FR2932031A1 - Dispositif de precharge d'un convertisseur a decoupage, ensemble et aeronef le comportant. - Google Patents

Abstract

Le dispositif de précharge d'un convertisseur de tension (15) comporte un organe de précharge (3) adapté à présenter un état fermé ainsi qu'un organe de commande (4) dudit organe de précharge (3), ledit organe de précharge (3) étant adapté à fonctionner selon un état de précharge limitant la valeur du courant de précharge le traversant, ledit organe de commande (4) étant adapté à commander le fonctionnement de l'organe de précharge (3) selon l'état de précharge et, une fois ladite précharge réalisée, à commander le passage dudit organe de précharge (3) de l'état de précharge à l'état fermé. L'ensemble comporte un convertisseur (15) de tension à découpage et un tel dispositif disposé en entrée dudit convertisseur (15). L'aéronef est équipé d'un tel dispositif ou d'un tel ensemble.

Description

La présente invention concerne un dispositif de précharge d'un convertisseur à découpage. Les convertisseurs à découpage, tels que des onduleurs de tension destinés par exemple à alimenter des moteurs asynchrones, sont munis d'un ou plusieurs condensateurs qu'il est nécessaire de charger sous une tension d'alimentation continue nominale lors de la mise en fonctionnement du convertisseur ou avant sa mise en fonctionnement. Le convertisseur est associé à un dispositif de limitation de courant pour éviter, lors de l'application de la tension d'alimentation nominale, que le courant de charge des condensateurs n'atteigne une valeur largement supérieure à celle du courant nominal du convertisseur. En effet, une telle surintensité pourrait par exemple causer le déclenchement des protections situées en amont du convertisseur, des perturbations électromagnétiques transitoires, la détérioration du ou des condensateurs, etc. Ce dispositif de limitation de courant également appelé dispositif de précharge permet de charger le(s) condensateur(s) de l'onduleur sous un courant maîtrisé.

On connaît, notamment par la demande de brevet français AIRBUS publiée sous le numéro FR 2 907 983, de tels dispositifs de précharge comportant un organe de limitation de courant (le plus souvent une résistance de puissance) ainsi qu'un organe de précharge commandable à la fermeture et disposé en parallèle de l'organe de limitation de courant, cet organe étant un organe de commutation (tel qu'un relais, un transistor ou encore un thyristor). Initialement, l'organe de commutation est ouvert de sorte que le courant traverse l'organe de limitation de courant pendant la charge du ou des condensateurs. Une fois ces condensateurs chargés, l'organe de commutation est commandé à la fermeture afin de mettre en court-circuit l'organe de limitation de courant, le courant traversant alors l'organe de commutation fermé afin d'éviter les chutes de tension et de minimiser les pertes énergétiques.

L'invention vise à fournir un dispositif de précharge à la fois plus commode et plus compact. Elle propose à cet effet un dispositif de précharge d'un convertisseur de tension, ledit convertisseur étant adapté à transformer un signal de tension d'entrée en un signal de tension obtenu par découpage dudit signal de tension d'entrée, ledit dispositif comportant un organe de précharge adapté à présenter un état fermé ainsi qu'un organe de commande dudit organe de précharge ; caractérisé en ce que ledit organe de précharge est adapté à fonctionner selon un état de précharge limitant la valeur du courant de précharge le traversant, ledit organe de commande étant adapté à commander le fonctionnement de l'organe de précharge selon l'état de précharge et, une fois ladite précharge réalisée, à commander le passage dudit organe de précharge de l'état de précharge à l'état fermé. Dans le dispositif selon l'invention, l'organe de précharge présente ainsi non seulement un état fermé mais également un état de précharge dans lequel il est traversé par le courant de précharge, cet organe étant prévu pour ainsi limiter le courant de précharge. Cet organe remplit ainsi également la fonction de l'organe de limitation de courant de l'art antérieur tout en étant commandable pour prendre l'état fermé une fois la précharge réalisée. Il est ainsi possible dans ce dispositif de s'affranchir de cet organe de limitation de courant ce qui le rend moins encombrant (les moyens dissipatifs de puissance associés à l'organe de limitation du courant ne sont également bien entendu plus nécessaires). Ledit organe de précharge peut présenter un état ouvert empêchant le courant de précharge de le traverser, ledit organe de commande étant adapté à commander le passage dudit organe de précharge de l'état ouvert à l'état de précharge. L'organe de précharge permet ainsi, lorsqu'il n'est pas nécessaire de faire fonctionner le convertisseur, de déconnecter celui-ci de l'alimentation en tension continue ce qui permet de protéger cette alimentation d'un éventuel défaut du convertisseur et de protéger le convertisseur d'une éventuelle surtension de cette alimentation. Il est également possible de prévoir un organe de précharge comportant un transistor, ledit organe de commande étant adapté à commander le transistor en mode linéaire pour l'état de précharge et en mode saturé pour l'état fermé.

Les transistors sont particulièrement adaptés pour dissiper les puissances admissibles pour de tels convertisseurs alors que les résistances de puissance de l'art antérieur présentent en général des puissances admissibles réduites et sont d'un fort encombrement en particulier lorsqu'il s'agit de puissance impulsionnelle comme c'est le cas ici (durée de l'ordre de 0,05 à 3 secondes en général). Ledit organe de commande peut également comporter un condensateur et une résistance en série entre un point de connexion à relier audit convertisseur et une électrode du transistor.

Selon une autre caractéristique optionnelle, l'organe de commande comporte une alimentation auxiliaire reliée à une électrode du transistor, d'une part par une première résistance, et, d'autre part par une deuxième résistance, de valeur plus faible que la première résistance, et associée en série avec un organe de commutation adapté à être commandé à la fermeture lorsque le potentiel de ladite électrode du transistor dépasse une valeur de seuil prédéterminée. L'organe de commande est ainsi prévu pour éviter tout risque de retour à l'état de précharge en cas d'une montée brusque de la tension d'alimentation. Selon encore une autre caractéristique optionnelle, ledit organe de commande est adapté à réguler la variation de tension aux bornes dudit organe de précharge. La régulation de la tension aux bornes de l'organe de précharge permet de contrôler le courant de précharge. Il est ainsi possible, par exemple en régulant cette tension pour qu'elle varie linéairement par rapport au temps, de charger le convertisseur selon un courant constant. Ledit dispositif peut également comporter des moyens à couplage optronique de détermination de l'état dudit dispositif. L'invention vise également sous un deuxième aspect un ensemble de conversion de tension, caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur de tension à découpage et un dispositif de précharge dudit convertisseur tel qu'exposé ci-dessus disposé en entrée dudit convertisseur. Ledit convertisseur est par exemple un onduleur.

L'invention vise également sous un troisième aspect un aéronef équipé d'un dispositif ou d'un ensemble tels qu'exposés ci-dessus. L'exposé de l'invention sera maintenant poursuivi par la description détaillée d'un exemple de réalisation, donné ci-après à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique du dispositif de précharge selon l'invention et d'un onduleur auquel il est associé ; - les figures 2 à 5 sont quatre chronogrammes illustrant respectivement comment varient en fonction du temps la tension prise entre la grille et l'émetteur (VGE) d'un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) que comporte le dispositif de précharge ; la tension (Vc) aux bornes du condensateur de l'onduleur à charger ; le courant de charge du condensateur (Ic) ; et la puissance dissipée par le transistor bipolaire IGBT. - la figure 6 est une représentation schématique détaillée d'un organe de commande que comporte le dispositif de précharge illustré sur la figure 1 sur lesquels seuls les éléments principaux ont été représentés ; et - la figure 7 est une vue similaire à la figure 6 mais sur laquelle des moyens supplémentaires de commande et de détermination de l'état du dispositif de précharge sont également représentés.

Le dispositif de précharge 1 comporte un organe de précharge 3 qui est un organe de commutation (ici un transistor à grille isolée IGBT) et un organe de commande 4 de ce transistor. L'IGBT ici utilisé est un transistor NPT 1 200V du fabricant APT commercialisé sous la référence APT35GN120BG.

Ce dispositif de précharge présente deux points de connexion d'entrée 5 et 6 entres lesquels est appliquée une tension continue E et deux points de connexion 7 et 8 à un onduleur 15. L'onduleur 15 comporte un bus continu 18 et un groupe d'interrupteurs 17 commandé par un organe de commande 16.

Le bus 18 présente une première ligne équipotentielle 19 (également appelée point chaud du bus continu) et une seconde ligne équipotentielle 20 (également appelée point froid du bus continu), une inductance de filtrage 9 ainsi qu'un condensateur 21 reliant entre elles les lignes 19 et 20.

Le groupe d'interrupteurs 17 comporte trois bras 24 à 26 munis chacun de deux interrupteurs 23 (ici des transistors) commandés alternativement pour générer sur chaque bras de l'onduleur une tension en créneau alternative à partir de la tension continue E appliquée en entrée du dispositif de précharge 1.

L'onduleur 15 présente trois points de connexion de sortie 27 à 29 chacun relié à un bras correspondant. Comme déjà indiqué, l'organe de commutation 3 est ici un transistor bipolaire de type IGBT dont le collecteur 31 est relié au point de connexion d'entrée 5 et dont l'émetteur 32 est relié au point de connexion 7. La grille 30 est quant à elle connectée à un point de connexion de l'organe de commande 4. Cet organe de commande 4 présente trois points de connexion 35, 36 et 37. Les points 35 et 36 sont respectivement reliés à la grille 30 et à l'émetteur 32 du transistor 3. Le point 37 est relié aux points de connexion 6 et 8. Cet organe de commande illustré de façon simplifiée en figure 6 et détaillée en figure 7 comporte une alimentation auxiliaire 38 en tension continue (15 Volts), une résistance 39, une résistance 40, un condensateur 41 et une diode Zener 49. Le pôle positif de l'alimentation 38 est relié au point de connexion 35 par l'intermédiaire de la résistance 39 tandis que l'autre pôle de cette alimentation est relié au point de connexion 36. La résistance 40 et le condensateur 41 sont disposés entre les points de connexion 35 et 37 tandis que la diode Zener 49 est disposée entre les points de connexion 35 et 36. L'organe de commande 4 comporte également un transistor MOSFET à canal P 42 et un transistor MOSFET à canal N 43 ainsi qu'un jeu de résistances 44, 45, 46 et 47 et une diode Zener 48 associés comme illustré sur la figure 6 pour permettre, comme on le verra ci-après, une fermeture franche du transistor 3. La résistance 39 est de forte valeur (100 ks)) de façon à ce que la valeur du courant de charge Ic ne soit pas trop élevée.

Le condensateur 41 présente une valeur de 75 nF nettement plus faible que celle du condensateur 21 à charger qui est de 75 pF. Les résistances 40, 44, 45, 46, 47 ont respectivement des valeurs de 82,5 0, 82,5 0, 4,75 kO, 10 kO et 4,75 kO. L'inductance 9 a une valeur de 240 pH.

On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif de précharge 1 pendant la phase de précharge du condensateur 21 de l'onduleur 15 et au-delà à l'aide des courbes illustrées sur les figures 2 à 5. Lorsqu'une tension continue E (ici 800 volts) est appliquée entre les points de connexion 5 et 6 du dispositif de précharge et que la source de tension continue auxiliaire 38 n'est pas en fonctionnement, le transistor 3 reste ouvert et isole ainsi le dispositif de précharge 1 et l'onduleur 15 de l'alimentation en tension continue E appliquée entre les points 5 et 6. A l'état ouvert du transistor 3, l'onduleur n'est alors pas en fonctionnement. Lorsque la source auxiliaire 38 est en fonctionnement, à partir de l'instant to sur les figures 2 à 5, la phase de précharge est alors amorcée, le transistor 3 fonctionne alors selon son mode linéaire de façon à assurer la charge du condensateur 21 avec un courant maîtrisé.

L'état de précharge est un état du transistor qui permet ainsi la charge maîtrisée du condensateur 21. Pendant la précharge, la tension grille-émetteur VGE, illustrée par la courbe 10 sur la figure 2, s'établit alors à la valeur de 6 Volts qui permet à l'IGBT de conduire le courant consommé par la charge du condensateur 21. Le potentiel de l'émetteur 32 de l'IGBT suit le potentiel de la grille 30 à 6 Volts près (correspondant à la tension aux bornes de la diode 49). Le potentiel de la grille 30 dans cette phase varie par rapport au temps de façon sensiblement constante. Ceci entraîne la charge du condensateur 40 à courant constant, c'est-à-dire avec une variation de tension à ses bornes (dV/dt) constante (la variation de la tension prise entre le collecteur et l'émetteur du transistor est également elle-même constante). A courant constant, le fait d'imposer un dV/dt aux bornes du condensateur 41 fait que le condensateur 21 se charge également avec une variation de tension à ses bornes dVc/dt constante, c'est-à-dire à courant Ic constant et faible comme illustré par la courbe 12 sur la figure 4, la valeur du courant étant fonction de la tension VGE de l'IGBT 3. Ce condensateur 21, comme illustré par la courbe 11 sur la figure 3, est donc chargé progressivement et linéairement par ce courant constant I.

La puissance dissipée par l'IGBT 3 est représentée par la courbe 13 sur la figure 5. Cette puissance décroît linéairement puisque le courant de charge qui le traverse est constant et que la tension prise aux bornes du collecteur et de l'émetteur du transistor décroît linéairement (lorsque Vc croît linéairement), la puissance dissipée évoluant donc comme cette tension. Ce profil de puissance à dissiper est particulièrement favorable puisque, d'une part il est parfaitement maîtrisé tout au long de la phase de précharge et ; d'autre part, est optimisé car la puissance à dissiper est maximale au début du cycle là où le transistor (encore froid) est le plus à même de dissiper efficacement cette puissance, cette puissance diminuant au cours du temps en empêchant ainsi tout risque de surchauffe du composant. En raison de la présence d'une inductance de filtrage 9 sur le convertisseur, la phase de précharge doit s'effectuer sur une durée suffisamment grande devant la période propre de l'ensemble formé par l'inductance 9 et le condensateur 21 afin de s'assurer que c'est bien le dispositif de précharge qui limite les courants de charge et non les phénomènes inductifs liés à cette inductance 9 (qui risqueraient alors d'entraîner une charge résonnante produisant une surtension). On notera que, pour simplifier l'exposé, l'influence de cette inductance a été négligée pour réaliser les courbes 10 à 13 illustrées sur les figures 2 à 5. A la fin de la phase de précharge, à l'instant t1, le transistor passe alors en mode saturé où émetteur 32 et collecteur 31 de l'IGBT sont sensiblement au même potentiel à la tension de saturation du transistor près. Le potentiel de l'émetteur 32 cesse alors d'augmenter et le potentiel de la grille 30 lui continue d'augmenter jusqu'à être égal à celui fourni par l'alimentation auxiliaire VA. La tension VGE comme illustrée sur la courbe 10 évolue ainsi au-delà de l'instant t1 jusqu'à ce qu'elle devienne sensiblement égale à la tension d'alimentation auxiliaire VA. Dans ce mode saturé, il est alors possible de faire fonctionner l'onduleur, puisque le transistor 3 est maintenant fermé et peut ainsi conduire un courant important sans être le siège de pertes en puissance trop élevée. L'état fermé du transistor 3 autorise ainsi le fonctionnement de l'onduleur avec le condensateur 21 préalablement chargé.

L'onduleur 15 peut alors démarrer pour fournir à partir de la tension aux bornes du condensateur 21 une tension de sortie en créneaux alternés avec un rapport cyclique et une fréquence de découpage prédéterminée dépendante de la fréquence de commutation des interrupteurs 23.

Bien entendu, lorsque le convertisseur n'a plus à être en fonctionnement et lorsque le dispositif de précharge est mis hors tension, le transistor 3 retourne à l'état ouvert et isole ainsi le convertisseur de l'alimentation. On va maintenant détailler l'agencement de l'organe de commande 4 prévu pour garantir le maintien franc et stable de l'interrupteur à l'état fermé.

Une fois le transistor fermé lorsque la tension VGE continue d'augmenter au-delà de l'instant t1, jusqu'à dépasser une valeur de seuil prédéterminée correspondant à la tension de seuil de la diode Zener 48, ceci entraîne la fermeture du transistor MOSFET 43 qui entraîne elle-même celle du transistor MOSFET 42 de sorte que, à l'état fermé de ces deux transistors, la résistance 44 se retrouve reliée entre la grille 30 et l'alimentation auxiliaire 38. Cette résistance étant de très faible valeur (82,5 0), elle empêche ainsi tout risque de voir le transistor 3 repasser dans l'état de précharge (par exemple dans le cas d'un aléa sur le réseau d'alimentation en tension continue qui entraînerait une variation forte et brusque de cette tension), qui, si cela se produisait alors qu'un courant important le traverse avec une tension elle-même élevée à ses bornes, pourrait provoquer sa destruction. L'organe de commande 4 est également équipé à titre facultatif, comme illustré en figure 7, d'une photodiode 50 et de deux phototransistors 51 et 52. La photodiode 50 permet de connaître par l'émission ou non de lumière l'état du circuit de précharge et notamment du transistor 42. Le phototransistor 52 permet pour des opérations de maintenance ou de sécurisation par exemple d'assurer le maintien forcé du transistor 3 à l'état ouvert tandis que le phototransistor 51 permet lui d'assurer le maintien forcé de ce transistor 3 à l'état ouvert pour réaliser des essais de validation du dispositif de précharge.

En variante, l'IGBT 3 peut être remplacé par un transistor MOSFET ou par un transistor bipolaire simple. Selon une autre variante, l'organe de commande procède, pour limiter le courant au travers du transistor 3, par injection d'un courant constant et faible (par exemple de 0,01 mA) dans la grille du transistor, ce transistor se fermant alors progressivement avec un courant limité le traversant permettant ainsi au condensateur 21 de se charger avant la fermeture complète de ce transistor, l'effet capacitif non linéaire entre la grille et l'émetteur (effet Miller) limite la variation de tension aux bornes du condensateur et donc son courant de charge. Dans encore une autre variante, l'organe de commande est prévu pour injecter un courant (par exemple 10 mA) à la base du transistor 3 qui est dans cette variante transistor bipolaire NPN ou PNP simple, pendant le temps nécessaire à la charge du condensateur, le courant de charge du condensateur étant alors maîtrisé et égal au courant multiplié par le coefficient 13 du transistor, Dans encore une autre variante l'organe de commande est adapté à faire croître linéairement et lentement la tension de commande (VGS pour un MOSFET et VGE pour un IGBT) de manière à fermer progressivement l'interrupteur électronique.

Encore une autre alternative consisterait à prévoir un organe de commande adapté à mesurer le courant de charge du condensateur et à réguler directement ce courant dans le transistor. De tels dispositifs de précharge peuvent être associés à un convertisseur continu-alternatif tel qu'un onduleur comme décrit ci-dessus mais également à d'autres types de convertisseur comme par exemple un convertisseur continu-continu (hacheur). De nombreuses autres variantes sont possibles en fonction des circonstances et l'on rappelle à cet égard que l'invention ne se limite pas aux exemples décrits et représentés.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de précharge d'un convertisseur de tension (15), ledit convertisseur (15) étant adapté à transformer un signal de tension d'entrée en un signal de tension obtenu par découpage dudit signal de tension d'entrée, ledit dispositif comportant un organe de précharge (3) adapté à présenter un état fermé ainsi qu'un organe de commande (4) dudit organe de précharge (3) ; caractérisé en ce que ledit organe de précharge (3) est adapté à fonctionner selon un état de précharge limitant la valeur du courant de précharge le traversant, ledit organe de commande (4) étant adapté à commander le fonctionnement de l'organe de précharge (3) selon l'état de précharge et, une fois ladite précharge réalisée, à commander le passage dudit organe de précharge (3) de l'état de précharge à l'état fermé.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe de précharge (3) présente un état ouvert empêchant le courant de précharge de le traverser et en ce que ledit organe de commande (4) est adapté à commander le passage dudit organe de précharge (3) de l'état ouvert à l'état de précharge.
3. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit organe de précharge comporte un transistor (3), ledit organe de commande (4) étant adapté à commander le transistor en mode linéaire pour l'état de précharge et en mode saturé pour l'état fermé.
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit organe de commande (4) comporte un condensateur (41) et une résistance (40) en série entre un point de connexion (37) à relier audit convertisseur (15) et une électrode (30) du transistor (3).
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'organe de commande (4) comporte une alimentation auxiliaire (38) reliée à une électrode (30) du transistor (3), d'une part par une première résistance (39), et, d'autre part par une deuxième résistance (44), de valeur plus faible que la première résistance (39), et associée en série avec un organe de commutation (42) adapté à être commandé à la fermeture lorsque lepotentiel de ladite électrode (30) du transistor (3) dépasse une valeur de seuil prédéterminée.
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit organe de commande (4) est adapté à réguler la variation de tension aux bornes dudit organe de précharge (3).
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens à couplage optronique (50) de détermination de l'état dudit dispositif (1).
8. 8. Ensemble de conversion de tension, caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur de tension à découpage (15) et un dispositif de précharge (1) dudit convertisseur (15) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 disposé en entrée dudit convertisseur (15).
9. 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit convertisseur est un onduleur (15).
10. 10. Aéronef équipé d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou d'un ensemble selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9.20