FR2884368A1 - Convertisseur tension-tension comportant un circuit d'aide la commutation et procede de fonctionnement dudit convertisseur tension-tension - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un circuit d'aide à la commutation pour un convertisseur (20) tension - tension. Ce convertisseur (20) comporte un interrupteur principal (23), une inductance principale (24), une diode principale (25). Le circuit d'aide à la commutation (27) est relié en parallèle à l'interrupteur principal. Le circuit d'aide à la commutation comporte une inductance (28) et un interrupteur (29) relié directement l'un à l'autre. Cette Liaison directe de l'inductance (28) avec l'interrupteur (29) supprime les pertes de commutation du convertisseur (20).
Description
Convertisseur tension - tension comportant un circuit d'aide à la
commutation
et procédé de fonctionnement dudit convertisseur tension - tension.
La présente invention a pour objet un circuit d'aide à la commutation pour convertisseur tension - tension. Le domaine de l'invention est celui des convertisseurs utilisés pour l'adaptation de la tension et pour la correction de facteur de puissance. L'invention trouve des applications particulièrement avantageuses, mais non exclusive, dans le domaine des topologies de convertisseur hacheur parallèle ou convertisseur 'boost" en anglais ou de convertisseur hacheur série ou convertisseur "buck" en anglais ou de convertisseur hacheur à stockage inductif ou convertisseur "buck-boost" en anglais.
Dans l'état de la technique, il existe des circuits d'aide à la commutation limitant les pertes d'énergies dues à la commutation dans un convertisseur tension - tension. La plus part de ces circuits d'aide à la commutation utilise le même principe de base.
Un exemple de convertisseur comportant un circuit d'aide à la commutation, de l'état de la technique, est décrit dans le document FR-A-2 852 463. Ce convertisseur est représenté sur la figure 1. Plus précisément, la figure 1 représente schématiquement une topologie d'un convertisseur comportant un circuit d'aide à la commutation existant. Dans cet exemple, par mesure de simplification, le convertisseur est un hacheur parallèle. Il est bien entendu que le convertisseur peut être aussi un convertisseur hacheur série ou un convertisseur hacheur à stockage inductif.
Ce type de convertisseur 1 est aujourd'hui fréquemment utilisé dans les systèmes, basse tension, alimentés à partir d'un réseau redressé ou de piles ou de batteries. Ce convertisseur 1 comporte une entrée 2 à laquelle une tension d'entrée Ve est appliquée. II comporte aussi une sortie 3 à laquelle une tension de sortie Vs est appliquée. Dans cet exemple, la tension de sortie Vs est supérieure à la tension d'entrée Ve.
Le convertisseur 1 fournit la tension Vs adaptée à une charge 4. Le convertisseur 1 convertie une tension continue en une tension continue. Le convertisseur 1 comporte un interrupteur principal 5. Cet interrupteur principal 5 est un transistor, commutant à une haute fréquence. Le convertisseur 1 comporte aussi une inductance principale 6, une diode principale 7 et un condensateur de sortie 8. Ce condensateur de sortie 8 est un condensateur chimique. L'interrupteur principal 5, l'inductance principale 6 et la diode principale 7 forment la structure principale du convertisseur 1.
Le convertisseur 1 comporte un circuit d'aide à la commutation 9. Le circuit 9 a le même principe de fonctionnement que les circuits d'aide à la commutation de l'état de la technique. Le circuit 9 est destiné à assister la commutation, en ouverture et en fermeture, de l'interrupteur principal 5 et de la diode principale 7. Ce circuit 9 comporte une première diode 10 et un premier condensateur 11 branché en parallèle avec l'interrupteur principal 5.
Le circuit 9 comporte un interrupteur d'aide 12 branché en antiparallèle avec une deuxième diode 13 et un deuxième condensateur 14. Le circuit 9 comporte une inductance d'aide 15 et un troisième condensateur 16. Dans l'état de la technique quel que soit le circuit d'aide à la commutation, l'interrupteur d'aide 12 est toujours relié à l'inductance d'aide 15 par une diode d'aide 17. Le circuit 9 comporte également une quatrième diode 18 et une cinquième diode 19.
Ce type de convertisseur 1 avec le circuit d'aide à la commutation 9 présentent des inconvénients sur le plan pratique, même si sur le plan théorique ils marchent bien. Ces inconvénients sont, en général, liés à la perte d'énergie due à la commutation.
En mode de fonctionnement, le convertisseur 1 présente une capacité parasite en parallèle à l'inductance d'aide 15. Il s'est avéré que cette capacité parasite est essentiellement due aux bobinages de l'inductance d'aide 15 et aux couches du circuit imprimé. La fermeture de l'interrupteur principal 5 suivi de l'ouverture de l'interrupteur d'aide 12, provoque le blocage des diodes 17, 18 et 19. Ce blocage de la diode d'aide 17 permet de ne pas avoir un courant inverse dans l'inductance d'aide 15. Cependant, le recouvrement de ladite diode et la mise en parallèle entre l'inductance d'aide 15 et sa capacité parasite provoquent une inversion de tension rapide sur les bornes de l'inductance d'aide 15. Cette inversion de la tension provoque ainsi une surtension sur la diode d'aide 17.
Cette pointe de surtension sur la diode d'aide 17 peut provoquer la destruction de ce composant et aussi déclencher des phénomènes parasites secondaires. Ces phénomènes parasites, on les retrouve sur la plus part des composants du convertisseur provoquant leur destruction.
2884368 3 Autrement dit, lors de l'ouverture de l'interrupteur d'aide 12, le recouvrement de la diode d'aide 17 associé à une forte surtension génèrent des pertes très élevées. De ce fait, la diode d'aide 17 chauffe ce qui provoque sa destruction ou sa durée de vie diminue. Cette surtension de la diode d'aide 17 génère des résonances parasites secondaires. Ces résonances parasites consomment inutilement de l'énergie diminuant de la même manière le rendement du convertisseur 1. Les résonances parasites secondaires provoquent aussi des surtensions sur les autres composants, réduisant ainsi leur rendement et durée de vie.
La figure 1 est une des topologies théoriques des circuits d'aide à la commutation existants qui dans la pratique ne marche pas. L'état de la technique ne résout pas le problème de surtension de la diode d'aide 17. La puissance croissante des convertisseurs actuels met en évidence le besoin d'un circuit d'aide à la commutation efficace réduisant au minimum les pertes de commutation.
L'invention a justement pour but de remédier ce problème de surtension de la diode d'aide 17 de l'état de la technique. Elle propose une nouvelle structure de circuit d'aide à la commutation. Dans cette nouvelle structure du circuit d'aide à la commutation, la diode d'aide 17, de l'état de la technique, est supprimée et la capacité parasite de l'interrupteur d'aide 12 est augmentée par l'ajout d'un condensateur en parallèle. Avec ces modifications, on se permet délibérément d'avoir un courant en sens inverse. Cette suppression de la diode d'aide 17 entraîne une liaison directe entre l'interrupteur d'aide 12 et l'inductance d'aide 15.
Cette suppression de la diode d'aide 17 provoque, dans l'état de la technique, un courant résonant entre l'inductance d'aide 15 et le deuxième condensateur 14. Dans l'invention, cette résonance est arrêtée par la mise en conduction de la deuxième diode 13 établissant un courant en sens inverse sur l'inductance d'aide 15 en passant par l'interrupteur principal 5.
Lors de l'ouverture de l'interrupteur principal 5, l'énergie emmagasinée dans l'inductance d'aide 15 est transférée vers le premier condensateur 11. Et une fois que la diode principale 7 est en conduction, cette énergie emmagasinée est transférée vers le condensateur de sortie 8.
Sur le plan théorique, un courant résonnant en sens inverse crée un 35 circuit résonnant. Mais, dans la pratique, cette nouvelle structure du circuit 2884368 4 d'aide à la commutation de l'invention contrôle ce courant résonant en sens inverse. L'invention résout également le problème de capacités parasites sans créer de circuit résonant.
Avec la suppression de la diode d'aide 17, le fonctionnement du convertisseur change. Les amplitudes de commutations sont différentes par rapport aux amplitudes de commutations des convertisseurs de l'état de la technique. Ces différences modifient légèrement la commande des interrupteurs car, le rendement étant amélioré, une correction différente est nécessaire.
De façon plus précise l'invention a pour objet un convertisseur tension tension muni d'un circuit d'aide à la commutation, ledit convertisseur tension - tension comportant: - un interrupteur principal, -une inductance principale, - une diode principale, - l'interrupteur principal, l'inductance principale et la diode principale sont reliés en étoile en une jonction principale, - le circuit d'aide à la commutation est relié en parallèle à l'interrupteur principal, caractérisé en ce que le circuit d'aide à la commutation comporte - une inductance d'aide, un interrupteur d'aide reliés directement l'un à l'autre et en parallèle sur l'interrupteur principal, - une première diode reliée, d'une part, à la jonction directe entre l'inductance d'aide et l'interrupteur d'aide, et, d'autre part, à la diode 25 principale, - une deuxième diode et un premier condensateur montés en parallèle avec l'interrupteur principal, - une troisième diode et un deuxième condensateur montés en parallèle avec l'interrupteur d'aide L'invention concerne également un procédé de fonctionnement d'un convertisseur tension - tension comportant les étapes suivantes: - on fait osciller à l'aide d'un interrupteur principal une tension alternative disponible dans ce convertisseur, - on injecte cette tension alternative à une entrée d'une diode 35 principale de redressement, 2884368 5 - on dispose d'une tension continue convertie à la sortie de la diode principale, et - on assiste l'interrupteur principal à l'aide d'un interrupteur d'aide compris dans un circuit d'aide, - on limite un courant inverse dans l'interrupteur d'aide lors d'une ouverture de cet interrupteur d'aide, caractérisé en ce que - on fait résonner une inductance d'aide du circuit d'aide avec un condensateur du circuit d'aide.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent: - figure 1: un exemple, déjà décrite, de convertisseur tension tension muni d'un circuit d'aide à la commutation, de l'état de la technique.
- figure 2: une représentation d'un convertisseur tension -tension comportant un circuit d'aide à la commutation, selon l'invention, en mode de fonctionnement normal.
- Figure 3: une illustration des étapes de fonctionnement du convertisseur tension - tension de la figure 2.
- figure 4: une représentation d'un convertisseur tension -tension comportant un circuit d'aide à la commutation, selon l'invention, en mode de fonctionnement dégradé.
- Figure 5: une configuration du convertisseur tension - tension pouvant fonctionner selon différents modes de topologies comportant un circuit d'aide à la commutation, selon l'invention.
Dans l'exemple de la figure 2, le convertisseur tension - tension considéré a une topologie en hacheur parallèle. II est bien entendu que le convertisseur tension - tension, selon l'invention, peut avoir d'autres topologies comme, par exemple, en hacheur série ou en stockage inductif.
La figure 2 montre un convertisseur 20 tension - tension hacheur parallèle. Le convertisseur 20 comporte une entrée 21 à laquelle une tension d'entrée Ve est appliquée. Le convertisseur 20 comporte une sortie 22 à laquelle une tension de sortie Vs est appliquée. Dans l'exemple de la figure 2, la tension Vs est supérieure à la tension Ve.
Dans le cas, d'un convertisseur 20 en mode hacheur série, le 2884368 6 convertisseur 20 fournit une tension Vs à la sortie 22 inférieure à la tension Ve à l'entrée 21. Pour un convertisseur 20 en mode hacheur à stockage inductif, le convertisseur 20 fournit une tension Vs à la sortie 22 supérieure, inférieure ou égale à la tension Ve à l'entrée 21.
Le convertisseur 20 comporte un interrupteur principal 23. Cet interrupteur principal 23 peut être un transistor haute fréquence. L'interrupteur principal 23 peut être également un transistor basse fréquence. Dans l'exemple de la figure 2, l'interrupteur principal) 23 est un transistor haute fréquence. Ce type d'interrupteur principal 23 permet de réguler la tension de sortie ainsi que de corriger le facteur de puissance. L'interrupteur principal 23 est commuté périodiquement suivant les ordres d'un circuit de commande 100. Le circuit de commande 100 envoie les ordres 01 ou 02 au convertisseur 20 pour commander respectivement en fermeture ou en ouverture l'interrupteur principal 23. Le convertisseur 20 peut comporter une diode intégrée dans l'interrupteur principal 23.
Le convertisseur 20 comporte une inductance principale 24. L'inductance principale 24 est reliée par une première borne à l'entrée 21 et par une deuxième borne à l'interrupteur principal 23. Le choix d'un transistor haute fréquence, comme interrupteur principal 23, est destiné à réduire la taille de l'inductance principale 24. Dans un exemple, l'inductance principale 24 a une valeur de 80 microhenrys.
Le convertisseur 20 comporte une diode principale 25. Cette diode principale 25 est de préférence une diode dite diode de roue libre ou diode de récupération. La diode principale 25 est relié par son anode à une jonction principale JI entre l'inductance principale 24 et l'interrupteur principal 23. La diode principale 25, l'inductance principale 24 et l'interrupteur principal 23 sont reliés en étoile à la jonction principale JI.
Le convertisseur 20 comporte également un condensateur principal 26. Ce condensateur principal 26 est destiné à assurer le filtrage de la tension de sortie Vs. Le condensateur principal 26 est relié à la cathode de la diode principale 25 et à l'entrée 21. La tension de sortie Vs est prélevée aux bornes du condensateur principal 26.
L'inductance principale 24, l'entrée 21, la sortie 22, la diode principale ainsi que l'interrupteur principal 23 forment la structure principale du 35 convertisseur 20.
L'interrupteur principal 23 a la fonction d'un interrupteur ouvert ou fermé. Le signal de tension Ve appliqué aux bornes de l'inductance principale 24 est de préférence rectangulaire. Ce signal Ve définit un courant traversant l'inductance principale 24. Le condensateur principal 26 permet de stocker l'énergie de ce courant. La diode principale 25 est destinée à assurer la continuité du courant dans l'inductance principale 24 lors de l'ouverture de l'interrupteur principal 23.
Le convertisseur 20 comporte un circuit d'aide à la commutation 27. Ce circuit d'aide à la commutation 27 assiste la commutation de l'interrupteur principal 23 et de la diode principale 25, lorsque le circuit de commande 100 envoie respectivement les ordres 01 ou 02 pour l'ouverture ou la fermeture de l'interrupteur principal 23. Le circuit 27 est destiné à réduire la surtension dans l'interrupteur principal 23 lorsque ce dernier est commandé à l'ouverture et à réduire également le recouvrement de la diode principale 25.
Le circuit 27 comporte une inductance d'aide 28 et un interrupteur d'aide 29, parallèle à l'interrupteur principal 23, monté en série. Cet interrupteur d'aide 29 et cette inductance d'aide 28 sont reliés directement l'un à l'autre. Dans un mode de réalisation préféré, l'inductance d'aide 28 a une valeur de 2,5 microhenrys. L'interrupteur d'aide 29 est commandé en ouverture ou en fermeture par le circuit de commande 100. Le circuit de commande 100 envoie les ordres 03 ou 04 pour commander respectivement la fermeture ou l'ouverture de l'interrupteur d'aide 29.
Le circuit 27 comporte une première diode 30 relié par l'anode à une jonction d'aide J2 entre l'inductance d'aide 28 et l'interrupteur d'aide 29. Le circuit 27 comporte également une deuxième diode 33 et un premier condensateur 34. Dans un exemple, le premier condensateur 34 a une capacité de 66 nanofarads. La deuxième diode 33 et le premier condensateur 34 sont montés en parallèle avec l'interrupteur principal 23. La deuxième diode 33 permet de ne pas inverser la tension aux bornes de l'interrupteur principal 23.
Le circuit 27 comporte aussi une troisième diode 35 et un deuxième condensateur 36. Cette troisième diode 35 et ce deuxième condensateur 36 sont montés en parallèle avec l'interrupteur d'aide 29. La troisième diode 35 et le deuxième condensateur 36 sont destinés à protéger l'interrupteur d'aide 29, lors de l'ouverture ou de la fermeture de ce dernier.
2884368 8 Le circuit 27 peut comporter une quatrième diode 31 relié, d'une part, par l'anode à la cathode de la première diode 30 et, d'autre part, par la cathode à la cathode de la diode principale 25. Le circuit 27 peut comporter également un troisième condensateur 32 relié d'une part à la jonction principale J2 entre l'inductance principale 24 et la diode principale 25 et d'autre part entre la cathode de la première diode 30 et l'anode de la quatrième diode 31. La quatrième diode 31 permet de décharger et de limiter la tension du troisième condensateur 32. La capacité du troisième condensateur 32 est, de préférence, inférieure à la capacité du premier condensateur 34.
Le troisième condensateur 32 est connecté ou déconnecté d'une part de la jonction principale et d'autre part de la cathode de la première diode. Dans le cas où le troisième condensateur 32 est connecté, le circuit 27 est en mode de fonctionnement normal. Dans le cas où le troisième condensateur 32 est déconnecté, le circuit 27 est en mode de fonctionnement dégradé. Autrement dit, le circuit 27 est en mode de fonctionnement dégradé lorsque le troisième condensateur 32 et la quatrième diode 31 sont enlevés ou inutilisés. Dans l'exemple de la figure 2, le troisième condensateur 32 est connecté de la jonction principale et de la cathode de la première diode.
Le fait de ne pas avoir de chemin de conduction bloqué par une diode, telle que la diode d'aide 17 de la figure 1, permet une évolution des phénomènes de résonances. Dans le circuit 27 de l'invention, l'évolution de ces phénomènes de résonances est maîtrisée. Cette maîtrise des phénomènes de résonance permet de ne pas perturber le fonctionnement du convertisseur 20.
La figure 3 montre les différentes étapes de fonctionnement du convertisseur 20 de la figure 2. La figure 3 montre sur un même chronogramme l'évolution dans le temps du fonctionnement des différents éléments composant le convertisseur 20.
Au moment ou commence le cycle à l'instant t0, le chronogramme venait d'un cycle précédent à l'instant t12.
A l'instant t12 l'interrupteur principal 23 et l'interrupteur d'aide 29 sont ouverts. A l'ouverture de l'interrupteur principal 23, il se produit une surtension Ldi/dt d'autant plus importante que la coupure du courant est 2884368 9 rapide. L est la valeur de l'inductance principale 24. Cette surtension peut entraîner un défaut de fonctionnement de l'interrupteur principal 23, voire sa destruction.
Pour éviter cela, L'inductance principale 24 délivre l'énergie qu'il a emmagasinée par l'intermédiaire de la diode principale 25. Cette diode principale 25 est dans l'exemple de la figure 2, une diode de roue libre. De ce fait, le circuit principal du convertisseur 20 est en roue libre à l'instant t12 - t0.
Pour réaliser la fermeture de l'interrupteur principal 23 sans pertes de commutations, l'interrupteur d'aide 29 est d'abord fermé avant la fermeture de l'interrupteur principal 23. Cette fermeture de l'interrupteur d'aide 29 permet de mieux maîtriser les courants de recouvrements de la diode principale 25. Elle permet également d'éviter un court circuit de la tension de sortie Vs.
Dans le cas où l'interrupteur principal est fermé avant la fermeture de l'interrupteur d'aide 29, le court circuit de la tension de sortie Vs entraîne une annulation rapide du courant de la diode principale 25, alors qu'elle est en conduction, avec un courant important. Dans ce cas, la diode principale 25 se met à conduire en inverse. Ce courant inverse est le courant de recouvrement de la diode principale 25. De ce fait, la diode principale 25 risque d'avoir des pics de courants assez élevés. Ces pics de courants provoquent des surtensions sur beaucoup de composants du convertisseur 20, en plus des pertes d'énergie importantes. Pour éviter cela, à l'instant t0 l'interrupteur d'aide 29 est fermé avant l'interrupteur principal 23.
De ce fait à l'instant t0, l'interrupteur d'aide 29 reçoit l'ordre 03 du circuit de commande 100 qui le commande en fermeture. L'énergie emmagasinée dans l'inductance principale 24 se décharge vers la diode principale 25 afin de continuer à alimenter la sortie 22. L'inductance principale 24 a une valeur suffisamment grande pour considérer le courant qui la traverse comme étant constant, c'est à dire qu'il a une forme de palier.
Lorsque la diode principale 25 est en conduction, le premier condensateur 34 et le condensateur principal 26 sont en parallèle. Le condensateur principal 26 a une capacité beaucoup plus grande que celle du premier condensateur 34, de ce fait, le condensateur principal 26 impose la tension de sortie sur le premier condensateur 34. Le courant dans l'inductance d'aide 28 croit linéairement et par conséquent celle de la diode principale 25 décroît, dans le même rapport. Le courant de la diode principale 25 décroît avec une pente di/dt contrôlée.
A l'instant t1, le courant de recouvrement de la diode principale 25 est minimisé voire supprimé. La diode principale 25 est donc bloquée avec des pertes minimales. Ce problème de recouvrement est beaucoup minimisé dans l'état de la technique.
Le premier condensateur 34 n'est plus en parallèle avec le condensateur de sortie 26, le premier condensateur 34 se met à conduire. L'inductance d'aide 28 se met alors à résonner avec le premier condensateur 34. Le premier condensateur 34 commence à transférer son énergie accumulée sur l'inductance d'aide 28, augmentant le courant du premier condensateur 34. Une fréquence de résonance du premier condensateur 34 avec l'inductance d'aide 28 est très nettement supérieure à une fréquence de hachage du convertisseur principal. Dans un exemple, la fréquence de hachage du convertisseur est de 30 kHz et celle du circuit résonant est de 2 GHz.
La tension du premier condensateur 34 diminue avec la résonance du premier condensateur 34 avec l'inductance d'aide 28. La tension du premier condensateur 34 est le même que celle de l'interrupteur principal 23.
A l'instant t2 la tension du premier condensateur 34 arrive à zéro, à partir de cet instant l'interrupteur principal 23, qui est à une tension nulle, peut être commandé en fermeture par le circuit de commande 100.
Dans un mode de réalisation, cette fermeture du interrupteur principal 23 se fait par la mesure du temps nécessaire à la tension du premier condensateur 34 pour s'annuler.
Dans un autre mode de réalisation, cette fermeture de l'interrupteur principal 23 se fait par la mesure de la tension du premier condensateur 34 par un circuit analogique ou par un microprocesseur dans un générateur. Dans un exemple, l'interrupteur principal 23 est commandé en fermeture sans risque de pertes d'énergie importantes, au moment où la tension du premier condensateur 34 est égale à environs 30 volts.
La deuxième diode 33 se met en conduction. Dés que la tension du premier condensateur 34 est égale à zéro, la deuxième diode 33 stoppe le déchargement du premier condensateur 34 afin que ce dernier ne continue pas de résonner dans les valeurs négatives. La conduction de la deuxième diode 33 entraîne une chute brutale du courant du premier condensateur 34. Le courant de la deuxième diode 33 devient passant en ce moment là.
La tension aux bornes de l'interrupteur principal 23 est égale à zéro. On se retrouve donc dans des conditions idéales pour commuter l'interrupteur principal 23.
A l'instant t3, l'interrupteur principal 23 reçoit l'ordre 01 du circuit de commande 100 qui le commande en fermeture. Malgré la fermeture de l'interrupteur principal 23, le courant continue de passer dans l'inductance d'aide 28. L'interrupteur principal 23 ne conduit pas. Le courant passe dans la deuxième diode 33, antiparallèle à l'interrupteur principal 23. Cette deuxième diode 33 protège l'interrupteur principal 23, au moment de la fermeture de ce dernier.
A l'instant t4, on est dans les conditions idéales pour commander en ouverture l'interrupteur d'aide 29. L'interrupteur d'aide 29 reçoit l'ordre 04 du circuit de commande 100 qui le commande en ouverture. Au moment de l'ouverture de l'interrupteur d'aide 29, le deuxième condensateur 36 commence à se charger. Ce deuxième condensateur 36 est destiné à protéger l'interrupteur d'aide 29 des surtensions. Le deuxième condensateur 36 réduit les surtensions de l'interrupteur d'aide 29 au rnoment de l'ouverture de ce dernier. Le deuxième condensateur 36 réduit les surtensions de manière très adoucit jusqu'à la conduction de la première diode 30.
La tension de l'interrupteur d'aide 29 commence à monter de manière contrôlée. La tension de la première diode 30 est nulle. Le troisième condensateur 32 commence à se charger. De ce fait le deuxième condensateur 36 et le troisième condensateur 32 sont en parallèle renforçant de la même manière le contrôle de la surtension sur l'interrupteur d'aide 29.
A l'instant t5 la tension du troisième condensateur 32 et du deuxième condensateur 36 dépassent la tension de sortie Vs, la quatrième diode 31 se met à conduire.
Entre les instants t5 et t6, l'énergie résiduelle de l'inductance d'aide 28 est déchargée vers la sortie 22 pour être remis en circulation. Cette énergie est remise sous forme de courant et décroît linéairement. Ce courant traverse la première diode 30 et la quatrième diode 31.
A l'instant t6, l'interrupteur principal 23 commence à conduire. Le courant du interrupteur principal 23 croit linéairement.
A l'instant t7, la première diode 30 et la quatrième diode 31 se bloquent dès que l'énergie emmagasinée sur l'inductance d'aide 28 a fini de se décharger. Les courants des diodes 30 et 31 s'annulent. L'interrupteur principal 23 est en conduction.
Le deuxième condensateur 36 se met à résonner avec l'inductance d'aide 28. Le premier condensateur 34 n'entre pas dans la résonance car il est court-circuité par l'interrupteur principal 23. Le premier condensateur 34 permet de protéger l'interrupteur principal 23 au moment de l'ouverture de ce dernier.
Une nouvelle résonance s'établit dans le sens contraire des courants que l'on avait jusque là. Le deuxième condensateur 36 commence à se décharger. Le courant du deuxième condensateur 36 est alors négatif et il se décharge.
A l'instant t8 le deuxième condensateur 36 arrive à tension zéro et la troisième diode 35 se met en conduction. Un courant de sens négative résiduel reste dans l'inductance d'aide 28. Ce courant traverse aussi la troisième diode 35 et l'interrupteur principal 23.
Entre les instants t8 et t9, le régime du convertisseur 20 est stable. II n'y a plus de résonance dans le convertisseur 20. En régime stable, l'inductance principale 24 se charge de courant.
Toutes ces étapes précédentes permettent la fermeture de l'interrupteur principal 23 tout en évitant tous les problèmes de commutations dus à la fermeture des interrupteurs.
A l'instant t9, l'interrupteur principal 23 peut être commandé en ouverture par le circuit de commande 100. L'interrupteur principal 23 reçoit l'ordre 02 du circuit de commande 100 le commandant en ouverture.
A l'instant t10, le courant coupé par l'interrupteur principal 23 est dévié sur le premier condensateur 34, et de ce fait il commence à se charger. Le premier condensateur 34 permet de contrôler la croissance de la tension aux bornes de l'interrupteur principal 23. Au même instant le troisième condensateur 32 décharge son énergie précédemment stockée via laquatrième diode 31. L'énergie emmagasinée dans l'inductance d'aide 28 est transférée vers le premier condensateur 34 et vers le condensateur de sortie 22.
A l'instant 01, le troisième condensateur 32 est déchargé et la tension à ses bornes s'annule. De ce fait, la tension de la diode principale 25 s'annule aussi. La diode principale 25 peut alors entrer en conduction.
Entre les instants t11 et t12, la diode principale 25 est en conduction et de ce fait le premier condensateur 34 est en parallèle avec le condensateur de sortie 26. Le condensateur de sortie 26 impose la tension sur le premier condensateur 34 qui ne peut plus résonner.
Afin d'éviter certains phénomènes de résonance parasite, une résistance de quelques kilo-ohms est mise, de préférence, en parallèle avec l'inductance d'aide 28. Cette résistance est destinée à amortir l'oscillation interne et les pertes qui lui sont associées sont négligeables.
A l'instant t12 un autre cycle peut commencer.
Finalement, cette topologie permet de localiser et de conduire toutes les énergies parasites dans les bons endroits pour éviter d'être consommée dans les conductions des interrupteurs.
Avec l'invention, les résonances se neutralisent sans créer de problèmes de surtension.
La figure 4 montre le convertisseur 20 comportant le circuit d'aide à la commutation 27 de l'invention. La topologie du convertisseur 20, dans l'exemple de la figure 4, est un hacheur parallèle. Le convertisseur 20 comporte les mêmes éléments que ceux de la figure 2. Mais, le troisième condensateur 32 est déconnecté d'une part de la jonction principale et d'autre part de la cathode de la première diode, entraînant un fonctionnement dégradé du convertisseur 20. Dans un mode de réalisation préféré, le troisième condensateur 32 et la quatrième diode 31 sont supprimés. Dans un autre mode de réalisation, le condensateur 32 est supprimée et les diodes 31 et 30 de la figure 2 sont en série et peuvent être toutes les deux intégrées dans une même diode, par exemple la première diode 30.
Ce mode de fonctionnement dégradé du convertisseur 20 a les mêmes caractéristiques que le mode de fonctionnement normal du convertisseur 20. Le troisième condensateur 32 étant déconnecté, tous les phénomènes, où il participait, seront moins adoucis. Ce mode de fonctionnement dégradé du convertisseur 20 permet aussi de résoudre le problème du courant inversé qui passe dans l'inductance d'aide 28.
La figure 5 montre un convertisseur hybride 40 fonctionnant en hacheur parallèle ou série ou à stockage inductif comportant un circuit d'aide à la commutation 27, selon l'invention.
Ce convertisseur hybride 40 est, de préférence, destiné pour de nouveaux générateurs. Ces générateurs ont une puissance pouvant aller jusqu'à 30 kW. Ces générateurs sont destinés pour de petites et moyennes puissance.
Le convertisseur hybride 40 comporte une cellule de commutation. Cette cellule de commutation comporte une diode 41, une diode 42, la diode principale 25, l'interrupteur principal 23 ainsi que l'inductance principale 24.
Le convertisseur hybride 40 comporte également les interrupteurs 43 et 44. La configuration du convertisseur hybride 40 dépend des interrupteurs 43 et 44. Les interrupteurs 43 et 44 permettent de sélectionner la configuration du convertisseur hybride 40 parmi une configuration de hacheur série, une configuration de hacheur parallèle ou une configuration de hacheur à stockage inductif. Quelle que soit la configuration sélectionnée la cellule de commutation utilise toujours l'interrupteur principal 23.
Dans l'exemple de la figure 5, le convertisseur hybride 40 comporte un circuit d'aide à la commutation 27, selon l'invention. Le circuit d'aide à la commutation 27 assiste la fermeture de la diode principale 25 dans le mode hacheur parallèle et la diode 41 dans le mode hacheur série ou à stockage inductif.
En fonction du mode de hacheur sélectionné, le circuit 27 adapte automatiquement le mode de fonctionnement normal ou dégradé le plus adéquat audit mode de hacheur sélectionné. Le circuit 27 permet une commutation sans pertes au convertisseur hybride 40.
Dans un exemple, le circuit 27 est en fonctionnement normal quand le convertisseur hybride 40 a une configuration de hacheur parallèle. Le circuit 27 est en fonctionnement dégradé lorsque le convertisseur hybride 40 a une configuration hacheur série. Et le circuit 27 est en fonctionnement dégradé lorsque le convertisseur hybride 40 a une configuration de hacheur à stockage inductif.
Le circuit d'aide à la commutation 27 de l'invention peut s'appliquer à tous les types de topologies, de convertisseurs tension -tension, existants.
Dans la structure du circuit 27, les composants peuvent être remplacés par des composants correspondants. De même d'autres composants peuvent être intercalés entre les composants décrits du circuit 27. A6
Claims (11)
1 - Convertisseur tension - tension (1, 20,40) muni d'un circuit d'aide à la commutation (9, 27) s ledit convertisseur tension - tension comportant: - un interrupteur principal (5, 23), - une inductance principale (6, 24), - une diode principale (7, 25), - l'interrupteur principal, l'inductance principale et la diode principale lo sont reliés en étoile en une jonction principale (J1), - le circuit d'aide à la commutation est relié en parallèle à l'interrupteur principal, caractérisé en ce que le circuit d'aide à la commutation comporte - une inductance d'aide (28), un interrupteur d'aide (29) reliés directement l'un à l'autre et en parallèle sur l'interrupteur principal, - une première diode (30) reliée, d'une part, à une jonction directe (J2) entre l'inductance d'aide et l'interrupteur d'aide, et, d'autre part, à la diode principale, - une deuxième diode (33) et un premier condensateur (34) montés en 20 parallèle avec l'interrupteur principal, - une troisième diode (35) et un deuxième condensateur (36) montés en parallèle avec l'interrupteur d'aide.
2 - Convertisseur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'if comporte: - une quatrième diode (31) relié par une anode à une cathode de fa première diode, et - un troisième condensateur (32) relié, d'une part, à la jonction principale et, d'autre part, à la cathode de la première diode.
3 - Convertisseur selon la revendication 2 caractérisé en ce que la 30 capacité du troisième condensateur est inférieure à la capacité du premier condensateur.
4 - Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (100) pour que l'interrupteur d'aide du circuit d'aide à la commutation soit d'abord fermé ou ouvert respectivement avant la fermeture ou ['ouverture de l'interrupteur principal.
- Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'inductance principale est supérieure à l'inductance d'aide du circuit d'aide à la commutation.
6 - Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la fréquence de résonance du premier condensateur avec l'inductance d'aide est très nettement supérieure à la fréquence de hachage du convertisseur principal.
7 - Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 l0 caractérisé en ce qu'il comporte des interrupteurs (23, 43, 44) pour le configurer sélectivement selon une parmi les configurations suivantes: une configuration de hacheur parallèle, - une configuration de hacheur série, - une configuration de hacheur à stockage inductif.
8 - Convertisseur, selon la revendication 2 et la revendication 7 ensemble, caractérisé en ce que le troisième condensateur est déconnecté d'une part de la jonction principale et d'autre part de la cathode de la première diode, lorsque le convertisseur est dans une configuration de hacheur série ou dans une configuration de hacheur à stockage inductif.
9 - Convertisseur, selon la revendication 2 et la revendication 7 ensemble, caractérisé en ce que le troisième condensateur est connecté d'une part de la jonction principale et d'autre part de la cathode de la première diode, lorsque le convertisseur est dans une configuration de hacheur parallèle.
10 - Procédé de fonctionnement d'un convertisseur tension -tension (1, 20, 40) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - on fait osciller à l'aide d'un interrupteur principal (5, 23) une tension alternative disponible dans ce convertisseur, - on injecte cette tension alternative à une entrée d'une diode principale (7, 25) de redressement, - on dispose d'une tension continue convertie à la sortie de la diode principale, et -on assiste l'interrupteur principal à l'aide d'un interrupteur d'aide (12, 35 29) compris dans un circuit d'aide (9, 27), ÀS - on limite un courant inverse dans l'interrupteur d'aide lors d'une ouverture de cet interrupteur d'aide, caractérisé en ce que - on fait résonner une inductance d'aide (15, 28) du circuit d'aide avec 5 un condensateur (36) du circuit d'aide.
11 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que -on fait résonner le circuit d'aide jusqu'à ce que la tension du condensateur du circuit d'aide soit égale à zéro, et alors - on ouvre l'interrupteur principal.
l0 12 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 11, caractérisé en ce que - on transfère une énergie emmagasinée dans l'inductance d'aide dans un condensateur (34) du circuit d'aide et dans un condensateur de sortie (8, 26) du convertisseur.
13 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que - on fait résonner le circuit d'aide à une fréquence très nettement supérieure à une fréquence d'oscillation du convertisseur.
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