EP4732415A1 - Ligne electrique de puissance adaptee et convertisseur d'energie comprenant au moins une ligne electrique de puissance adaptee - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une ligne électrique de puissance adaptée et un convertisseur d'énergie comprenant au moins une ligne électrique de puissance. La ligne électrique comprend au moins un conducteur électrique linéaire (40) et au moins un composant résistif (42), distinct du conducteur et raccordé en parallèle du conducteur sur une portion du conducteur électrique linéaire (40), une valeur de la résistance du composant résistif étant au moins égale à dix fois une valeur de résistance du conducteur électrique linéaire (40) sur la portion considérée.

Description

DESCRIPTION

Titre de l’invention : Ligne électrique de puissance adaptée et convertisseur d’énergie comprenant au moins une ligne électrique de puissance adaptée [0001] L’invention concerne une ligne électrique de puissance pour le transport d’énergie électrique et un convertisseur d’énergie électrique comprenant au moins une ligne électrique de puissance. L’invention trouve une utilité particulière mais non exclusive dans le domaine aéronautique.

[0002] Un avion comprend généralement un grand nombre de machines électriques ou charges électriques alimentées en puissance électrique par un réseau de bord de fourniture électrique. Par exemple, les commandes de vols, les systèmes de climatisation et d’éclairage interne mettent en oeuvre des machines électriques alternatives triphasées. D’autres machines électriques peuvent fonctionner en courant continu. Les puissances électriques fournies à ces machines sont apportées au moyen de dispositifs de conversion de puissance reliés au réseau de bord, lui- même alimenté par des générateurs électriques et des batteries de stockage disposés à bord de l’aéronef, ou encore par des moyens de liaison à un réseau d’alimentation électrique au sol, permettant l’alimentation électrique de l’aéronef stationné sur une piste.

[0003] La conversion de puissance se fait le plus souvent au moyen de convertisseurs statiques et notamment des redresseurs et des onduleurs. Ces convertisseurs tendent à générer des perturbations électromagnétiques conduites par les lignes électriques qui les relient au réseau de bord, entre eux et aux charges consommant la puissance électrique.

[0004] Pour limiter la propagation des perturbations électromagnétiques, il est usuel de disposer des moyens de filtrage en entrée et en sortie des convertisseurs statiques. Les moyens de filtrage sont généralement intégrés aux convertisseurs où disposés à proximité immédiate des convertisseurs. Les moyens de filtrage sont principalement constitués d’éléments inductifs formés de conducteurs électriques enroulés autour de noyaux magnétiques. Les conducteurs électriques enroulés doivent supporter l’intensité du courant les traversant ce qui impose des sections et des masses de conducteurs importantes. Il est également courant de compléter ces éléments inductifs par des condensateurs. La présence de ces moyens de filtrage est pénalisant aussi bien au niveau de la masse embarquée que de l’encombrement.

[0005] L’invention vise à réduire certaines perturbations électromagnétiques en les amortissant de façon à atténuer d’éventuelles résonnances possibles. L’invention permet de ce fait de limiter le recours à des moyens de filtrage ou tout au moins à en réduire la masse et le volume.

[0006] A cet effet, l’invention a pour objet une ligne électrique de puissance comprenant au moins un conducteur électrique linéaire et au moins un composant résistif, distinct du conducteur et raccordé en parallèle du conducteur sur une portion du conducteur électrique linéaire, une valeur de la résistance du composant résistif étant au moins égale à dix fois une valeur de résistance du conducteur électrique linéaire sur la portion considérée.

[0007] Avantageusement, la valeur de la résistance du composant résistif est au plus égale à 10000.(L/C)^1/2, L étant l'inductance naturelle du conducteur électrique linéaire sur la portion considérée, et C étant la capacité parasite du conducteur électrique linéaire vue de l'inductance naturelle du conducteur électrique linéaire.

[0008] Selon un mode de réalisation, le conducteur électrique est une piste imprimée sur un substrat et le composant résistif est un fil résistif raccordé à la piste.

[0009] Le fil résistif peut être raccordé à la piste uniquement aux deux extrémités du fil résistif. Alternativement, le fil résistif est raccordé à la piste tout au long du fil résistif.

[0010] Selon un autre mode de réalisation, le conducteur électrique est une piste imprimée sur un substrat, la ligne électrique comprenant plusieurs composants résistifs disposés le long de la piste.

[001 1 ] Les composants résistifs peuvent être montés en surface sur des plots de brasage réalisés dans la piste.

[0012] L’invention a également pour objet un convertisseur de puissance comprenant plusieurs composants de commutation et au moins une ligne électrique selon l’invention, reliant une entrée ou une sortie du convertisseur à au moins un des composants de commutation. [0013] Le convertisseur peut être un onduleur à plusieurs branches reliées entre deux entrées de l'onduleur, dans lequel une ligne électrique selon l’invention relie chaque entrée à chaque branche.

[0014] L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :

[0015] La figure 1 représente une architecture électrique dans laquelle l'invention est mise en oeuvre ;

[0016] Les figures 2a et 2b représentent un premier mode de réalisation d’une ligne électrique conforme à l’invention ;

[0017] La figure 3 représente un autre mode de réalisation d’une ligne électrique conforme à l’invention ;

[0018] Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.

[0019] La figure 1 représente une architecture électrique 10 comprenant deux convertisseurs statiques : un redresseur 12 et un onduleur 14. L'architecture électrique 10 est bien adaptée à équiper un véhicule, notamment un aéronef. L'architecture électrique 10 comprend un réseau alternatif 16 permettant d'alimenter une charge 18 telle que par exemple un moteur, au travers du redresseur 12 générant une tension continue à partir la tension alternative issue du réseau alternatif 16, et au travers de l'onduleur 14 fournissant une tension alternative à la charge 18 à partir de la tension continue.

[0020] La charge 18 fonctionne en courant alternatif triphasé. L’onduleur 14 est formé de trois branches 14u, 14v et 14w permettant chacune de générer une des phases alternatives à partir de la tension continue délivrée par le redresseur 12. Chacune des branches comprend deux transistors T, par exemple de type IGBT, chacun associé à une diode D appelée diode de roue libre. L’onduleur 14 peut être défini comme un composant autonome. Les transistors T et les diodes D peuvent être appelés composants de commutation. Plus précisément, à l’intérieur d’une encapsulation, l’onduleur 14 comprend les transistors T et les diodes D associées montés sur un substrat commun pour former les trois branches 14u, 14v et 14w. Des pistes métallisées portées par le substrat assurent les connexions entre les différents composants de commutation ainsi que vers les entrées et sorties de l’onduleur 14. L’onduleur 14 comprend également une semelle disposée en regard du substrat et permettant d’évacuer la chaleur produite par les différents composants lors des commutations de ceux-ci.

[0021] Par ailleurs, les composants de l’onduleur 14 possèdent une capacité parasite formée entre le canal de conduction du composant, la semelle et le radiateur. Cette capacité est due à la proximité entre le canal de conduction, la semelle et le radiateur, proximité rendue nécessaire pour l'évacuation de la chaleur dégagée lors des commutations. Sur la figure 1 , ces capacités parasites sont représentées en pointillés au repère 24.

[0022] De plus, les pistes conductrices situées à l’intérieur de l’onduleur 14 possèdent naturellement une inductance parasite. Quelques inductances parasites sont représentées sur la figure 1 au repère 26.

[0023] Des perturbations de mode commun peuvent circuler dans l’architecture électrique 10. Ces perturbations représentées en pointillés sur la figure 1 circulent principalement au travers d’une masse électrique 20 de l’architecture électrique 10. Le réseau alternatif 16 étant relié à la masse 20, les perturbations se superposent aux tensions alternatives du réseau alternatif 16 puis aux tensions continues issues du redresseur 12.

[0024] Les perturbations peuvent être amplifiées par une résonnance des capacités parasites 24 et des inductances parasites 26.

[0025] Les perturbations, notamment les perturbations de mode commun peuvent être limitées au moyen de filtres inductifs disposés par exemple sur le réseau continu. Comme illustré sur la figure 1 , un filtre de mode commun 22 comprend deux inductances disposées sur un même noyau magnétique. Dans chacune des inductances circule une phase du réseau continu. Les inductances sont réalisées au moyen de conducteurs électriques enroulés sur le noyau magnétique commun. Les conducteurs électriques formant les inductances sont dimensionnés pour supporter le courant utile du réseau continu. De ce fait, les sections de conducteurs sont importantes. Le noyau magnétique sur lequel les conducteurs sont enroulés est également volumineux. Ceci entraine un poids et un volume important pour le filtre 22. [0026] Il est également possible de réduire les perturbations en réduisant la valeur des capacités et inductances parasites. Ce moyen de réduction est toutefois limité du fait de l’agencement des composants dans l’onduleur 14. Plus précisément, les dimensions des composants imposent des longueurs de piste minimum empêchant de réduire les inductances parasites en dessous d’un seuil minimum. Par ailleurs, la nécessite d’évacuer la chaleur générée lors des commutations impose la présence d’une semelle sous les composants de commutation générant des capacités parasites qu’il est impossible de supprimer.

[0027] L’invention permet d’amortir les perturbations sans pour autant réduire les valeurs des composants parasites. En amortissant les perturbations, l’invention permet de réduire les dimensions et le poids des filtres, notamment le filtre 22, voire de supprimer les filtres. L’invention propose d’amortir les perturbations en évacuant leur énergie dans des résistances. Plus précisément, l’invention propose d’associer une résistance aux inductances parasites des pistes d’un convertisseur et plus généralement aux conducteurs électriques linéaires sur lesquels transite un courant important.

[0028] Hormis les supraconducteurs, tout conducteur électrique possède une résistance fonction de la résistivité du matériau qui la constitue, de la longueur et de la section du conducteur. Par ailleurs, tout conducteur possède une inductance naturelle de l’ordre de un micro Henry par mètre. L’invention propose de disposer en parallèle du conducteur ou tout au moins en parallèle d’une portion du conducteur, une résistance permettant d’amortir les perturbations hautes fréquences transitant sur le conducteur et se superposant au signal électrique de puissance. Pour assurer la fonction principale du conducteur qui est de permettre la transmission du signal utile (signal de puissance) il est important de ne pas en augmenter la résistance. Un composant résistif disposé en parallèle du conducteur n’augmente pas cette résistance.

[0029] Des essais en interne ont montré qu’en disposant un composant résistif de valeur au moins égale à dix fois une valeur de résistance du conducteur sur la portion considérée, l’effet d’amortissement des perturbations haute fréquence se superposant au signal utile est notable.

[0030] En première approche, en ne considérant que l’inductance naturelle L du conducteur et en négligeant sa résistance propre, le composant résistif ajouté de résistance R permet de créer un amortissement de type R-L. Dans un onduleur, ou de façon plus générale dans un convertisseur, comprenant des interrupteurs électroniques possédant des capacités parasites 24 notamment lorsqu’un interrupteur est disposé sur un dissipateur thermique au travers d’une semelle, la capacité parasite entre le drain de l’interrupteur et le dissipateur thermique est de l’ordre de 1 ,5 nano Farad. L’amortissement généré par le composant résistif est de type R-L-C. Plus la valeur de résistance est grande plus l’amortissement est important à condition qu’une partie du courant conduit par le conducteur traverse également la résistance.

[0031] En complément de la prise en compte de l’inductance naturelle d’une ligne, la présence de pièces métalliques à proximité du conducteur entraine la formation d’une capacité parasite entre le conducteur et une masse de l’onduleur qui est de l’ordre de quelques pico Farad par mètre. Autrement, il est possible de modéliser une ligne au moyen d’une inductance en série et d’une capacité en parallèle. Cette capacité parasite propre au conducteur s’ajoute à celle des composants de commutation. Pour le choix de la valeur de la résistance permettant l’amortissement il est possible de tenir compte de ces différentes capacités parasites et bien entendu de l’inductance parasite du conducteur. En pratique, pour obtenir un bon amortissement, la valeur de résistance du composant résistif peut être de l’ordre de :

[0032] R = où R représente la valeur de résistance du composant résistif, L l’inductance naturelle du conducteur et C la capacité parasite, soit du conducteur seul soit du conducteur associé aux composants de l’onduleur 14 vue de l’inductance L. Il est possible que le composant résistif choisi ait sa propre inductance naturelle, voire sa propre capacité parasite qu’il est possible de prendre en compte dans la modélisation.

[0033] La valeur de résistance du composant résistif ne doit pas non plus être trop importante. Dans certaines applications où le respect des normes de perturbations électromagnétiques doit être respecté, une légère atténuation de perturbations peut être suffisante pour assurer le respect de la norme. Des essais en interne ont montré qu ’une valeur de résistance de l’ordre de R = 10000 permet d’obtenir une atténuation de l’ordre de 1dB de perturbations problématiques. On retiendra donc cette valeur paramétrique comme valeur maximum de résistance du composant résistif pour que l’invention apporte un effet technique.

[0034] L’invention est bien adaptée à une mise en oeuvre dans un convertisseur de puissance et plus particulièrement dans un onduleur. L’invention présente également de l’intérêt dans une ligne électrique destinée à véhiculer un signal de puissance afin d’y amortir les effets de perturbations haute fréquence susceptibles de se superposer au signal de puissance, typiquement à basse fréquence voire un signal continu.

[0035] L’onduleur 14 représenté sur la figure 1 comprend un substrat sur lequel sont disposés les transistors T et les diodes D. Sur ce substrat sont imprimés des pistes permettant de raccorder les deux entrées + et - de l’onduleur 14 aux trois branches 14u, 14v et 14w. Les entrées + et - sont raccordées aux sorties du redresseur 12 par l’intermédiaire du filtre 22. Des pistes, respectivement 28u+, 28v+ et 28w+, raccordent l’entrée + à chacune des branches, respectivement 14u, 14v et 14w. De même, des pistes, respectivement 28u-, 28v- et 28w-, raccordent l’entrée - à chacune des branches, respectivement 14u, 14v et 14w. Comme on l’a vu précédemment, ces pistes possèdent des inductances parasites 26 représentées en pointillés sur la figure 1 . L’invention propose d’associer un composant résistif, respectivement 30u+, 30v+, 30w+, 30u-, 30v-, 30w- en parallèle de chacune des pistes, respectivement 28u+, 28v+ et 28w+, 28u-, 28v- et 28w-. Ces composants résistifs permettent d’amortir les résonnances susceptibles de se produire dans les inductances parasites des pistes associées. La position et le raccordement des composants résistifs ne sont données qu’à titre d’exemple. En pratique la position et le raccordement dépendent de la géométrie réelle des pistes sur le substrat.

[0036] Les figures 2a et 2b représentent un premier mode de réalisation d’un conducteur linéaire 40 équipé d’un composant résistif 42. La figure 2a est représentée en perspective et la figure 2b en coupe dans un plan perpendiculaire à l’axe principal 44 dans lequel le conducteur 40 s’étend. Dans l’exemple représenté, le conducteur 40 est une piste imprimée sur un substrat 46 et son axe principal 44 est rectiligne. Il est bien entendu possible de mettre en oeuvre l’invention pour un axe principal possédant plusieurs portions de droite raccordées avec des angles non nuis et de façon générale pour un axe principal courbe.

[0037] Le composant résistif 42 est ici un fil résistif plaqué contre la piste 44. Plus précisément, le fil résistif 42 s’étend selon un axe 48 parallèle à l’axe 44. Le fil résistif 42 peut être raccordé à la piste 40 uniquement à ses extrémités 42a et 42b, comme représenté sur la figure 2a au moyen de plots de brasage 40a et 40b réalisés dans la piste 40 et raccordant chacun respectivement les extrémités 42a et 42b. il est également possible de raccorder le fil résistif 42 par des plots intermédiaires voire sur toute la longueur du fil résistif 42. Le fil résistif 42 peut être formé d’un composant rigide assemblé sur la piste 40. Alternativement, il peut être déposé sous forme d’une pâte contenant des particules conductrices telles que des particules de carbone.

[0038] Sur les figures 2a et 2b, le fil résistif 42 est disposé en contact avec la piste 40. En variante, il est également possible de disposer le fil résistif de façon décalée par rapport à la piste 40 et à distance de celle-ci. Il est également possible de disposer le fil résistif sur la face opposée du substrat 46 à celle recevant la piste 40.

[0039] L’avantage de ce premier mode de réalisation est de permettre la mise en oeuvre d’un composant résistif 42 réalisé en fonction de la longueur de la piste 40 ou de sa portion considérée, soit en coupant un fil résistif rigide à la longueur de la piste, soit en déposant une pâte en suivant l’axe 44 de la piste.

[0040] L’ajout d’un fil résistif 42 en parallèle de la portion de piste 40 tend à augmenter l’inductance parasite de la connexion entre les deux extrémités de la piste, du fait de l’inductance naturelle propre au fil résistif lui-même, ce qui à première vue va à l’encontre de l’effet recherché en augmentant l’inductance parasite. En effet, comme on l’a vu plus haut, la piste possède une inductance naturelle de l’ordre de un micro Henry par mètre. Le fil ajouté possède environ la même inductance naturelle. En conséquence, l’ensemble formé par la piste et le fil résistif ont une inductance de l’ordre de deux fois celle de la piste prise isolément. Cependant, même si l’inductance parasite est doublée, le fait d’amortir une éventuelle résonnance de perturbations haute fréquence au moyen de la résistance du fil résistif 42 rend ces perturbations moins problématiques pour l’ensemble de l’équipement électronique, notamment dans le cas d’un onduleur.

[0041] La figure 3 représente un autre mode de réalisation dans lequel la piste 40 est également imprimée sur le substrat 46. Dans ce mode de réalisation plusieurs composants résistifs 50, 52 et 54 sont raccordés à la piste 40. Les composants résistifs peuvent par exemple être des résistances montées en surface et raccordées chacune à deux plots de brasage réalisés sur la piste 40. Trois composants résistifs 50, 52 et 54 sont représentés sur la figure 3. Il est bien entendu possible d’en disposer autant que nécessaire le long de la piste 40. Avantageusement, les composants résistifs sont disposés le long de la piste avec le moins d’interstices possibles entre chaque composant résistif afin de limiter les portions de la piste 40 sans composant résistif en parallèle. A cet effet, la piste comprend des plots intermédiaires 40c et 40d raccordant chacun deux composants résistifs consécutifs, ce qui permet de disposer les composants résistifs de façon quasi jointive.

[0042] A titre d’exemple, des essais réalisés en interne ont montré que des résistances montées en surface d’un Ohm disposées de façon jointive le long d’une piste apportent un amortissement substantiel de perturbations haute fréquence se propageant le long de la piste 40.

[0043] Il existe différents types de composants résistifs. A titre d’exemple, on peut citer des résistances à couche de carbone et des résistances bobinées. Les résistances bobinées ont une inductance naturelle plus élevée que les résistances à couche de carbone. Bien que les résistances à couche de carbone sont a priori à privilégier, car de coût de revient plus faible et n’ajoutant que peu d’inductance en parallèle de la portion de ligne considérée, la mise en oeuvre d’une résistance bobinée peut trouver un intérêt notamment pour déplacer une fréquence de résonnance de perturbations haute fréquence au moyen de l’inductance ajoutée par le composant résistif lui-même.

[0044] Il est possible de remplacer un des composants résistifs 50, 52 et 54 par un condensateur et/ou une inductance afin d’adapter au mieux l’amortissement de type R-L-C évoqué plus haut. Par composant résistif, on entend tout type de composant présentant une composante résistive, notamment un semi-conducteur. A titre d’exemple, il est possible de placer en parallèle de la portion de ligne considérée une diode ou deux diodes tête-bêche. Il est également possible de placer un transistor de type MOS FET connecté d’une part entre la grille et le drain court-circuité et d’autre part la source. La composante résistive est alors la résistance drain-source. Il est également possible de mettre à profit la résistance série d’une capacité ou d’une inductance considérée alors comme un composant résistif.

[0045] Il est possible de distinguer plusieurs portions successives dans un même conducteur électrique linéaire. Sur une première portion, il est possible de raccorder en parallèle un composant résistif et de laisser la portion suivante sans composant résistif. Il est possible de modéliser ce conducteur comme deux inductances en série dont une seule est équipée d’un composant résistif. De façon plus générale, un conducteur électrique linéaire peut être divisé en plusieurs portions dont l’une au moins est équipée d’un composant résistif raccordé en parallèle de la portion considérée. D’autres composants raccordés en série et ou en parallèle, sur la même portion ou sur une ou plusieurs autres portions peuvent compléter l’amortissement obtenu par le composant résistif.

[0046] Les modes de réalisation des figures 2a, 2b et 3 sont particulièrement bien adaptés à un onduleur dont les composants sont portés par un substrat formé par un circuit imprimé. L’invention peut être mise en oeuvre dans tout autre équipement électronique mettant en oeuvre un circuit imprimé.

Claims

REVENDICATIONS

1 . Ligne électrique de puissance comprenant au moins un conducteur électrique linéaire (28 ; 40) et au moins un composant résistif (30 ; 42 ; 50, 52, 54), distinct du conducteur et raccordé en parallèle du conducteur sur une portion du conducteur électrique linéaire (28 ; 40), une valeur de la résistance du composant résistif étant au moins égale à dix fois une valeur de résistance du conducteur électrique linéaire (28 ; 40) sur la portion considérée.

2. Ligne électrique selon la revendication 1 , dans laquelle la valeur de la résistance du composant résistif (30 ; 42 ; 50, 52, 54) est au plus égale à 10000.(L/C)^1/2, L étant l’inductance naturelle du conducteur électrique linéaire (28 ; 40) sur la portion considérée, et C étant la capacité parasite du électrique linéaire (28 ; 40) vue de l’inductance naturelle du conducteur électrique linéaire (28 ; 40).

3. Ligne électrique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le conducteur électrique est une piste (40) imprimée sur un substrat (46) et dans laquelle le composant résistif est un fil résistif (42) raccordé à la piste (40).

4. Ligne électrique selon la revendication 3, dans laquelle le fil résistif (42) est raccordé à la piste (40) uniquement aux deux extrémités (42a, 42b) du fil résistif (42).

5. Ligne électrique selon la revendication 3, dans laquelle le fil résistif (42) est raccordé à la piste (40) tout au long du fil résistif (42).

6. Ligne électrique selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle le conducteur électrique est une piste (40) imprimée sur un substrat (46), la ligne électrique comprenant plusieurs composants résistifs (50, 52, 54) disposés le long de la piste (40).

7. Ligne électrique selon la revendication 6, dans laquelle les composants résistifs sont montés en surface sur des plots de brasage réalisés dans la piste (40).

8. Convertisseur de puissance comprenant plusieurs composants de commutation (T, D) et au moins une ligne électrique selon l’une des revendications précédentes, reliant une entrée ou une sortie du convertisseur à au moins un des composants de commutation (T, D).

9. Convertisseur de puissance selon la revendication 8, le convertisseur étant un onduleur (14) à plusieurs branches (14u, 14v, 14w) reliées entre deux entrées (+, -) de l’onduleur (14), dans lequel une ligne électrique selon l’une des revendications 1 à 7 relie chaque entrée à chaque branche.