrupteur étant connectés en série entre les bornes d'entrée du circuit primaire, un deuxième point milieu du deuxième bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le troisième interrupteur et le quatrième interrupteur, le deuxième bras de pont étant connecté en parallèle du premier bras de pont entre les bornes d'entrée du circuit primaire; - une bobine primaire du circuit primaire, la bobine primaire comprenant une inductance de fuite, la bobine primaire étant couplée par induction mutuelle à une bobine secondaire du circuit secondaire, la bobine primaire étant connectée par un pôle au point milieu du premier bras de pont, et par un autre pôle au point milieu du deuxième bras de pont; le circuit primaire comprenant en outre :
- un condensateur disposé en parallèle entre les bornes respectives de chacun des premier, deuxième, troisième, et quatrième interrupteurs;
- un troisième bras de pont formé par un cinquième interrupteur et un sixième interrupteur, le cinquième et le sixième interrupteur étant connectés en série entre les bornes d'entrée du circuit primaire, un troisième point milieu du troisième bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le cinquième interrupteur et le sixième interrupteur, le troisième bras de pont étant connecté en parallèle des premier et deuxième bras de pont entre les bornes d'entrée du circuit primaire ;
- chacun des premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième interrupteurs étant associé à une diode connectée aux bornes dudit premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième interrupteur;
- une inductance d'injection connectée par un pôle au point milieu du premier bras de pont, et par un autre pôle au point milieu du troisième bras de pont ;
- une unité de contrôle-commande configurée pour commander un état des interrupteurs, chaque interrupteur étant configuré pour être alternativement sur
ON ou sur OFF, l'unité de contrôle-commande étant configurée pour mettre en œuvre un cycle de commande des interrupteurs comprenant les étapes suivantes :
- mettre sur ON le premier interrupteur, à un premier instant; - mettre sur OFF le quatrième interrupteur, à un deuxième instant du cycle;
- mettre sur ON le troisième interrupteur, à un troisième instant du cycle;
- mettre sur OFF le premier interrupteur, à un quatrième instant du cycle;
- mettre sur ON le deuxième interrupteur, à cinquième instant du cycle;
- mettre sur OFF le troisième interrupteur, à un sixième instant du cycle; - mettre sur ON le quatrième interrupteur, à un septième instant du cycle;
- mettre sur OFF le deuxième interrupteur, à un huitième instant du cycle; le cycle comprenant en outre les étapes suivantes:
- mettre sur ON le sixième interrupteur à un premier instant d'injection compris entre le troisième instant et le quatrième instant de sorte qu'une tension d'injection s'applique entre les pôles de l'inductance d'injection pendant une durée d'injection, jusqu'au quatrième instant du cycle, et qu'au quatrième instant du cycle un courant d'injection circule dans l'inductance d'injection, ledit courant d'injection étant supérieur à un courant minimum prédéterminé;
- mettre sur OFF le sixième interrupteur au quatrième instant; - mettre sur ON le cinquième interrupteur à un deuxième instant d'injection compris entre le septième instant et le huitième instant de sorte qu'une tension d'injection s'applique entre les pôles de l'inductance d'injection pendant la durée d'injection, jusqu'au huitième instant du cycle, et de sorte qu'au huitième instant du cycle un courant d'injection circule dans l'inductance d'injection, ledit courant d'injection étant supérieur à un courant d'injection minimum prédéterminé ;
- mettre sur OFF le cinquième interrupteur au huitième instant;
- répéter les étapes du cycle à partir d'un neuvième instant.
Selon un mode de mise en œuvre, l'invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison techniquement acceptable.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier instant est déterminé en fonction d'un moment où la diode associée au premier interrupteur est en conduction, de sorte qu'une tension aux bornes du premier interrupteur soit nulle. Selon ces dispositions, le condensateur disposé en parallèle entre les bornes respectives de chacun des premier, deuxième, troisième, et quatrième interrupteurs permet une commutation douce à la mise sur OFF des interrupteurs et à la mise ON des interrupteurs du premier bras de pont. Ces commutations douces systématiques permettent de diminuer la raideur des fronts de tension, ce qui a deux conséquences avantageuses: la diminution des perturbations électromagnétiques émises par le convertisseur, et la diminution voire la suppression des surtensions potentiellement destructrices aux bornes des transistors de puissance.
L'inductance d'injection permet une commutation douce des interrupteurs sur toute la plage de fonctionnement, en étendant notamment la plage de fonctionnement aux puissances de fonctionnement les plus faibles. Selon un mode de mise en œuvre, la durée d'injection tcmdjnj est déterminée par la relation : [Math 1] tcmd_inj =t4-t3inj =t8-t8inj dans laquelle t4 est le quatrième instant, t3inj est le premier instant d'injection, t8 est le neuvième instant, et t8inj le deuxième instant d'injection.
Selon un mode de mise en œuvre, la durée d'injection est déterminée en fonction du courant d'injection minimum prédéterminé.
Selon un mode de mise en œuvre, la durée d'injection est déterminée par la relation :
[Math 2] dans laquelle lLinj représente le courant d'injection minimum prédéterminé, et Linj représente une valeur de l'inductance de l'inductance d'injection, et Vin représente une valeur de la tension d'entrée du convertisseur.
Selon un mode de mise en œuvre, le courant d'injection minimum prédéterminé est déterminé en fonction d'un niveau de courant disponible lLKdispo dans la bobine primaire du circuit primaire et un niveau de courant critique lLK.min dans la bobine primaire du circuit primaire.
Selon un mode de mise en œuvre, le courant d'injection minimum prédéterminé est égal à lLK.min-lLKdispo.
Selon un mode de mise en œuvre, le niveau de courant disponible lLKdispo est fonction d'un rapport entre un nombre de spires Np de la bobine primaire et un nombre de spires Ns de la bobine secondaire et d'une valeur moyenne d'un courant lL1.moy dans une inductance L1, L2 du circuit secondaire.
Selon un mode de mise en œuvre, le niveau de courant disponiblelLKdispo est déterminé par la relation : [Math 3]
Selon un mode de mise en œuvre, le niveau de courant critique lLK.min dans la bobine primaire du circuit primaire est fonction d'une capacité Cres du condensateur disposé en parallèle entre les bornes respectives de chacun des premier, deuxième, troisième, et quatrième interrupteurs et de l'inductance de fuite Lk de la bobine primaire du circuit primaire et de la tension d'entrée Vin entre les bornes d'entrée du circuit primaire du convertisseur.
Selon un mode de mise en œuvre, le niveau de courant critique lLK.min dans la bobine primaire du circuit primaire est déterminé par la relation :
[Math 3] dans laquelle Kmarge est un coefficient de marge à ajuster de manière à ce que la diode de roue libre de l'un des interrupteurs du premier bras de pont conduise suffisamment longtemps pour que la tension de grille du transistor dudit interrupteur puisse être appliquée pour garantir une commutation douce à la mise ON du deuxième interrupteur B, entre un instant ts, défini en fonction du quatrième instant t4, et le cinquième instant t6, et pour garantir une commutation douce à la mise ON du premier interrupteur A entre un instant t10 défini en fonction du huitième instant t9 et le premier instant t0 ;
Selon un mode de mise en œuvre, le coefficient Kmarge est égal à 1.2.
Selon un mode de mise en œuvre :
- le deuxième instant du cycle est décalé du premier instant d'un premier décalage temporel, fonction d'un déphasage entre les premier et deuxième bras de ponts, et d'une durée d'un cycle complet;
- le troisième instant du cycle est décalé du premier instant d'un deuxième décalage temporel fonction du premier décalage temporel et d'un premier temps mort;
- le quatrième instant du cycle est décalé du premier instant d'un troisième décalage temporel fonction de la durée d'un demi-cycle et d'un deuxième temps mort;
- le cinquième instant du cycle est décalé du premier instant d'un quatrième décalage temporel fonction de la durée d'un demi-cycle complet;
- le sixième instant du cycle est décalé du premier instant d'un cinquième décalage temporel fonction du déphasage et de la durée d'un demi-cycle complet;
- le septième instant du cycle est décalé du premier instant d'un sixième décalage temporel fonction du déphasage et de la durée d'un demi-cycle complet et du premier temps mort;
- le huitième instant du cycle est décalé du premier instant d'un septième décalage temporel fonction de la durée d'un cycle complet et du deuxième temps mort.
Selon un mode de mise en œuvre, le déphasage Ph entre les premier et deuxième bras de ponts est déterminé en fonction du rapport entre le nombre de spires Np de la bobine primaire et le nombre de spires Ns de la bobine secondaire et du rapport entre la tension de sortie Vout entre les bornes de sortie du circuit secondaire et la tension d'entrée Vin. entre les bornes d'entrée du circuit primaire. Selon un mode de mise en œuvre, le déphasage est défini par la relation : [Math 4]
Selon un mode de mise en œuvre, la durée T d'un cycle complet est une constante prédéterminée.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit premier temps-mort correspondant à la fois à un intervalle de temps compris entre le deuxième instant t2 et un moment où la diode de l'interrupteur C devient conductrice, et à un intervalle de temps compris entre le sixième instant t7 et un moment où la diode de l'interrupteur D devient conductrice. Selon un mode de mise en œuvre, le premier temps mort tmort_C_D est ajusté pour garantir une commutation douce des interrupteurs du deuxième bras de pont, à partir du moment où le courant d'injection a atteint le courant d'injection minimum prédéterminé. Selon un mode de mise en œuvre, ledit deuxième temps mort correspond à l'intervalle de temps compris entre les instants t4 et t5, et également à l'intervalle de temps compris entre t9 ett-io.
Selon un mode de mise en œuvre, le deuxième temps mort tmort_A_B est déterminé en fonction de la capacité Cres du condensateur disposé en parallèle entre les bornes respectives de chacun des premier, deuxième, troisième, et quatrième interrupteurs et de l'inductance de fuite Lk de la bobine primaire du circuit primaire. Selon un mode de mise en œuvre, le deuxième temps mort tmort_A_B est déterminé par la relation :
[Math 5] Selon un mode de mise en œuvre, le premier temps mort tmort_A_B est déterminé par la relation :
[Math 6] tmort_C_D =[ Cres-Vin]/ (ILtcom) .(Ns/Np) où le courant ILtcom est déterminé par la relation : [Math 7] ILtcom =(lL1+lL2)/2 où lL1 est le courant dans l'induction L1 à l'instant t2 et lL2 est le courant dans l'induction L2 à l'instant t7
Selon un mode de mise en œuvre, le premier décalage temporel entre t0 et t2 est déterminé par la relation :
[Math 8] t2 = Ph . T
Selon un mode de mise en œuvre, le deuxième décalage temporel entre t0 et t3 est déterminé par la relation :
[Math 9] t3 ≥ Ph . T + tmort_C_D
Selon un mode de mise en œuvre, le troisième décalage temporel entre t0 et t4 est déterminé par la relation : [Math 10]
Selon un mode de mise en œuvre, le quatrième décalage temporel entre t0 et t6 est déterminé par la relation :
[Math 11]
Selon un mode de mise en œuvre, le cinquième décalage temporel entre t0 et t7 est déterminé par la relation : [Math 12]
Selon un mode de mise en œuvre, le sixième décalage temporel entre t0 et t8 est déterminé par la relation :
[Math 13]
Selon un mode de mise en œuvre, le septième décalage temporel entre t0 et t9 est déterminé par la relation :
[Math 14] t9 ≤ T- tmort_A_B
L'invention concerne également un convertisseur comprenant un circuit primaire et un circuit secondaire, le convertisseur étant configuré pour convertir une tension d'entrée entre deux bornes d'entrée du circuit primaire en une tension de sortie entre les bornes de sortie du circuit secondaire, le circuit primaire comprenant :
- un premier bras de pont formé par un premier interrupteur et un deuxième interrupteur, le premier et le deuxième interrupteur étant connectés en série entre les bornes d'entrée du circuit primaire, un premier point milieu du premier bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le premier interrupteur et le deuxième interrupteur;
- un deuxième bras de pont formé par un troisième interrupteur et un quatrième interrupteur, le troisième et le quatrième interrupteur étant connectés en série entre les bornes d'entrée du circuit primaire, un deuxième point milieu du deuxième bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le troisième interrupteur et le quatrième interrupteur, le deuxième bras de pont étant connecté en parallèle du premier bras de pont entre les bornes d'entrée du circuit primaire; - une bobine primaire du circuit primaire, la bobine primaire comprenant une inductance de fuite, la bobine primaire étant couplée par induction mutuelle à une bobine secondaire du circuit secondaire, la bobine primaire étant connectée par un pôle au point milieu du premier bras de pont, et par un autre pôle au point milieu du deuxième bras de pont; le circuit primaire comprenant en outre :
- un condensateur disposé en parallèle entre les bornes respectives de chacun des premier, deuxième, troisième, et quatrième interrupteurs;
- un troisième bras de pont formé par un cinquième interrupteur et un sixième interrupteur, le cinquième et le sixième interrupteur étant connectés en série entre les bornes d'entrée du circuit primaire, un troisième point milieu du troisième bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le cinquième interrupteur et le sixième interrupteur, le troisième bras de pont étant connecté en parallèle des premier et deuxième bras de pont entre les bornes d'entrée du circuit primaire ;
- chacun des premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième interrupteurs étant associé à une diode connectée aux bornes dudit premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième interrupteur;
- une inductance d'injection connectée par un pôle au point milieu du premier bras de pont, et par un autre pôle au point milieu du troisième bras de pont;
- une unité de contrôle-commande configurée pour commander un état des interrupteurs, chaque interrupteur étant configuré pour être alternativement sur ON ou sur OFF, l'unité de contrôle-commande étant configurée pour mettre en œuvre un cycle de commande des interrupteurs comprenant les étapes d'un procédé selon l'un des modes de mise en œuvre décrits ci-avant.
Selon un mode de réalisation, l'invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison techniquement acceptable. Selon un mode de réalisation, le circuit secondaire comprend :
- un quatrième bras de pont formé par un septième interrupteur et un huitième interrupteur, le septième et le huitième interrupteur étant connectés en série entre les bornes de la bobine secondaire du circuit secondaire, un quatrième point milieu du quatrième bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le septième interrupteur et le huitième interrupteur; - un cinquième bras de pont formé par une première inductance et une deuxième inductance, la première et la deuxième inductance étant connectées en série entre les bornes de la bobine secondaire du circuit secondaire, un cinquième point milieu du cinquième bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre la première inductance et la deuxième inductance, le cinquième bras de pont étant connecté en parallèle du quatrième bras de pont entre les bornes de la bobine secondaire ; le quatrième point milieu étant raccordé à une borne de sortie du circuit secondaire, et le cinquième point milieu étant raccordé à l'autre borne de sortie du circuit secondaire.
Selon un mode de réalisation, le circuit secondaire comprend en outre un condensateur disposé entre les bornes de sortie du circuit secondaire.
Pour sa bonne compréhension, un mode de réalisation et/ou de mise en oeuvre de l'invention est décrit en référence aux dessins ci-annexés représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation ou de mise en œuvre respectivement d'un dispositif et/ou d'un procédé selon l'invention. Les mêmes références sur les dessins désignent des éléments similaires ou des éléments dont les fonctions sont similaires. [Fig. 1] est une représentation schématique d'un circuit électrique selon un mode de réalisation de l'invention.
[Fig. 2] est un chronogramme représentant l'évolution de l'état des composants du circuit représenté sur la figure 1, et l'évolution des courants et tensions entre différents points du circuit. [Fig. 3.1] est une représentation schématique d'une partie du circuit électrique de la figure 1, active pendant une portion du cycle de fonctionnement du circuit, ladite portion du cycle étant comprise entre les temps t3 et t3inj de l'axe temporel du chronogramme de la figure 2.
[Fig. 3.2] est une représentation schématique d'une partie du circuit électrique de la figure 1, active pendant une portion du cycle de fonctionnement du circuit, ladite portion du cycle étant comprise entre les temps t3inj et t4 de l'axe temporel du chronogramme de la figure 2.
[Fig. 3.3] est une représentation schématique d'une partie du circuit électrique de la figure 2, active pendant une portion du cycle de fonctionnement du circuit, ladite portion du cycle étant comprise entre les temps t4 et t5 de l'axe temporel du chronogramme de la figure 2.
[Fig. 3.4] est une représentation schématique d'une partie du circuit électrique de la figure 1, active pendant une portion du cycle de fonctionnement du circuit, ladite portion du cycle étant comprise entre les temps t8 et t8inj de l'axe temporel du chronogramme de la figure 2. [Fig. 3.5] est une représentation schématique d'une partie du circuit électrique de la figure 1, active pendant une portion du cycle de fonctionnement du circuit, ladite portion du cycle étant comprise entre les temps t8inj et t9 de l'axe temporel du chronogramme de la figure 2.
[Fig. 3.6] est une représentation schématique d'une partie du circuit électrique de la figure 2, active pendant une portion du cycle de fonctionnement du circuit, ladite portion du cycle étant comprise entre les temps t9 et t10 de l'axe temporel du chronogramme de la figure 2.
[Fig. 4] est une représentation schématique des étapes du procédé selon l'invention. [Fig. 5] est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation du circuit secondaire selon l'invention.
[Fig. 6] présente un troisième mode de réalisation du circuit secondaire selon l'invention, avec en figure 6a une première représentation schématique dudit troisième mode de réalisation, et en figure 6b une deuxième représentation schématique équivalente dudit troisième mode de réalisation. [Fig. 7] est une représentation schématique d'un quatrième mode de réalisation du circuit secondaire selon l'invention.
La figure 1 est un schéma électrique équivalent d'un convertisseur 1 selon un mode de réalisation de l'invention. Le schéma de la figure 1 présente deux parties 2, 3.
La première partie 2 comprend une première portion 2' de circuit primaire et un circuit secondaire 2".
La première portion de circuit primaire 2', comprend deux bornes d'entrées E1, E2 configurées pour recevoir une tension d'entrée Vin. Elle comprend également une première paire d'interrupteurs A, B connectés en série, autrement dit en bras de pont entre les deux bornes d'entrées E1, E2, ainsi qu'une deuxième paire d'interrupteurs C, D connectés en série, autrement dit en bras de pont entre les deux bornes d'entrées E1, E2. La première paire d'interrupteurs A, B, et la deuxième paire d'interrupteurs C, D forment ainsi deux bras de ponts, tous deux connectés en parallèle entre les deux bornes d'entrées E1, E2.
Chaque bras de pont comprend un point milieu PAB, PCD en un point de raccordement situé entre les deux interrupteurs dudit bras de pont.
Les points milieu PAB, PCD de chaque bras de pont sont reliés par une bobine primaire couplée à une bobine secondaire du circuit secondaire 2". Ladite bobine primaire est caractérisée par une inductance de fuite Lk; elle reçoit entre ses bornes, raccordées aux points milieu PAB, PCD, une tension primaire Vp déterminée notamment par l'état ouvert ou fermé des interrupteurs A, B, C et D.
Aux bornes de chacun des interrupteurs A, B, C, D, un condensateur parallèle est disposé de manière à relier les bornes respectives de chacun desdits interrupteurs A, B, C, D. La capacité dudit condensateur parallèle est supérieure à la capacité intrinsèque, liée à la composition des transistors, de chaque interrupteur A, B, C,
D.
La deuxième partie 3 du schéma décrit la deuxième portion 3 de circuit primaire, complémentaire de la première portion 2'de circuit primaire, de sorte que, selon le mode de réalisation de l'invention décrit ici, le circuit primaire comprend la deuxième portion 3 qui va maintenant être décrite, couplée à la première portion 2' décrite ci -avant.
Ladite deuxième portion 3 du circuit primaire comprend une paire d'interrupteurs d'injection E, F en série, autrement dit en bras de pont, entre les deux bornes d'entrées E1, E2. La paire d'interrupteurs d'injection E, F forme ainsi un troisième bras de pont, connecté en parallèle entre les deux bornes d'entrées E1, E2. Ledit troisième bras de pont comprend un point milieu PEF en un point de raccordement situé entre les deux interrupteurs d'injection E, F dudit troisième bras de pont. Ce point milieu PEF et le point de milieu PAB d'un des deux bras de ponts précédemment décrit, sont connectés électriquement par un circuit d'injection caractérisé par son inductance d'injection Linj.
Par ailleurs, une diode inhérente à la construction de l'interrupteur, est présente en parallèle avec les interrupteurs A, B, C, D, E, F, dans lesquels, la cathode de la diode est connectée électriquement au drain, ou au collecteur de l'interrupteur et l'anode de la diode est connectée électriquement à la source, ou à l'émetteur de l'interrupteur. Cette diode est intrinsèque aux transistors à effet de champs à grille métal -oxyde, autrement appelés MOSFET selon l'acronyme anglo-saxon ; une diode est rajoutée dans le cas d'utilisation de transistors bipolaire à grille isolée, autrement appelés IGBT selon l'acronyme anglo-saxon. Pour garantir une efficacité maximale, selon l'invention, les charges de recombinaison de la diode doivent être négligeables devant les charges correspondantes aux capacités dudit condensateur parallèle.
Les diodes en carbure de silicium (SiC) ou en nitrite de galium (GaN) sont appropriées pour cette invention, selon l'homme de l'art. Plus généralement, un transistor MOSFET SiC, ou un transistor GaN à électron à haute mobilité, autrement appelés HEMT selon l'acronyme anglo-saxon, ou un transistor IGBT rapide avec une diode SiC en parallèle, selon la description précédente, se caractérisant par une grande vitesse de recombinaison des porteurs minoritaires, sont adaptés pour les interrupteurs A, B, C, D, E, F. La diode en parallèle des interrupteurs, conduit spontanément, c'est-à-dire lorsque le potentiel électrique de son anode devient supérieur (typiquement de +0,5 Volt), à sa cathode. La commande des interrupteurs A, B, C, D, E, F est utilisée pour court-circuiter cette diode.
Ainsi, l'homme du métier comprendra que chaque interrupteur A, B, C, D, E, F comprend, selon un schéma électrique équivalent dudit interrupteur, un interrupteur « parfait » A, B, C, D, E, F et une diode, intrinsèque ou ajoutée. Dans la suite du texte, le terme interrupteur désignera l'interrupteur parfait, formant ledit interrupteur avec la diode, intrinsèque ou ajoutée, selon les modes de réalisation. En particulier, l'homme du métier comprend que la mise sur ON d'un interrupteur correspond à la mise sur ON de l'interrupteur parfait correspondant ladite mise sur ON de l'interrupteur parfait pouvant intervenir alors que la diode correspondante est déjà conductrice, de sorte que l'interrupteur, formé par l'interrupteur parfait et la diode correspondante, est déjà en partie fermé. L'ensemble formé par la première portion 2' de circuit primaire, couplée comme indiquée ci-avant à la deuxième portion 3 de circuit primaire, constitue le circuit primaire 3' du convertisseur 1.
Ledit circuit primaire ainsi constitué reçoit entre ces bornes d'entrées E1, E2 une tension d'entrée Vin, transformée en une tension primaire Vp, déterminée notamment par l'état des interrupteurs A, B, C et D, aux bornes de la bobine primaire. Ladite bobine primaire est couplée magnétiquement à une bobine secondaire du circuit secondaire 2" qui va maintenant être décrit.
Les bornes de ladite bobine secondaire sont reliées en parallèle, d'une part par un quatrième bras de pont formé par une quatrième paire d'interrupteurs SR1, SR2, à sources commune ou à anode commune dans le cas d'utilisation de deux diodes uniquement, disposés en série entre les bornes de la bobine secondaire, d'autre part par un cinquième bras de pont, formé par une paire d'inductances L1, L2 disposées en série entre les bornes de la bobine secondaire. Un point milieu PLIL2 du cinquième bras de pont, situé au point de raccordement entre les deux inductances L1, L2, et un point milieu PSR1SR2 du quatrième bras de pont, situé au point de raccordement entre les deux interrupteurs SR1, SR2, sont directement et respectivement reliées électriquement aux bornes de sortie S1, S2 du convertisseur 1. Un condensateur est placé entre lesdites bornes de sortie S1, S2. La fonction du circuit secondaire 2", peut être réalisée selon au moins un autre mode de réalisation, tel qu'illustré sur les figures 5, 6 et 7, comme suit :
- deux enroulements secondaires du transformateur connectés en série et couplé avec l'enroulement primaire, de deux diodes et de deux transistors MOSFET et d'une inductance L1, selon le circuit équivalent 2" représenté sur la figure 5 ;
- un enroulement secondaire du transformateur couplé avec l'enroulement primaire, de deux diodes et de deux transistors MOSFET, selon l'un des circuits équivalents 2" représentés sur la figure 6a ou sur la figure 6b ;
- un enroulement secondaire du transformateur couplé avec l'enroulement primaire, quatre diodes et quatre MOSFETs et une inductance, selon le circuit équivalent 2" représenté sur la figure 7.
Ces différentes configurations électriques concernant la réalisation du circuit secondaire 2" ne changent pas les séquences de fonctionnement du circuit de puissance primaire 2' et 3' selon les séquencements temporels de la figure 2.
Les interrupteurs A, B, C, D, E, F sont configurés pour être contrôlés par une unité de contrôle non représentée sur la figure 1. Selon un mode de réalisation, chaque interrupteur A, B, C, D, E, F est configuré pour recevoir un signal de l'unité de contrôle ; en fonction du signal reçu, l'interrupteur est soit passant, i.e. laisse passer le courant, autrement dit est fermé, ou bien l'interrupteur est bloquant, i.e. ne laisse pas passer le courant, autrement dit est ouvert. Dans la suite de cette description, pour simplifier, lorsque l'interrupteur est passant, il sera décrit comme étant sur ON, et lorsque l'interrupteur est bloquant, il sera décrit comme étant sur OFF.
Le convertisseur 1 est configuré pour transformer une tension d'entrée Vin entre les bornes d'entrée E1, E2 du circuit primaire 3', en une tension de sortie Vout entre les bornes de sortie S1 S2 du circuit secondaire, selon un procédé qui va maintenant être décrit, en référence au chronogramme de la figure 2, qui représente l'évolution en fonction du temps de l'état des interrupteurs A, B, C, D, E, F du circuit primaire du convertisseur 1, et l'évolution en fonction du temps des courants et tensions entre les bornes des différents composants des circuits primaires et secondaires.
Les interrupteurs, courants et tensions considérés sont représentés le long de l'axe vertical du chronogramme de la figure 2, et les différents instants t0, t0end, t1, t2, t3, t3inj t4, t5, t6, t6end, t7, t8, t8inj t9, tio, d'un cycle de fonctionnement du convertisseur 1 sont représentés sur l'axe horizontal.
Selon un mode de réalisation du procédé, l'unité de contrôle est configurée pour que, au cours d'un cycle de fonctionnement du convertisseur 1, l'unité de contrôle du convertisseur 1 commande successivement la réalisation des étapes suivantes 101 à 113 du procédé 100, schématiquement représenté sur la figure 4: - 101 : mettre sur ON le premier interrupteur A, à un premier instant t0;
- 102 : mettre sur OFF le quatrième interrupteur D, à un deuxième instant t2 du cycle;
- 103 : mettre sur ON le troisième interrupteur C, à un troisième instant t3 du cycle; - 104 : mettre sur OFF le premier interrupteur A, à un quatrième instant t4 du cycle; - 105 : mettre sur ON le deuxième interrupteur B, à cinquième instant t6 du cycle;
- 106 : mettre sur OFF le troisième interrupteur C, à un sixième instant t7 du cycle; - 107 : mettre sur ON le quatrième interrupteur D, à un septième instant t8 du cycle;
- 108 : mettre sur OFF le deuxième interrupteur B, à un huitième instant t9 du cycle; - 109 : mettre sur ON le sixième interrupteur F à un premier instant d'injection t3inj compris entre le troisième instant t3 et le quatrième instant t4 de sorte qu'une tension d'injection s'applique entre les pôles de l'inductance d'injection Linj pendant une durée tcmd_inj, jusqu'au quatrième instant t4 du cycle, et qu'au quatrième instant t4 du cycle un courant d'injection lLinj circule dans l'inductance d'injection Linj, ledit courant d'injection lLinj étant supérieur à un courant minimum prédéterminé ; - 110 : mettre sur OFF le sixième interrupteur F au quatrième instant t4 ; - 111 : mettre sur ON le cinquième interrupteur E à un deuxième instant d'injection t8inj compris entre le septième instant t8 et le huitième instant tg de sorte qu'une tension d'injection s'applique entre les pôles de l'inductance d'injection Linj pendant la durée tcmd_inj jusqu'au huitième instant t9 du cycle, et de sorte qu'au huitième instant tg du cycle un courant d'injection lLinj circule dans l'inductance d'injection Linj ledit courant d'injection lLinj étant supérieur à un courant d'injection minimum prédéterminé ;
- 112 : mettre sur OFF le cinquième interrupteur E au huitième instant tg; - 113 : répéter les étapes 101 à 112 du cycle à partir d'un neuvième instant t10.
L'instant t0 est ainsi à la fois la fin d'un cycle précédent, et le début du cycle suivant du fonctionnement du convertisseur 1. L'ordre de présentation des étapes 101 à 113 des étapes ne correspond pas à l'ordre selon lequel lesdites étapes se succèdent dans le temps. L'ordre de succession temporel des étapes est déterminé par les instants qui définissent chaque étape et selon la chronologie illustrée sur la figure 2.
Pour définir les instants t0, t2, t3, t4, t6, t7, t8, on utilise un déphasage Ph entre les bras de ponts A, B et C,D, et un premier temps mort tmort_A_B, ledit premier temps mort correspondant à l'intervalle de temps compris entre les instants t4 et ts, et également à l'intervalle de temps compris entre tg et t10, ledit déphasage et ledit premier temps mort étant calculés par les relations ci-dessous ; on utilise également une période de découpage T, ou durée T d'un cycle complet, ladite durée T étant une constante prédéterminée, et un deuxième temps mort tmort_C_D, ledit deuxième temps-mort correspondant à la fois à un intervalle de temps compris entre t2 et un moment où la diode de l'interrupteur C devient conductrice, et à un intervalle de temps compris entre t7 et un moment où la diode de l'interrupteur D devient conductrice, le deuxième temps mort étant ajusté pour garantir les commutations douces du bras de pont C,D, à partir du moment où le courant injecté Iinj, circulant dans LK lors de cette phase, est suffisant pour assurer une commutation douce.
Le déphasage entre les bras de ponts A, B et C, D est défini par la relation :
[Math 15]
Et le premier temps mort, par la relation : [Math 16] Et le deuxième temps mort, par la relation :
[Math 17] tmort_C_D =[Cres-V in]/ (ILtcom) .(Ns/Np) avec le courant ILtcom défini par :
[Math 18] ILtcom =(IL1 + IL2)/2 où IL1 est le courant dans l'induction L1 à l'instant t2 et IL2 est le courant dans l'induction L2 à l'instant t7
On peut alors déterminer les instants de commande par les relations ci-dessous : [Math 19] t0 = 0 [Math 20] t2 = Ph . T [Math 21] t3 ≥ Ph · T + tmort_C_D
[Math 22] [Math 23]
[Math 24] [Math 25] [Math 26] t9 ≤ T - tmort_A_B Les interrupteurs d'injection sont E et F.
Les instants de commutation sur ON des interrupteurs d'injection E, F sont respectivement les deuxième instant et premier instant d'injection t8inj, t3inj ; la durée pendant laquelle ces interrupteurs d'injection E, F sont sur ON doit permettre la précharge de l'inductance d'injection Linj au niveau de courant d'injection lLinj souhaité.
Le niveau de courant d'injection lLinj doit permettre de compenser le manque d'énergie inductive disponible avec l'inductance de fuite LK.
Le niveau du courant critique lLK dans l'inductance de fuite LK est celui défini pour le critère d'activation de l'injection, multiplié par un coefficient de marge à ajuster si nécessaire pour garantir la commutation douce. Le coefficient de marge Kmarge est dimensionné pour que la diode B, en parallèle du transistor B, conduise pendant l'intervalle de temps entre les instants t5 à t6, garantissant ainsi la commutation douce. Ainsi la tension de grille du transistor B peut être appliquée convenablement en t6, c'est-à-dire que le transistor B se ferme alors que la tension entre le drain et la source est négative correspondante à la tension de seuil de conduction de la diode B, en parallèle du transistor B. Typiquement la tension avant la fermeture du transistor est de -0.5 Volt, c'est dire très proche de 0. C'est la commutation douce à la mise ON d'un transistor B.
Avantageusement, on choisira Kmarge=1.2. Le niveau du courant critique lLK dans l'inductance de fuite LK est défini de manière à annuler la tension aux bornes de l'interrupteur B (respectivement A), donc aux bornes du condensateur parallèle disposé entre les bornes de l'interrupteur B (respectivement A), entre ts et t6 où l'interrupteur B peut être mis sur ON favorablement (respectivement en début de cycle, entre la fin d'un cycle précédent et le début du cycle suivant où l'interrupteur A peut être mis sur ON favorablement).
L'annulation est naturellement atteinte lorsque l'énergie inductive du circuit est suffisante pour transférer intégralement l'énergie capacitive, i.e. annuler la tension aux bornes de l'interrupteur B (respectivement A) et établir la tension aux bornes de l'interrupteur A (respectivement B).
Cette énergie inductive diminue avec la diminution du courant de sortie et donc du niveau de puissance transféré, tandis que l'énergie capacitive ne dépend que de la tension d'entrée, qui est indépendante de la puissance transférée.
Lorsque l'énergie inductive devient inférieure à l'énergie capacitive, l'annulation de tension permettant la commutation douce des transistors ne se fait plus. L'inductance d'injection Linj, préalablement préchargée à un certain niveau de courant d'injection lLinj lors de la phase, dite de roue libre, qui précède le quatrième instant t4 (respectivement, le huitième instant t9).
Une fois l'inductance d'injection Linj préchargée, l'énergie inductive emmagasinée dans l'inductance d'injection Linj s'ajoute à l'énergie inductive de l'inductance de fuite LK à l'ouverture, i.e. à la mise sur OFF, de l'interrupteur A (respectivement de l'interrupteur B) pour décharger le condensateur parallèle de l'interrupteur B (respectivement le condensateur parallèle de l'interrupteur A) et charger le condensateur parallèle de l'interrupteur A (respectivement le condensateur parallèle de l'interrupteur B). La condition d'activation de l'injection de courant découle de la comparaison entre énergie inductive et énergie capacitive, définies ci-dessous.
Les condensateurs parallèles implantés en parallèle des interrupteurs A, B, C et D ont chacun une capacité Cres de valeur très supérieure aux capacités parasites des composants. On peut donc négliger les énergies capacitives des composants. L'énergie capacitive à considérer est ainsi définie par la formule:
[Math 27] Cres .Vin 2
De façon analogue, la valeur de l'inductance de l'inductance de fuite Lk du convertisseur 1, volontairement élevée pour réduire les surtensions liées aux courants de recouvrements des diodes de redressement SR1, SR2 de l'étage secondaire, rend négligeable la contribution de l'énergie de l'inductance magnétisante du convertisseur 1 à l'énergie inductive du circuit.
Le courant dans l'inductance de fuite Lk du convertisseur 1, à l'instant t4 (respectivement t9) est compris entre l'image du courant maximal et l'image du courant moyen dans L1 (respectivement L2, L1 et L2 étant identiques). On considère l'image du courant moyen, qui est le minorant.
L'énergie inductive à considérer est définie par la formule :
[Math 28] A noter que la tension Vs aux bornes de la bobine secondaire du circuit secondaire est nulle pendant cette phase car la bobine secondaire est court- circuitée par les 2 transistors SR1 et SR2 conducteurs (entre les instants t3 et t4, de même qu'entre les instants t8 et t9). Seule l'énergie de l'inductance de fuite Lk, chargée avec un courant correspondant à l'image du courant secondaire, est ramenée dans la bobine primaire selon le rapport Ns/Np entre le nombre de spires Ns de la bobine secondaire et le nombre de spires Np de la bobine primaire. L'injection de courant d'injection lLinj est nécessaire lorsque l'énergie inductive est inférieure à l'énergie capacitive définie par la formule :
[Math 29]
Dans cette relation, LK, Ns, Np et Cres sont des grandeurs fixes et connues du circuit, Vin est mesurée et ne dépend pas de la puissance de sortie. Seul lu, mesurée par l'unité de contrôle-commande du convertisseur 1, dépend de la puissance de sortie.
Les relations ci-dessous permettent donc d'établir le critère d'activation sur la mesure du courant IL1 :
[Math 30] [Math 31] La valeur du courant disponible lLK.dispo avec l'inductance de fuite LK lors de la phase de commutation douce est l'image de la valeur moyenne IL1.moy du courant dans l'inductance L1 (identique à celui dans L2) ; elle est définie par la relation : [Math 32]
Le courant d'injection lLinj nécessaire est donc défini par la relation:
[Math 33] lLinj = lLK.min- lLKdispo.
Pendant que les interrupteurs d'injection E, F sont sur ON, la tension appliquée aux bornes de l'inductance d'injection est constante, et égale à ±Vin.
En connaissant le niveau de courant d'injection lLinj souhaité, il est possible de calculer la durée d'injection tcmdjnj pendant laquelle les interrupteurs d'injection E, F sont sur ON, par la relation :
[Math 34]
Il est donc possible de définir les premier et deuxième instants d'injection des interrupteurs d'injection par les relations ci-dessous :
[Math 35]
[Math 36] La phase préalable à l'activation de l'injection du courant d'injection commence après l'instant t3 où l'interrupteur C est mis sur ON. La figure 3.1 présente le schéma du circuit équivalent avec les composants du circuit qui sont traversés par un courant pendant cette phase préalable. Pendant cette phase préalable à l'injection du courant d'injection, un courant lLK circule en roue-libre à travers les interrupteurs A et C, la tension Vp est nulle et la tension Vs aux bornes de la bobine secondaire est nulle, le courant de l'inductance Li traverse l'interrupteur SR2 et le coûtant de l'inductance L2 traverse l'interrupteur SR1. La préparation de l'injection du courant commence avec la mise sur ON de l'interrupteur F à un premier instant d'injection t3inj, comme cela est illustré sur le schéma du circuit équivalent correspondant représenté sur la figure 3.2, l'objectif étant de précharger l'inductance d'injection Linj avec un courant d'injection lLinj de même signe que le courant lLK vu du point milieu PAB du bras de pont A, B, courants tous deux positifs selon les conventions de signe adoptées.
Pour ce faire, on tire profit de l'état de roue libre du courant à travers les interrupteurs A et C. Le point milieu PAB du bras de pont A, B étant au potentiel +Vin du fait de l'état passant de l'interrupteur A, en mettant l'interrupteur F sur ON, l'inductance Linj voit à ses bornes la tension Vin, ce qui fait croître linéairement le courant lLinj.
Le calcul du temps de précharge, définissant l'instant t3inj par rapport à t4 a été décrit ci-avant. A l'instant t4, on ouvre, i.e. on met sur OFF, l'interrupteur A, et on ouvre également, i.e. on met sur OFF, l'interrupteur d'injection F, comme cela est illustré par le schéma du circuit équivalent présenté en figure 3.3.a, première partie. Le courant lLinj qui circulait à travers F se reboucle désormais via la diode de roue libre de l'interrupteur E. Tous les composants du bras de pont A, B sont bloqués. Ainsi, le courant des deux inductances Linj et Lk circule à travers les condensateurs, chargeant le condensateur parallèle de l'interrupteur A et déchargeant le condensateur parallèle de l'interrupteur B. Lorsque la tension aux bornes du condensateur parallèle de l'interrupteur B, et donc aux bornes de la diode de roue libre de l'interrupteur B, est complètement annulée en t5, le courant circule à travers la diode de roue libre de l'interrupteur B, comme cela est illustré par le schéma du circuit équivalent présenté en figure 3.3.b. La tension aux bornes de l'interrupteur B est donc maintenue nulle (à la tension de seuil de la diode de roue libre près de -0.5 Volt), ce qui permet une commutation douce à la mise ON de l'interrupteur B entre t5 et t6. Le coefficient Kmarge est ajusté pour que le transistor de l'interrupteur B ait le temps de se fermer lorsque la diode de roue libre de l'interrupteur B conduit.
Etant donné que le courant dans l'inductance L2 est faible, la durée de perte de rapport cyclique, i.e. la durée pendant laquelle l'inductance de fuite LK rattrape l'image du courant dans L2 avant le transfert d'énergie, peut être quasi inexistante, et donc t5 et t6 peuvent sembler confondus, comme représenté sur le chronogramme de la figure 2.
Pour l'inductance d'injection Linj la période temporelle entre l'instant ts et un instant t6end constitue une phase de retour à l'état de repos, ledit instant t6end étant le moment où le courant s'annule dans l'induction d'injection. En effet, la diode de roue libre de l'interrupteur E et l'interrupteur B étant tous deux passants, la tension aux bornes de l'inductance d'injection Linj vaut -Vin, ce qui fait décroître linéairement son courant jusqu'à son annulation, conduisant au blocage de la diode de roue libre de l'interrupteur E. La diode de roue libre de l'interrupteur E s'arrête de conduire avec une faible pente de courant (i.e caractérisant le mode discontinu) engendrant ainsi des pertes joules presque nulles dans les composants E et F.
De manière analogue à ce qui a été décrit précédemment, en référence aux figures 3.1, 3.2, et 3.3 concernant le fonctionnement du convertisseur 1 pour obtenir une commutation douce à la mise sur ON de l'interrupteur B, le fonctionnement du convertisseur 1 pour obtenir une commutation douce à la mise sur ON de l'interrupteur A, va être décrit ci-après en référence aux figures 3.4, 3.5, et 3.6. La phase préalable à l'activation de l'injection du courant d'injection commence après l'instant t8 où l'interrupteur D est mis sur ON. La figure 3.4 présente le schéma du circuit équivalent avec les composants du circuit qui sont traversés par un courant pendant cette phase préalable. Pendant cette phase préalable à l'injection du courant d'injection, un courant lLK circule en roue-libre à travers les interrupteurs B et D, la tension Vs aux bornes de la bobine secondaire est nulle, le courant de l'inductance Li traverse l'interrupteur SR2 et le courant de l'inductance L2 traverse l'interrupteur SR1.
La préparation à l'injection du courant commence avec la mise sur ON de l'interrupteur E à un premier instant d'injection t8inj comme cela est illustré sur le schéma du circuit équivalent correspondant représenté sur la figure 3.5, l'objectif étant de précharger l'inductance d'injection Linj avec un courant d'injection lLinj de même signe que le courant lLK vu du point milieu PAB du bras de pont A, B, courants tous deux positifs selon les conventions de signe adoptées.
Pour ce faire, on tire profit de l'état de roue libre du courant à travers les interrupteurs B et D. Le point milieu PAB du bras de pont A, B étant au potentiel +Vin du fait de l'état passant de l'interrupteur B, en mettant l'interrupteur E sur ON, l'inductance Linj voit à ses bornes la tension Vin, ce qui fait croître linéairement le courant lLinj.
Le calcul du temps de précharge, définissant l'instant t8inj par rapport à t9 a été décrit ci-avant.
A l'instant t9, on ouvre, i.e. on met sur OFF, l'interrupteur B, et on ouvre également, i.e. on met sur OFF, l'interrupteur d'injection E, comme cela est illustré par le schéma du circuit équivalent présenté en figure 3.6.a, première partie. Le courant lLinj qui circulait à travers E se reboucle désormais via la diode de roue libre de l'interrupteur F. Tous les composants du bras de pont A, B sont bloqués (ouverts). Ainsi, le courant des deux inductances Linj et LK circule à travers les condensateurs, chargeant le condensateur parallèle de l'interrupteur B et déchargeant le condensateur parallèle de l'interrupteur A.
Lorsque la tension aux bornes du condensateur parallèle de l'interrupteur A, et donc la tension aux bornes de la diode de roue libre de l'interrupteur A, est complètement annulée, le courant circule à travers la diode de roue libre de l'interrupteur A, comme cela est illustré par le schéma du circuit équivalent présenté en figure 3.6.b. La tension aux bornes de l'interrupteur A est donc maintenue nulle (à la tension de seuil de la diode de roue libre près), ce qui permet une commutation douce à la mise ON de l'interrupteur A entre t10 et t0. Etant donné que le courant dans l'inductance L1 est faible, la durée de perte de rapport cyclique, i.e. la durée pendant laquelle l'inductance de fuite LK rattrape l'image du courant dans L1 avant le transfert d'énergie, peut être quasi inexistante, et donc t0 et t1 peuvent sembler confondus, comme représenté sur le chronogramme de la figure 2.
Pour l'inductance d'injection Linj, la période temporelle entre un instant t10 et l'instant t0end constitue une phase de retour à l'état de repos, ledit instant t0end étant le moment où le courant s'annule dans l'induction d'injection. En effet, la diode de roue libre de l'interrupteur F et l'interrupteur A étant tous deux passants, la tension aux bornes de l'inductance d'injection Linj vaut Vin, ce qui fait croître linéairement son courant jusqu'à son annulation, conduisant au blocage de la diode de roue libre de l'interrupteur F.
Selon ces dispositions, le convertisseur 1 mis en œuvre par exemple sur un chargeur de batterie de 10kW, 700Vin / 110VDCout, a fonctionné avec une plage de puissance comprise entre 100% et 0.4% de sa puissance nominale. Les dispositions décrites ci-avant permettent ainsi de fonctionner à très faible charge sans occasionner des contraintes thermiques et électriques sur les semiconducteurs de puissance A et B.
Entre les instants t2 et t3, respectivement entre les instants t7 et t8, la commutation douce de l'interrupteur C, respectivement de l'interrupteur D, s'effectue sans circuit d'injection. En effet, c'est l'image du courant de IL1 ou IL2, ramenée au primaire qui assure la charge de Cres à courant constant même à faible charge. L'amplitude de lu ou b, fonctionnant alors en mode discontinu engendre des courants crêtes à l'instant t2 (IL1) et à l'instant t7 (b) suffisamment forts pour charger Cres.
Les courant crêtes de IL1 et IL2 ont été dimensionnés par la valeur de L1 et L2, pour que les énergies ½.L1.[IL1.(Ns/Np)]2 et ½.L2.[IL2.(Ns/Np)]2 respectivement en t2 et t7 soient très supérieures à Vin2.Cres.
Par ailleurs, l'énergie dans l'inductance Lk définie par ½.Lk.[ lLK] 2 en t2 et en t7 est très inférieure à ½.L1.[IL1.(Ns/Np)]2 en t2 et très inférieure à ½.L2.[IL2.(Ns/Np)]2 en t7.
Si les conditions décrites ne sont pas respectées, un quatrième bras de pont peut être alors rajouté avec une deuxième inductance Linj en PCD, pour assurer la commutation douce des interrupteurs C et D.
Ce bras de pont sera alors constitué de deux interrupteurs G et H connectés, comme pour 3' entre E1 et E2 ; ils ne sont pas représentés sur la figure 1.
Les commutations douces à la mise ON de l'interrupteur C en t2 et de l'interrupteur D en t7 seront alors respectées.
La technique de l'injection de courant peut aussi être utilisée dans les applications Dual Active Bridge (DAB) pour assurer la commutation douce des interrupteurs de puissance à faible charge selon le même séquencement décrit par la figure 2.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé (100) de conversion d'une tension d'entrée (Vin) entre deux bornes d'entrée (Ει, E2) d'un circuit primaire d'un convertisseur (1) en une tension de sortie (Vout) entre deux bornes de sortie (S1, S2) d'un circuit secondaire du convertisseur (1), le circuit primaire comprenant:
- un premier bras de pont formé par un premier interrupteur (A) et un deuxième interrupteur (B), le premier et le deuxième interrupteur (A, B) étant connectés en série entre les bornes d'entrée du circuit primaire, un premier point milieu (PAB) du premier bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le premier interrupteur (A) et le deuxième interrupteur (B);
- un deuxième bras de pont formé par un troisième interrupteur (C) et un quatrième interrupteur (D), le troisième et le quatrième interrupteur (C, D) étant connectés en série entre les bornes d'entrée du circuit primaire, un deuxième point milieu (PCD) du deuxième bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le troisième interrupteur (C) et le quatrième interrupteur (D), le deuxième bras de pont étant connecté en parallèle du premier bras de pont entre les bornes d'entrée du circuit primaire;
- une bobine primaire du circuit primaire, la bobine primaire comprenant une inductance de fuite ( LK ) la bobine primaire étant couplée par induction mutuelle à une bobine secondaire du circuit secondaire, la bobine primaire étant connectée par un pôle au point milieu (PAB) du premier bras de pont, et par un autre pôle au point milieu (PCD) du deuxième bras de pont. ; le circuit primaire comprenant en outre :
- un condensateur disposé en parallèle entre les bornes respectives de chacun des premier, deuxième, troisième, et quatrième interrupteurs (A, B, C, D) ;
- un troisième bras de pont formé par un cinquième interrupteur (E) et un sixième interrupteur (F), le cinquième et le sixième interrupteur (E, F ) étant connectés en série entre les bornes d'entrée du circuit primaire, un troisième point milieu (PEF) du troisième bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le cinquième interrupteur (E) et le sixième interrupteur (F), le troisième bras de pont étant connecté en parallèle des premier et deuxième bras de pont entre les bornes d'entrée du circuit primaire ;
- chacun des premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième interrupteurs (A, B, C, D, E, F) étant associé à une diode connectée aux bornes dudit premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième interrupteur (A, B, C, D, E, F) ;
- une inductance d'injection (Linj) connectée par un pôle au point milieu (PAB) du premier bras de pont, et par un autre pôle au point milieu (PEF) du troisième bras de pont ;
- une unité de contrôle-commande configurée pour commander un état des interrupteurs (A, B, C, D, E, F) , chaque interrupteur étant configuré pour être alternativement sur ON ou sur OFF, l'unité de contrôle-commande étant configurée pour mettre en œuvre un cycle de commande des interrupteurs (A, B, C, D, E, F) comprenant les étapes suivantes :
- (101) mettre sur ON le premier interrupteur (A), à un premier instant (t0);
- (102) mettre sur OFF le quatrième interrupteur (D), à un deuxième instant (t2) du cycle;
- (103) mettre sur ON le troisième interrupteur (C), à un troisième instant (t3) du cycle;
- (104) mettre sur OFF le premier interrupteur (A), à un quatrième instant (t4) du cycle;
- (105) mettre sur ON le deuxième interrupteur (B), à cinquième instant (t6) du cycle;
- (106) mettre sur OFF le troisième interrupteur (C), à un sixième instant (t7) du cycle;
- (107) mettre sur ON le quatrième interrupteur (D), à un septième instant (t8) du cycle;
- (108) mettre sur OFF le deuxième interrupteur (B), à un huitième instant (t9) du cycle; le cycle comprenant en outre les étapes suivantes :
- (109) mettre sur ON le sixième interrupteur (F) à un premier instant d'injection (t3inj) compris entre le troisième instant (t3) et le quatrième instant (t4) de sorte qu'une tension d'injection s'applique entre les pôles de l'inductance d'injection (Uj) pendant une durée d'injection ( tcmd_inj), jusqu'au quatrième instant (t4) du cycle, et qu'au quatrième instant (t4) du cycle un courant d'injection (lLinj) circule dans l'inductance d'injection (Linj), ledit courant d'injection (lLinj) étant supérieur à un courant minimum prédéterminé ;
- (110) mettre sur OFF le sixième interrupteur (F) au quatrième instant (t4) ;
- (111) mettre sur ON le cinquième interrupteur (E) à un deuxième instant d'injection (t8inj) compris entre le septième instant (t8) et le huitième instant (t9) de sorte qu'une tension d'injection s'applique entre les pôles de l'inductance d'injection (Linj) pendant la durée d'injection (tcmdjnj), jusqu'au huitième instant (t9) du cycle, et de sorte qu'au huitième instant (t9) du cycle un courant d'injection (lLinj) circule dans l'inductance d'injection (Linj), ledit courant d'injection (lLinj) étant supérieur à un courant d'injection minimum prédéterminé ;
- (112) mettre sur OFF le cinquième interrupteur (E) au huitième instant (t9);
- (113) répéter les étapes (101 à 112) du cycle à partir d'un neuvième instant
(tio).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le premier instant (t0) est déterminé en fonction d'un moment où la diode associée au premier interrupteur (A) est en conduction, de sorte qu'une tension aux bornes du premier interrupteur (A) soit nulle.
3. Procédé selon la revendication précédente dans lequel :
- le deuxième instant (t2) du cycle est décalé du premier instant (t0) d'un premier décalage temporel, fonction d'un déphasage (Ph) entre les premier et deuxième bras de ponts, et d'une durée (T) d'un cycle complet;
- le troisième instant (t3) du cycle est décalé du premier instant (t0) d'un deuxième décalage temporel fonction du premier décalage temporel et d'un premier temps mort ( tmort_C_D); - le quatrième instant (t4) du cycle est décalé du premier instant (t0) d'un troisième décalage temporel fonction de la durée (T/2) d'un demi-cycle complet et d'un deuxième temps mort ( tmort_A_B);
- le cinquième instant (t6) du cycle est décalé du premier instant (t0) d'un quatrième décalage temporel fonction de la durée (T/2) d'un demi-cycle complet;
- le sixième instant ( t7) du cycle est décalé du premier instant (t0) d'un cinquième décalage temporel fonction du déphasage Ph et de la durée T/2 d'un demi-cycle complet;
- le septième instant (t8) du cycle est décalé du premier instant (t0) d'un sixième décalage temporel fonction du déphasage Ph et de la durée T/2 d'un demi- cycle complet et du premier temps mort ( tmort_C_D) ;
- le huitième instant (t9) du cycle est décalé du premier instant (t0) d'un septième décalage temporel fonction de la durée (T) d'un cycle complet et du deuxième temps mort ( tmort_A_B).
4. Convertisseur (1) comprenant un circuit primaire et un circuit secondaire, le convertisseur (1) étant configuré pour convertir une tension d'entrée (Vin) entre deux bornes d'entrée (E1, E2) du circuit primaire en une tension de sortie (Vout) entre les bornes de sortie (S1, S2 )du circuit secondaire, le circuit primaire comprenant :
- un premier bras de pont formé par un premier interrupteur (A) et un deuxième interrupteur (B), le premier et le deuxième interrupteur (A, B) étant connectés en série entre les bornes d'entrée du circuit primaire, un premier point milieu (PAB) du premier bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le premier interrupteur (A) et le deuxième interrupteur (B);
- un deuxième bras de pont formé par un troisième interrupteur (C) et un quatrième interrupteur (D), le troisième et le quatrième interrupteur (C, D) étant connectés en série entre les bornes d'entrée du circuit primaire, un deuxième point milieu (PCD) du deuxième bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le troisième interrupteur (C) et le quatrième interrupteur (D), le deuxième bras de pont étant connecté en parallèle du premier bras de pont entre les bornes d'entrée du circuit primaire;
- une bobine primaire du circuit primaire, la bobine primaire comprenant une inductance de fuite (LO, la bobine primaire étant couplée par induction mutuelle à une bobine secondaire du circuit secondaire, la bobine primaire étant connectée par un pôle au point milieu (PAB) du premier bras de pont, et par un autre pôle au point milieu (PCD) du deuxième bras de pont. ; le circuit primaire comprenant en outre :
- un condensateur disposé en parallèle entre les bornes respectives de chacun des premier, deuxième, troisième, et quatrième interrupteurs (A, B, C, D) ;
- un troisième bras de pont formé par un cinquième interrupteur (E) et un sixième interrupteur (F), le cinquième et le sixième interrupteur (A, B) étant connectés en série entre les bornes d'entrée du circuit primaire, un troisième point milieu (PEF) du troisième bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le cinquième interrupteur (E) et le sixième interrupteur (F), le troisième bras de pont étant connecté en parallèle des premier et deuxième bras de pont entre les bornes d'entrée du circuit primaire ;
- chacun des premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième interrupteurs (A, B, C, D, E, F) étant associé à une diode connectée aux bornes dudit premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième interrupteur (A, B, C, D, E, F) ;
- une inductance d'injection (Linj) connectée par un pôle au point milieu (PAB) du premier bras de pont, et par un autre pôle au point milieu (PEF) du troisième bras de pont ;
- une unité de contrôle-commande configurée pour commander un état des interrupteurs (A, B, C, D, E, F) , chaque interrupteur étant configuré pour être alternativement sur ON ou sur OFF, l'unité de contrôle-commande étant configurée pour mettre en œuvre un cycle de commande des interrupteurs (A, B, C, D, E, F) comprenant les étapes d'un procédé selon l'une des revendications précédentes.
5. Convertisseur (1) selon la revendication précédente dans lequel le circuit secondaire comprend :
- un quatrième bras de pont formé par un septième interrupteur (SR1) et un huitième interrupteur (SR2), le septième et le huitième interrupteur (SR1, SR2) étant connectés en série entre les bornes de la bobine secondaire du circuit secondaire, un quatrième point milieu (PSR1SR2) du quatrième bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre le septième interrupteur (SR1) et le huitième interrupteur (SR2);
- un cinquième bras de pont formé par une première inductance (L1) et une deuxième inductance (L2), la première et la deuxième inductance (L1 2) étant connectées en série entre les bornes de la bobine secondaire du circuit secondaire, un cinquième point milieu (PL1L2) du cinquième bras de pont désignant un point de connexion intermédiaire entre la première inductance (L1) et la deuxième inductance (L2), le cinquième bras de pont étant connecté en parallèle du quatrième bras de pont entre les bornes de la bobine secondaire ; le quatrième point milieu étant raccordé à une borne de sortie du circuit secondaire, et le cinquième point milieu étant raccordé à l'autre borne de sortie du circuit secondaire.
6. Convertisseur (1) selon la revendication 5, dans lequel le circuit secondaire comprend en outre un condensateur disposé entre les bornes de sortie du circuit secondaire.
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