FR2895167A1 - Systeme d'alimentation continue avec reserve d'energie optimisee - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif d'alimentation pour équipements électroniques comportant :- un convertisseur primaire (10) de tension connecté par une entrée à un réseau primaire (Ra) d'alimentation et fournissant à une sortie connectée sur un bus intermédiaire (20) une tension continue prérégulée V1 ;- au moins un convertisseur secondaire (Cv1, Cv2,... Cvn) connecté par une entrée au bus intermédiaire et fournissant à une sortie une tension régulée d'alimentation des appareillages électriques ;- un dispositif de réserve d'énergie connectée au bus intermédiaire,Le dispositif de réserve d'énergie comporte, en outre, un convertisseur bi-directionnel (50) en courant continu DC/DC de rapport de conversion k entre la tension V1 à un accès A1 du convertisseur connecté au bus intermédiaire et une tension V2 à un autre accès A2 du convertisseur connecté à une capacité de réserve, les courants I1, I2 passant par chaque accès du convertisseur bi-directionnel changeant respectivement de sens en fonction du niveau de la tension V1, un système de contrôle (60) gérant les échanges énergétiques entre les tensions V1 et V2 qui permet de maintenir une relation pré-déterminée entre V1 et V2 qui soit linéaire, affine, affine par morceau ou une loi quelconque.Applications : alimentation d'équipements embarqués.
Description
SYSTEME D'ALIMENTATION CONTINUE AVEC RESERVE D'ENERGIE OPTIMISEE
L'invention est relative aux dispositifs d'alimentation en courant continu notamment pour I'alimentation electrique d'appareillages embarques dans les aeronefs. Les appareils electroniques ont besoin pour leur fonctionnement de differentes tensions d'alimentation electriques regulees. Ces tensions alimentent des sous-ensembles des appareils, par exemple des processeurs, memoires, circuits numeriques ou analogiques. Les dispositifs d'alimentation a sorties multiples regulees de I'etat de fart comportent un convertisseur primaire connecte, par une entree reseau, sur un reseau en courant continu ou en courant alternatif. Le convertisseur comporte une sortie preregulee en courant continu alimentant a partir du reseau plusieurs convertisseurs secondaires fournissant les tensions continues regulees necessaires au fonctionnement des appareils embarques. La figure 1 montre un dispositif d'alimentation de I'etat de fart d'un 20 appareillage electrique pour aeronef. Le dispositif de la figure 1 comporte un convertisseur primaire 10 raccorde par une entree a un reseau Ra d'alimentation en continu ou en alternatif. Le convertisseur primaire 10 fourni a une sortie Sc une tension continue V1 preregulee pour alimenter, par un bus continu intermediaire 20, 25 les entrees des differents convertisseurs DC/DC Cv1, Cv2, ...Cvn fournissant des tensions respectives Vcl, Vc2, ...Vcn necessaires a I'alimentation des sous-ensembles de I'appareillage electronique. Dans le cas particulier des alimentations pour aeronef, le convertisseur primaire 10 assure la conversion d'energie a partir de la source 30 primaire en une tension continue isolee V1 du reseau primaire. Les convertisseurs secondaires alimentant les sous-ensembles (ou utilisateurs) sont de type non isoles. Les appareillages a alimenter sont souvent de type numerique tits sensibles aux microcoupures d'alimentation et aux temps de demarrage des 35 convertisseurs pendant lesquels les tensions d'alimentations ne sont pas encore stabilisees. A chaque coupure d'alimentation, les systemes doivent se reconfigurer (chargement des programmes en memoire volatile type SRAM ou SDRAM, tests d'initialisation ...) ce qui entraine des periodes d'indisponibilite des systemes. Pour rendre insensible les appareils electroniques embarques aux microcoupures et aux variations de tension pouvant se produire sur le reseau primaire, une reserve d'energie electrique est disposee au niveau du bus intermediaire 20. A cet effet, une capacite de reserve Cl est connectee entre le bus intermediaire 20 et un potentiel de reference du systeme d'alimentation, par exemple une masse M.
En fonctionnement normal, la capacite de reserve Cl (de valeur C1 en Farad) est chargee sous la tension VI (en volt) du bus intermediaire, sa reserve d'energie potentielle est exprime par la relation : E = 1/2. CI. V12 E etant I'energie en joules En cas de microcoupure ou de baisse de tension sur le reseau la capacite C1 fourni I'energie necessaire aux entrees des convertisseurs secondaires pendant le temps de la baisse de tension. La capacite C1 se decharge alors fournissant de I'energie aux convertisseurs secondaires pendant la duree de la perturbation du reseau. Pour une tension VI determinee du bus intermediaire, I'energie pouvant titre fournie par la capacite de reserve Cl pendant la duree de la baisse de tension pouvant titre toleree par le dispositif sans perturbation pour I'appareillage electronique depend de la valeur de la capacite de reserve Cl. Le dispositif de la figure 1 est habituellement realise sous forme d'une carte electronique inseree dans un rack. Dans les dispositifs d`alimentation de I'etat de fart, la capacite C1 peut atteindre plus de 30% du volume de la carte, ce qui represente un inconvenient important lorsqu'il s'agit de dispositifs d'alimentation embarques pour lesquels le poids et le volume sont des facteurs a prendre en compte.
Une solution pour diminuer le volume de la capacite de reserve C1 consisterait a adapter la tension VI du bus intermediaire aux tensions de fonctionnement de capacites de reserve presentant une densite energetique volumique importante, mais la gamme des tensions V1 du bus intermediaire est limitee du fait de ('utilisation de convertisseurs secondaires non isoles.
Par exemple dans le cas d'alimentations embarquees la tension du bus intermediaire est habituellement de 32 volts. Cette valeur de tension n'est pas un optimum des tensions de fonctionnement des condensateurs dans les technologies apportant la plus grande densite d'energie volumique, notamment pour les capacites electrochimiques. En outre, ('utilisation d'une autre tension du bus secondaire serait mal adaptee a une conversion secondaire compacte, simple et de faible coat. En effet un bus intermediaire de tension bien plus elevee ou bien plus faible que 32 volts obligerait a utiliser des convertisseurs secondaires isoles galvaniquement avec des rendements plus faibles, d'un coat et d'une complexite plus elevee ce qui est incompatible avec des contraintes dans les aeronefs. A fin de palier les inconvenients de dispositifs d'alimentation de I'etat de ('art, notamment les dispositifs destines a ('alimentation d'equipements embarques, ('invention propose un dispositf d'alimentation pour equipements electroniques comportant : - un convertisseur primaire de tension connecte par une entree a un reseau primaire d'alimentation de tension Ue et fournissant a une sortie connectee sur un bus intermediaire une tension continue preregulee VI ; - au moins un convertisseur secondaire connecte par une entree au bus intermediaire et fournissant a une sortie une tension regulee d'alimentation des equipements electroniques ; - un dispositif de reserve d'energie connectee au bus intermediaire, caracterise en ce que le dispositif de reserve d'energie comporte : - un convertisseur bidirectionnel en courant continu DC/DC de rapport de conversion k entre la tension VI a un acces Al du convertisseur connecte au bus intermediaire et une tension V2 a un autre acces A2 du convertisseur connecte a une capacite de reserve, les courant 11, 12 passant par chaque acces Al, A2 du convertisseur bidirectionnel changeant respectivement de sens en fonction des variations de la tension continue VI preregulee sur le bus intermediaire, le convertisseur comportant une entree Ec de controle du rapport de conversion k ; - un systeme de controle du rapport de conversion k par ('application, par le systeme de controle, d'un signal de commande a ('entree de controle 35 Ec du convertisseur, le systeme gerant les echanges energetiques entre le bus intermediaire (20) sous la tension VI et le dispositif de reserve d'energie sous la tension V2.
Le systeme de controle du rapport de conversion k est configure de 5 fawn a assurer une relation predeterminee entre les tensions VI et V2 qui soit lineaire, affine, affine par morceau ou une loi quelconque. Un principal objectif de cette invention est de pouvoir utiliser, pour la reserve d'energie du dispositif d'alimentation, des capacites ayant une grande energie volumique fonctionnant a leur tension optimale sans 10 changement de la tension de fonctionnement du bus intermediaire. D'autres objectifs de cette invention sont de diminuer le volume, le poids et le coat du dispositif d'alimentation embarque avec une reserve d'energie de niveau superieure a celle des dispositifs d'alimentation de I'etat de fart. 15 La figure 2 montre des distributions de densites energetiques volumiques (en joules/cm3) pour des condensateurs electrochimiques en fonction de la tension maximale admissible (en volts). On voit clairement sur la figure 2 qu'il y a des valeurs de tension qui permettent d'optimiser la reserve d'energie notamment autour de 100V et autour de 450V. Ces 20 tensions maximales sont assez differentes de la tension optimale de fonctionnement du bus intermediaire de I'ordre de 32 volts Par exemple, la figure 2 montre que pour une tension maximale appliquee a la capacite de reserve de 100volts I'energie volumique est d'environ 0.3 joules/cm3 alors que pour une tension maximale de 32 volts 25 (tension habituelle du bus intermediaire) I'energie volumique est de d'environ 0. 15 joules/cm3. Par consequent passer a une tension de stockage d'energie a 100V au lieu de 32 volts permet de diminuer dans un rapport d'environ deux le volume de la reserve d'energie. Inversement des capacites de bien plus faible tension (quelques volts 30 maximum) permettent aussi d'augmenter la densite energetique volumique des capacites (technologies super capacite par exemple). Le dispositif selon I'invention permet d'utiliser des capacites de stockage ayant une forte valeur d'energie emmagasinee a une tension de fonctionnement proche de leur valeur optimale sans changer la tension 35 optimale de fonctionnement du bus intermediaire.
L'invention sera mieux comprise a I'aide d'exemples de realisation de dispositifs d'alimentation selon I'invention en reference aux dessins indexes dans lesquels : - la figure 1, deja decrite, montre un dispositif d'alimentation de I'etat 5 de fart ; - la figure 2 montre des distributions de densites energetiques volumiques pour des condensateurs electrochimiques ; - la figure 3 represente un dispositif d'alimentation electrique multisources avec reserve d'energie selon I'invention ; 10 - la figure 4 montre un exemple de realisation d'un convertisseur bidirectionnel ; - la figure 5 montre une variante du dispositif de la figure 4 comportant un asservissement du rapport de conversion k. La figure 3 represente un dispositif d'alimentation electrique 15 multisources avec reserve d'energie selon ['invention. Le dispositif comporte le convertisseur primaire 10 connecte par une entree a un reseau d'alimentation primaire Ra, qui peut etre soit un reseau en courant continu soit un reseau en courant alternatif. Une sortie preregulee Sc du convertisseur primaire 10 est connectee a un autre reseau 20 d'alimentation 20 en courant continu destine a alimenter des convertisseur secondaires Cv1, Cv2, Cvi,...Cvn fournissant des tensions respectives Vcl, Vc2, Vci, ...Vcn d'alimentation des sous-ensembles d'un equipement electronique (non represente sur la figure). L'autre reseau 20 connecte en sortie Sc du convertisseur primaire est 25 appele communement bus intermediaire. Le convertisseur primaire est de type a isolement galvanique entre I'entree reseau et la sortie continue preregulee isolant ainsi electriquement les convertisseurs secondaires du reseau primaire. Les convertisseurs secondaires ne comportent pas d'isolation galvanique pour des raisons de 30 rendement et de coat. Le dispositif comporte, en outre : - un convertisseur bidirectionnel 30 comportant deux acces electriques Al, A2, et une entree de commande Ec du rapport de conversion k du convertisseur bidirectionnel, un des acces Al du convertisseur bidirectionnel 30 otant connecte sur le bus intermediaire sous la tension VI, I'autre acces A2 otant connecte sur une capacite de reserve C2 sous la tension V2 ; - un systeme de controle 31 fournissant un signal de controle du rapport k du convertisseur applique a ('entree Ec du convertisseur bidirectionnel. En pratique, le convertisseur bidirectionnel peut titre isole ou non isole. De fagon non limitative, les topologies d'un tel convertisseur peuvent titre de type Buck, Boost, Flyback, boost ou buck cellulaire bidirectionnel. Le convertisseur est bidirectionnel si les courants 11, 12 entrant respectivement par chacun des acces Al, A2 peut titre positif ou negatif. La figure 4 montre un exemple de realisation d'un convertisseur bidirectionnel de topologie de type buck-boost. Le convertisseur de la figure 4 comporte entre I'acces Al et ('acces A2, une self L et un premier interrupteur Iticonnectees en serie et un deuxieme interrupteur It2 connecte entre le point commun de la self et le premier interrupteur et un point de reference, par exemple la masse M. Le convertisseur bidirectionnel comporte des capacites de filtrage Cfl et Cf2 entre respectivement run Al et I'autre acces A2 et un point de reference, par exemple la masse M.
De facon connue les deux interrupteurs ItI, It2 sont commandos simultanement par une commande Cm et de telle fawn, que lorsqu'un des interrupteurs est ouvert, I'autre est fermo. Le rapport de conversion K du convertisseur controlant le rapport entre les tensions VI et V2 aux acces Al A2 est controle en chargeant le rapport cyclique d'ouverture et fermeture des interrupteurs. Dans le convertisseur de la figure 4 lorsque le courant 11 entrant par ('acces Al est positif, le convertisseur fonctionne en Boost (charge capacitive haute tension), lorsque le courant 11 est negatif le convertisseur fonctionne en Buck (decharge capacitive haute tension) Une reserve d'energie auxiliaire Cl plus faible que celle necessaire en totalite peut rester connectee en parallele sur le bus intermediaire pour la tenue aux microcoupures courtes et apporter de la stabilite au systeme. Dans un exemple de realisation du convertisseur bidirectionnel de la figure 4, la reserve d'energie haute tension C2 comporte 15 condensateurs de 330 pF sous 100 volts en aluminium electrolytique de diametre 12,5 mm. La capacite Cl connectee sur le bus intermediaire comporte 6 condensateurs electrochimiques de 1 mF sous une tension de 35 volts. Les capacites de filtrage Cf1 et Cf23 sont des capacites en ceramique de 1 pF. Les interrupteurs sont des MOS FET 150 volts.
Dans une premiere variante du dispositif selon ('invention, le rapport de conversion k est constant quelle que soit la tension VI. La tension sur I'acces A2 connectee a la capacite de reserve C2 est une tension V2 choisie selon le type de capacite utilisee de grande energie volumique. Le domaine de fonctionnement des convertisseurs secondaires Cv1, Cv2, ..Cvn est generalement pour un rapport 2 de leur tension d'entree VI. Si I'on utilise une relation purement proportionnelle entre VI et V2 dans le cas du convertisseur bidirectionnel avec rapport de conversion K constant on a alors la meme utilisation de la capacite de reserve C2 entre V2 et V2/2.
C2 = Valeur de capacite de reserve connectee sur I'acces A2 de tension V2. L'energie disponible dans C2 est : E =1/2. C2.V22 En fonctionnement, Iorsque la tension sur le bus varie de VI a V1/2, de la meme fagon, la tension sur la capacite de reserve varie de V2 a V2/2. La part d'energie transferee E de C2 vers Cl en phase de transparence est : 2 2 E =C2Lv-LJ 2qui se simplifie en : 1 E=-•C2.V22•-2 4 30 On utilise alors 75% de I'energie disponible dans C2, les 25% restant etant non disponibles. Le rapport de conversion k peut titre variable selon des lois de controle quelconques, la tension sur I'acces A2 connectee a la capacite de25 reserve (C2) etant une tension V2 choisie selon le type de capacite utilisee de plus grande energie volumique.
Au niveau du controle du convertisseur bidirectionnel, on peut aussi optimiser la recuperation d'energie sur le bus intermediaire en autorisant des modes de fonctionnement non lineaires entre la tension VI et la tension V2. Par exemple on peut utiliser des lois affines ou affines par morceau ou quelconques. Ceci permet un transfert d'energie entre la capacite connectee sur le bus de tension V2 vers le bus de tension VI plus complet que si ['on utilise une simple loi Iineaire.
Dans une autre variante du dispositif d'alimentation selon I'invention, on bascule le mode de fonctionnement du convertisseur bidirectionnel entre une simple loi proportionnelle entre VI et V2 (k constant) et un asservissement faisant varier le rapport k en fonction de VI .
Par exemple, dans le cas des alimentations pour equipements embarques les tensions VI sur le bus secondaire est de 32 volts. Dans une realisation du dispositif d'alimentation selon ('invention, les capacites de reserve fonctionnent avec une tension maximale V2 de 90 volts.
Si lors des phases de decroissance de la tension VI on asservit le convertisseur bidirectionnel en phase de reserve d'energie (energie fournie aux convertisseurs secondaires) pour decharger la capacite C2 on peut alors aller decharger cette capacite de reserve C2 jusqu'au moins une tension V2 bien inferieure a celle du convertisseur a rapport k constant, par exemple, a une tension minimum V2 de 28V au lieu des 45Volts (90volts/2) avec le convertisseur non asservi avec un rapport K=1/2.
L'energie transferee de C2 vers Cl en phase de transparence devient alors : E= •C2•V22.(1-k2) 2
avec k=28volts/90volts, ce qui nous donne dans ce cas E= 1 •C2•V22.0.903 30 2 L'energie fournie par la capacite de reserve est bien plus importante que dans le cas d'un rapport de conversion constant avec K =1/2. L'utilisation de la reserve d'energie a augmente de 15% avec I'asservissement du convertisseur bidirectionnel.
Concretement le changement de fonctionnement du convertisseur par son asservissement peut etre realise par un comparateur de tension connecte sur le bus VI qui fait basculer le mode de fonctionnement du convertisseur bidirectionnel entre une simple loi proportionnelle entre VI et V2 (k constant) et un asservissement faisant varier le rapport k en fonction de V1. La figure 5 montre une variante du dispositif de la figure 3 comportant un asservissement du rapport de conversion k. Le dispositif d'alimentation de la figure 5 comporte : - un convertisseur bidirectionnel 50 ayant les acces Al et A2 et une entree de controle Ec du rapport de conversion k ; - un systeme de controle 60 gerant les echanges energetiques entre les tensions VI et V2 qui permet une relation predeterminee entre VI et V2 qui soit, lineaire ou affine, ou affine par morceau, ou une loi quelconque.
Ce systeme de contrOle energetique 60, dans cet exemple, est realise par un comparateur de tension CT 54 entre la tension VI sur le bus intermediaire 20 et une tension de reference Vr appliquee au comparateur CT, le comparateur CT comportant une sortie Scp fournissant un signal de commande a I'entree de controle Ec du convertisseur bidirectionnel.
Par exemple, dans un fonctionnement du comparateur, lrsque la tension V1 sur le bus intermediaire est superieure a cette valeur de reference Vr le comparateur CT ne fournit aucun un signal de commande au convertisseur bidirectionnel, le rapport de conversion k du convertisseur reste a une valeur constante preetablie kc, dans cette phase, la tension V2 est proportionnelle a V1. Lorsque la tension VI devient inferieure au seuil Vr le comparateur fournit un signal de commande au convertisseur bidirectionnel 50 faisant varier le rapport k, diminuant ce rapport de kc a kv. Avec les precedentes tensions de fonctionnement V2 de la capacite 30 de reserve a 90volts, le rapport k peut varier de :
kc =90volts/32volts = 2.813 pendant la phase proportionnelle jusqu'a kv= 28volts/l6volts = 1.75 pendant la phase d'asservissement.
Le dispositif d'alimentation selon I'invention comporte en outre I'avantage de ne pas dissiper de puissance significative pendant un fonctionnement normal sans perturbations car aucune puissance n'est transferee par le convertisseur bidirectionnel, donc pas de changement de rendement de I'alimentation. Le dispositif de reserve d'energie peut titre dote d'une limitation en courant afin de limiter le courant de charge et/ou de decharge de la capacite de reserve d'energie. Cette limitation en courant peut titre effectuee par detection crete superieure et/ou inferieure afin d'avoir une limitation bidirectionnelle.
Claims (11)
1. Dispositif d'alimentation pour equipements electroniques comportant : -un convertisseur primaire (10) de tension connecte par une entree a un reseau primaire (Ra) d'alimentation de tension Ue et fournissant a une ~o sortie connectee sur un bus intermediaire (20) une tension continue preregulee V1 ; - au moins un convertisseur secondaire (Cv1, Cv2,....Cvn) connecte par une entree au bus intermediaire et fournissant a une sortie une tension regulee d'alimentation des equipements electroniques ; 15 - un dispositif de reserve d'energie connectee au bus intermediaire, caracterise en ce que le dispositif de reserve d'energie comporte : - un convertisseur bidirectionnel (30, 50) en courant continu DC/DC de rapport de conversion k entre la tension VI a un acces Al du convertisseur connecte au bus intermediaire et une tension V2 a un autre acces A2 du 20 convertisseur connecte a une capacite de reserve (C2), Ies courants 11, 12 passant par chaque acces Al, A2 du convertisseur bidirectionnel changeant respectivement de sens en fonction des variations de la tension continue VI preregulee sur le bus intermediaire, le convertisseur comportant une entree Ec de contrOle du rapport de conversion k ; 25 - un systeme de contrOle (31, 60) du rapport de conversion k par ('application, par le systeme de contrOle, d'un signal de commande a ('entree de contrOle Ec du convertisseur, le systeme gerant les echanges energetiques entre le bus intermediaire (20) sous la tension VI et le dispositif de reserve d'energie sous la tension V2. 30
2. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caracterise en ce que le systeme de contrOle du rapport de conversion k est configure de fagon a assurer une relation predeterminee entre Ies tensions VI et V2 qui soit, lineaire, affine, affine par morceau ou une Ioi quelconque. 35
3. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caracterise en ce que le rapport de conversion k est constant (loi lineaire entre VI et V2), la tension sur Fames A2 connectee a la capacite de reserve (C2) etant une tension V2 choisie selon le type de capacite utilisee de plus grande energie volumique.
4. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caracterise en ce qu'on bascule le mode de fonctionnement du convertisseur bidirectionnel entre une simple loi proportionnelle entre VI et V2 (k constant) et un asservissement faisant varier le rapport k en fonction de VI.
5. Dispositif d'alimentation selon la revendication 4, caracterise en ce le systeme de controle (31, 60) du rapport de conversion k comporte : - un comparateur de tension CT (54) entre la tension VI sur le bus intermediaire (20) et une tension de reference Vr appliquee au comparateur CT, le comparateur comportant une sortie Scp fournissant un signal de commande a I'entree de controle Ec du convertisseur bidirectionnel et en ce que, lorsque la tension VI sur le bus intermediaire est superieure a cette valeur de reference Vr le comparateur CT ne fournit aucun un signal de commande au convertisseur bidirectionnel, le rapport de conversion k du convertisseur restant a une valeur constante preetablie kc, dans cette phase, la tension V2 proportionnel a Viet en ce que, lorsque la tension VI devient inferieure au seuil Vr le comparateur CT 25 fournit un signal de commande au convertisseur bidirectionnel (50) faisant varier le rapport k diminuant ce rapport de kc a kv.
6. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caracterise en ce que le rapport de conversion k est variable selon des lois de controle 30 quelconques, la tension sur I'acces A2 connectee a la capacite de reserve (C2) etant une tension V2 choisie selon le type de capacite utilisee de plus grande energie volumique.
7. Dispositif d'alimentation selon rune des revendications 1 a 5, 35 caracterise en ce que le convertisseur bidirectionnel (30, 50) est de typechoisi parmi les topologies Buck, Boost, Flyback, boost ou buck cellulaire bidirectionnel .
8. Dispositif d'alimentation selon rune des revendications 1 a 6, 5 caracterise en ce que les capacites de reserve (C2) fonctionnent avec une tension maximale V2 de 90volts.
9. Dispositif d'alimentation selon la revendication 8, caracterise en ce que le rapport k peut varier de : 10 kc =90 /32 = 2.81 pendant la phase proportionnelle jusqu'a kv= 28/16 = 1.75 pendant la phase d'asservissement.
10. Dispositif d'alimentation selon rune des revendications 1 a 9, caracterise en ce que le dispositif de reserve d'energie est dote d'une 15 limitation en courant afin de limiter le courant de charge et/ou de decharge de la capacite de reserve d'energie.
11. Dispositif d'alimentation selon la revendication 10, caracterise en ce que la limitation en courant est effectuee par detection crete superieure 20 et/ou inferieure afin d'avoir une limitation bidirectionnelle. 25 30 35
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