FR2952481A1

FR2952481A1 - Device for converting electric power, has short-circuit unit for short-circuiting inductors so as to perpetuate magnetic fluxes in magnetic coupling unit when outlet phase connected to each inductor is not providing current

Info

Publication number: FR2952481A1
Application number: FR0905398A
Authority: FR
Inventors: Herve Stephan; Kevin Guepratte; Pierre Olivier Jeannin; David Frey
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Thales SA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Thales SA
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-13
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: FR2952481B1

Abstract

The device has switching cells (11-16) providing current. A magnetic coupling unit (17) couples the switching cells, and is provided with inductors enrolled around a magnetic core. An outlet phase of each switching cell is connected to one of the inductors. A short-circuit unit (18) is utilized for short-circuiting the inductors so as to perpetuate magnetic fluxes in the magnetic coupling unit when the outlet phase connected to each inductor is not providing the current. A cell insulating unit insulates the switching cell whose outlet phase does not provide current. The magnetic core contains N97 type material.

Description

DISPOSITIF POUR CONVERTIR DE L'ENERGIE ELECTRIQUE La présente invention concerne un dispositif pour convertir de l'énergie électrique. Elle s'applique notamment dans le domaine des convertisseurs statiques de puissance. The present invention relates to a device for converting electrical energy. It applies in particular in the field of static power converters.

De plus en plus, les convertisseurs de puissance sont basés sur des convertisseurs multi-phases entrelacés. Malheureusement, ces convertisseurs ont pour principal inconvénient qu'ils sont encombrants. La 10 tendance actuelle pour tenter d'éviter cet inconvénient consiste à utiliser des structures de filtrage à inductances, grâce auxquelles un temps de réponse rapide peut être atteint, sans rien sacrifier au rendement et à l'encombrement. Ainsi, une topologie classique de convertisseur multicellulaire 15 parallèle repose sur une association de plusieurs cellules de commutation couplées par l'intermédiaire d'inductances enroulées autour d'un noyau magnétique. Les inductances sont couramment appelées inductances de liaison ou filtres. En effet, la mise en parallèle des cellules de commutation autorise l'utilisation de composants plus performants quoique de calibre 20 inférieur. Elle permet également d'atteindre des puissances inaccessibles avec des composants isolés et elle améliore les formes d'onde à l'entrée et à la sortie du convertisseur par une augmentation du nombre de degrés de liberté. La mise en parallèle des cellules de commutation permet enfin de réduire le coût total du convertisseur. 25 Les principales méthodes de couplage magnétique actuellement utilisées sont le couplage monolithique utilisant un seul noyau magnétique et le couplage par utilisation de transformateurs montés en cascade cyclique. Ces deux méthodes seront détaillées par la suite. Mais pour certains systèmes fortement critiques, il est nécessaire 3o de maintenir la disponibilité du convertisseur même en cas de panne. Or, même si les coupleurs magnétiques sont très efficaces du point de vue du filtrage et de l'encombrement, malheureusement toutes les phases doivent fonctionner simultanément pour garantir le fonctionnement du convertisseur. II est donc difficile d'autoriser un fonctionnement en mode dégradé ou un fonctionnement avec un nombre variable de cellules. En effet, pour minimiser la structure magnétique et maîtriser les pertes, il est indispensable de choisir une structure de filtrage réalisant une répartition du flux symétrique dans les différentes parties des circuits magnétiques. Or, une cellule non utilisée peut avoir d'importantes répercussions sur cette répartition des flux et causer d'importants déséquilibres, ceci quelle que soit la technique choisie (couplage monolithique ou couplage par transformateurs). Ainsi, outre l'impossibilité de maintenir la fonction du convertisseur et le risque de destruction du convertisseur, les circuits magnétiques peuvent être saturés et les équilibres des courants peuvent être rompus comme détaillé par la suite. Il s'agit là de l'un des problèmes techniques que la présente invention se propose de résoudre. Increasingly, power converters are based on interlaced multi-phase converters. Unfortunately, these converters have the main disadvantage that they are bulky. The current tendency to try to avoid this disadvantage is to use inductance filtering structures, whereby a fast response time can be achieved without sacrificing performance and bulk. Thus, a conventional parallel multicell converter topology is based on a combination of a plurality of switching cells coupled via inductors wound around a magnetic core. Inductors are commonly called bonding inductances or filters. In fact, the paralleling of the switching cells allows the use of more efficient components, although of smaller size. It also achieves inaccessible power with isolated components and improves waveforms at the input and output of the converter by increasing the number of degrees of freedom. The paralleling of the switching cells finally makes it possible to reduce the total cost of the converter. The main magnetic coupling methods currently in use are monolithic coupling using a single magnetic core and coupling using cyclic cascaded transformers. These two methods will be detailed later. But for some highly critical systems, it is necessary 3o maintain the availability of the converter even in case of failure. However, even if the magnetic couplers are very efficient from the point of view of filtering and space, unfortunately all phases must operate simultaneously to ensure the operation of the converter. It is therefore difficult to authorize operation in degraded mode or operation with a variable number of cells. Indeed, to minimize the magnetic structure and control losses, it is essential to choose a filtering structure achieving a symmetrical flow distribution in the different parts of the magnetic circuits. However, an unused cell can have significant repercussions on this distribution of flows and cause significant imbalances, whatever the chosen technique (monolithic coupling or transformer coupling). Thus, in addition to the impossibility of maintaining the function of the converter and the risk of destruction of the converter, the magnetic circuits can be saturated and the current balances can be broken as detailed below. This is one of the technical problems that the present invention proposes to solve.

L'invention a notamment pour but de fiabiliser le fonctionnement d'un convertisseur entrelacé utilisant un coupleur magnétique en sortie, que le coupleur soit monolithique ou à transformateurs et quel que soit le nombre de phases utilisées. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif pour convertir de l'énergie électrique. Le dispositif comporte une pluralité de cellules de commutation fournissant chacune du courant par sa phase de sortie, ainsi que des moyens magnétiques pour coupler les cellules de commutation. Les moyens magnétiques de couplage comportent des inductances enroulées autour d'au moins un noyau magnétique, la phase de sortie de chaque cellule étant connectée à l'une des inductances. Le dispositif comporte des moyens pour court-circuiter au moins l'une des inductances, de manière à perpétuer les flux magnétiques dans les moyens de couplage même lorsque la phase de sortie connectée à ladite inductance ne fournit pas de courant. Par exemple, les moyens pour court-circuiter l'inductance peuvent 30 comporter au moins un interrupteur, l'interrupteur pouvant être fermé afin de court-circuiter l'inductance. Avantageusement, le dispositif peut également comporter des moyens pour isoler la cellule dont la phase de sortie ne fournit pas de courant. The invention particularly aims to make reliable the operation of an interlaced converter using an output magnetic coupler, that the coupler is monolithic or transformers and regardless of the number of phases used. For this purpose, the invention relates to a device for converting electrical energy. The device comprises a plurality of switching cells each supplying current through its output phase, as well as magnetic means for coupling the switching cells. The magnetic coupling means comprise inductances wound around at least one magnetic core, the output phase of each cell being connected to one of the inductors. The device comprises means for short-circuiting at least one of the inductances, so as to perpetuate the magnetic flux in the coupling means even when the output phase connected to said inductor does not supply current. For example, the means for shorting the inductor may include at least one switch, the switch being closable to short-circuit the inductor. Advantageously, the device may also include means for isolating the cell whose output phase does not provide current.

Par exemple, les moyens pour isoler la cellule peuvent comporter au moins un interrupteur, l'interrupteur pouvant être ouvert afin d'isoler la cellule. Dans un mode de réalisation, les moyens magnétiques de couplage peuvent comporter un unique noyau magnétique afin de coupler les inductances. L'unique noyau magnétique peut contenir un matériau de type N97. L'unique noyau magnétique peut également être symétrique, les inductances pouvant être enroulées par paires autour du noyau en des emplacements symétriques parcourus par des flux magnétiques identiques, les moyens pour court-circuiter l'inductance pouvant court-circuiter simultanément l'inductance enroulée à l'emplacement symétrique. Dans un autre mode de réalisation, les moyens magnétiques de couplage peuvent comporter une pluralité de noyaux magnétiques interconnectés afin de coupler les inductances. L'un au moins des noyaux magnétiques peut contenir un matériau de type N97. Par exemple, les moyens magnétiques de couplage peuvent comporter une pluralité de transformateurs, chaque transformateur pouvant comporter son propre noyau magnétique et deux inductances, les transformateurs pouvant être interconnectés en cascade cyclique afin de coupler leurs inductances. For example, the means for isolating the cell may comprise at least one switch, the switch may be open to isolate the cell. In one embodiment, the magnetic coupling means may comprise a single magnetic core to couple the inductors. The single magnetic core can contain an N97 type material. The single magnetic core may also be symmetrical, the inductors being able to be wound in pairs around the core in symmetrical locations traversed by identical magnetic fluxes, the means for short-circuiting the inductance being able to simultaneously short-circuit the inductance wound up to the symmetrical location. In another embodiment, the magnetic coupling means may include a plurality of interconnected magnetic cores to couple the inductors. At least one of the magnetic cores may contain an N97 type material. For example, the magnetic coupling means may comprise a plurality of transformers, each transformer may comprise its own magnetic core and two inductors, the transformers being able to be interconnected in cyclic cascade in order to couple their inductances.

L'invention a encore pour principaux avantages qu'elle permet de réadapter la fréquence de découpage du convertisseur, afin d'éviter la saturation des circuits magnétiques et de garantir le taux d'ondulation du courant de sortie. The main advantages of the invention are that it makes it possible to readjust the switching frequency of the converter, so as to avoid saturation of the magnetic circuits and to guarantee the ripple rate of the output current.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui 30 représentent : - la figure 1 illustre, par un synoptique, une structure entrelacée multicellulaire selon l'art antérieur; - la figure 2 illustre, par un graphique, des signaux de commande d'une structure entrelacée multicellulaire selon l'art antérieur; - la figure 3 illustre, par un synoptique, une autre structure entrelacée multicellulaire selon l'art antérieur; la figure 4 illustre, par un graphique, un inconvénient majeur des structures entrelacée multicellulaire selon l'art antérieur; la figure 5 illustre, par un synoptique, des principes de base de l'invention; - la figure 6 illustre, par un synoptique, un exemple de dispositif selon l'invention pour isoler une cellule de commutation; - les figures 7 et 8 illustrent, par un synoptique et par un graphique respectivement, un exemple de mise en oeuvre de l'invention sur un convertisseur dont les cellules de commutation sont couplées par l'intermédiaire de transformateurs montés en cascade cyclique; - la figure 9 illustre, par un synoptique, un exemple de mise en oeuvre de l'invention sur un convertisseur dont les cellules de commutation sont couplées par l'intermédiaire d'un coupleur monolithique; - les figures 10a et 10b illustrent, par une vue en perspective, un exemple de circulation des flux dans un circuit magnétique selon l'invention. Other features and advantages of the invention will become apparent with the aid of the following description made with reference to the appended drawings which represent: FIG. 1 illustrates, by a block diagram, a multicellular interlaced structure according to the prior art; FIG. 2 illustrates, by a graph, control signals of a multi-cell interlaced structure according to the prior art; FIG. 3 illustrates, by a synoptic, another multicellular interleaved structure according to the prior art; FIG. 4 illustrates, by a graph, a major drawback of multicellular interlaced structures according to the prior art; FIG. 5 illustrates, by a block diagram, the basic principles of the invention; FIG. 6 illustrates, by a block diagram, an exemplary device according to the invention for isolating a switching cell; - Figures 7 and 8 illustrate, by a block diagram and a graph respectively, an example of implementation of the invention on a converter whose switching cells are coupled via cyclic cascaded transformers; FIG. 9 illustrates, by a block diagram, an exemplary implementation of the invention on a converter whose switching cells are coupled via a monolithic coupler; FIGS. 10a and 10b illustrate, by a perspective view, an example of flow circulation in a magnetic circuit according to the invention.

La figure 1 illustre un exemple de structure entrelacée à p cellules de commutation C1 à Cp et p-1 multi-niveaux NPC ("Neutral-Point-Clamped") selon l'art antérieur. Un filtrage magnétique monolithique est utilisé, c'est-à- dire à partir d'un unique noyau magnétique K. Dans l'exemple de la figure 1, le noyau magnétique K présente la topologie dite "en échelle". Des inductances L1 à Lp partagent le noyau magnétique K. Un signal de commande ik où 1 <_k<_p peut être appliqué à chaque cellule de commutation k. La figure 2 illustre, selon l'art antérieur dans le cas où p=4, un exemple de signaux de commande i1, i2, i3 et i4 déphasés de 2n/4 pour un même rapport cyclique a. Les signaux i1, i2, i3 et i4 sont donc de même fréquence fondamentale et de même forme. FIG. 1 illustrates an example of an interleaved structure with nPC ("Neutral-Point-Clamped") switching cells C1 to Cp and p-1 multi-level cells according to the prior art. A monolithic magnetic filtering is used, that is to say from a single magnetic core K. In the example of Figure 1, the magnetic core K has the so-called "ladder" topology. Inductors L1 to Lp share the magnetic core K. A control signal ik where 1 <_k <_p can be applied to each switching cell k. Figure 2 illustrates, according to the prior art in the case where p = 4, an example of control signals i1, i2, i3 and i4 out of phase by 2n / 4 for the same duty cycle a. The signals i1, i2, i3 and i4 are therefore of the same fundamental frequency and of the same form.

Le couplage monolithique utilisant un seul noyau magnétique n'est que l'une des principales méthodes de filtrage par couplage magnétique. Une autre méthode de filtrage par couplage est le couplage par transformateurs, comme illustré par la figure 3 selon l'art antérieur. Sur cette figure, des transformateurs TI, T2, T3, T4, T5, T6 et T7 sont montés selon l'art antérieur "en cascade cyclique" entre les phases de sortie 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7 d'un convertisseur entrelacé. Ils sont tous couplés électriquement et réalisent une chaîne circulaire comme illustré par la figure. Monolithic coupling using a single magnetic core is only one of the main methods of magnetic coupling filtering. Another method of filtering by coupling is the coupling by transformers, as illustrated by FIG. 3 according to the prior art. In this figure, transformers TI, T2, T3, T4, T5, T6 and T7 are mounted according to the prior art "in cyclic cascade" between the output phases 1, 2, 3, 4, 5, 6 and 7 of FIG. an interlaced converter. They are all electrically coupled and realize a circular chain as illustrated by the figure.

10 Une cellule non utilisée peut avoir d'importantes répercussions sur la répartition des flux et causer d'importants déséquilibres, ceci quelle que soit la technique choisie (couplage monolithique ou couplage par transformateurs). Ainsi, outre l'impossibilité de maintenir la fonction du 15 convertisseur et le risque de destruction du convertisseur, les circuits magnétiques selon l'art antérieur peuvent être saturés et les équilibres des courants peuvent être rompus comme illustré par la figure 4. Sur cette figure est illustrée en ordonnée la répartition de la composante DC du courant dans chacune des phases d'un convertisseur selon l'art antérieur comportant six 20 cellules représentées en abscisse, les six cellules étant couplées par cascade cyclique et la cellule 4 étant désactivée. II apparaît clairement que l'équilibre des courants est rompu. II s'agit là de l'un des problèmes techniques que la présente invention se propose de résoudre. An unused cell can have important repercussions on the distribution of the flows and cause important imbalances, whatever the chosen technique (monolithic coupling or transformer coupling). Thus, in addition to the impossibility of maintaining the function of the converter and the risk of destruction of the converter, the magnetic circuits according to the prior art can be saturated and the balances of the currents can be broken as shown in FIG. is plotted on the ordinate the distribution of the DC component of the current in each of the phases of a converter according to the prior art comprising six cells represented on the abscissa, the six cells being coupled by cyclic cascade and the cell 4 being deactivated. It is clear that the balance of currents is broken. This is one of the technical problems that the present invention proposes to solve.

25 La figure 5 illustre par un synoptique les principes de base de l'invention. Six cellules de commutation 11, 12, 13, 14, 15 et 16 sont entrelacées avec un décalage en phase de 60°. Elles sont couplées par l'intermédiaire d'un coupleur magnétique 17, qui peut indifféremment être monolithique ou à transformateurs. L'invention propose notamment de court- 30 circuiter la phase du filtre magnétique en sortie d'une cellule dès lors que celle-ci est défectueuse. Avantageusement, la cellule défectueuse peut également être isolée, de sorte que son point de sortie ne soit pas relié à un potentiel dangereux. Dans le présent exemple, c'est notamment le rôle des modules 18 de court-circuit et 19 d'isolement, qui permettent respectivement 35 de court-circuiter la phase du filtre magnétique en sortie de n'importe laquelle des six cellules 11 à 16 et d'isoler n'importe laquelle des six cellules 11 à 16. Comme décrit par la suite, ce principe peut être mis en oeuvre aussi bien sur un convertisseur entrelacé comportant un coupleur monolithique que sur un convertisseur entrelacé comportant un coupleur à transformateurs. FIG. 5 illustrates by a block diagram the basic principles of the invention. Six switching cells 11, 12, 13, 14, 15 and 16 are interleaved with a phase shift of 60 °. They are coupled via a magnetic coupler 17, which can indifferently be monolithic or transformers. The invention proposes in particular to short-circuit the phase of the magnetic filter at the output of a cell as soon as it is defective. Advantageously, the defective cell can also be isolated, so that its exit point is not connected to a dangerous potential. In the present example, it is in particular the role of the short-circuit and isolation modules 18, which respectively make it possible to short-circuit the phase of the magnetic filter at the output of any of the six cells 11 to 16. and to isolate any of the six cells 11 to 16. As described later, this principle can be implemented on both an interlaced converter having a monolithic coupler and an interlaced converter having a transformer coupler.

La figure 6 illustre par un synoptique un exemple de dispositif selon l'invention, comme le module 19, pour isoler une cellule de commutation 20 dans un convertisseur entrelacé. En cas de 1 o dysfonctionnement de la cellule 20, la continuité de service peut avantageusement être envisagée par l'intégration d'interrupteurs 21, 22 et 23 dans le convertisseur, afin de confiner la défaillance. Dans le présent exemple, trois dispositifs d'isolement comme les interrupteurs 21, 22 et 23 peuvent utilisées pour isoler totalement la cellule 20 de l'ensemble des 15 potentiels environnants, puisque la cellule 20 est un tripôle. FIG. 6 illustrates by a block diagram an example of a device according to the invention, such as module 19, for isolating a switching cell 20 in an interlaced converter. In case of malfunction of the cell 20, the continuity of service can advantageously be envisaged by the integration of switches 21, 22 and 23 in the converter, in order to confine the failure. In the present example, three isolation devices such as switches 21, 22 and 23 can be used to completely isolate cell 20 from all surrounding potentials, since cell 20 is a tripole.

Les figures 7 et 8 illustrent, par un synoptique et par un graphique respectivement, un exemple de mise en oeuvre de l'invention sur un 20 convertisseur comportant six cellules de commutation entrelacées 31, 32, 33, 34, 35 et 36 décalées en phase de 60°, ainsi qu'un coupleur comportant avantageusement six transformateurs 41, 42, 43, 44, 45 et 46 montés en cascade cyclique. La figure 7 illustre plus particulièrement un interrupteur 50 pouvant 25 avantageusement permettre de court-circuiter le filtrage selon l'invention en cas de dysfonctionnement de la cellule 34. En effet, fermer l'interrupteur 50 en cas de dysfonctionnement de la cellule 34 permet de perpétuer la conduction du courant dans l'ensemble des transformateurs 41, 42, 43, 44, 45 et 46. Dans un cas idéal, la transmission du courant sera totale. Mais 30 dans la pratique, ce procédé engendre des pertes supplémentaires dues à la phase intermédiaire. Cependant, pour un mode de fonctionnement dégradé ou à puissance réduite, cela constitue un bon compromis. Or, dans le cas du coupleur à transformateurs, la section de fer S fer dépend du nombre de phases Nphase . Les éléments magnétiques ne 35 pouvant être changés en cours d'utilisation, cette stratégie de commande 5 doit modifier la fréquence de découpage des différentes cellules. L'équation (1) ci-dessous doit être respectée pour garantir une surface de fer toujours supérieure à la saturation du noyau magnétique, ceci quel que soit le nombre de phases : (1) 4 x Nspire x BEC x f x N phase Sfer i E 4 où E désigne la tension d'entrée du convertisseur, Nspi,e désigne le nombre de spires, Be,T désigne l'induction magnétique maximale et Lin désigne la 10 fréquence de découpage minimale. Par exemple, le tableau 1 ci-dessous donne les fréquences de découpage en fonction du nombre de cellules actives d'un convertisseur qui compte six cellules au total, en partant du principe que la surface de fer Sfer a été dimensionnée dans le cas le plus critique où l'induction magnétique 15 maximale acceptée par le noyau magnétique est à 292kHz. Cette condition est la plus appropriée pour un convertisseur qui optimise le rendement avec un nombre de cellules variable. Nombre de cellules actives 6 5 4 3 2 1 Fréquence de découpage (kHz) 48 58 73 97 146 292 Tableau 1 20 La figure 8 illustre, pour quelques matériaux magnétiques usuels et pour une densité de perte de l'ordre de 300mW/cm3, l'induction maximale en teslas en fonction de la fréquence de découpage en hertz. Une courbe 60 25 correspond au matériau 500F, une courbe 61 correspond au matériau N97, une courbe 62 correspond au matériau 3C92, une courbe 63 correspond au matériau 3C94 et une courbe 64 correspond au matériau PC40. En effet, pour garantir un volume minimal, il faut tenir compte des variations de l'induction magnétique maximale selon la fréquence de découpage. Cette 30 solution est plus adaptée à une stratégie de commande à cellules fixes acceptant un mode dégradé à cause d'une ou deux cellules défectueuses, car cette solution impose des variations de fréquence de découpage plus importante, comme indiqué par le tableau 2 ci-dessous. Le tableau 2 indique, pour les matériaux de type 500F et N97, la fréquence de découpage de chaque cellule en kilohertz en fonction du nombre de cellules actives. Nombre de cellules actives 6 5 4 3 2 1 Noyau 500F 20 90 150 240 330 660 Noyau N97 30 40 62 110 210 420 Tableau 2 FIGS. 7 and 8 illustrate, by a block diagram and a graph respectively, an exemplary implementation of the invention on a converter comprising six interleaved switching cells 31, 32, 33, 34, 35 and 36 shifted in phase 60 °, and a coupler advantageously comprising six transformers 41, 42, 43, 44, 45 and 46 mounted in cyclic cascade. FIG. 7 more particularly illustrates a switch 50 that may advantageously make it possible to short-circuit the filtering according to the invention in the event of a malfunction of the cell 34. In fact, closing the switch 50 in the event of a malfunction of the cell 34 makes it possible to to perpetuate the conduction of the current in all the transformers 41, 42, 43, 44, 45 and 46. In an ideal case, the transmission of the current will be total. In practice, however, this process generates additional losses due to the intermediate phase. However, for a degraded mode of operation or reduced power, this is a good compromise. However, in the case of the transformer coupler, the iron section S iron depends on the number of phases Nphase. Since the magnetic elements can not be changed during use, this control strategy must change the switching frequency of the different cells. Equation (1) below must be respected to guarantee an iron surface always greater than the saturation of the magnetic core, whatever the number of phases: (1) 4 x Nspire x BEC xfx N Sfer phase i E Where E is the input voltage of the converter, Nspi, e is the number of turns, Be, T is the maximum magnetic induction, and Lin is the minimum switching frequency. For example, Table 1 below gives the switching frequencies according to the number of active cells of a converter which has six cells in total, on the assumption that the Sfer iron surface has been dimensioned in the most critical where the maximum magnetic induction accepted by the magnetic core is at 292kHz. This condition is the most appropriate for a converter that maximizes efficiency with a variable number of cells. Number of active cells 6 5 4 3 2 1 Cutting frequency (kHz) 48 58 73 97 146 292 Table 1 Figure 8 illustrates, for some usual magnetic materials and for a loss density of the order of 300mW / cm3, the maximum induction in teslas according to the frequency of cutting in hertz. A curve 60 corresponds to the material 500F, a curve 61 corresponds to the material N97, a curve 62 corresponds to the material 3C92, a curve 63 corresponds to the material 3C94 and a curve 64 corresponds to the material PC40. In order to guarantee a minimum volume, it is necessary to take into account the variations of the maximum magnetic induction according to the switching frequency. This solution is more suited to a fixed cell control strategy that accepts a degraded mode because of one or two defective cells, because this solution imposes more important switching frequency variations, as indicated by Table 2 below. . Table 2 indicates, for materials of type 500F and N97, the switching frequency of each cell in kilohertz as a function of the number of active cells. Number of active cells 6 5 4 3 2 1 Core 500F 20 90 150 240 330 660 Core N97 30 40 62 110 210 420 Table 2

II est donc préférable d'avoir la variation de l'induction magnétique la plus faible possible, de sorte que les variations de fréquence, quoique 10 nécessaires au bon fonctionnement, ne soient pas trop importantes. Avantageusement, le noyau N97 a une variation relativement faible, il peut donc très bien convenir à un fonctionnement avec un nombre variable de cellules. Alors que le noyau 500F a une variation très importante, il est donc plus adapté à une application avec un nombre fixe de cellules. 15 It is therefore preferable to have the smallest possible magnetic induction variation, so that frequency variations, although necessary for proper operation, are not too great. Advantageously, the N97 core has a relatively small variation, so it may very well be suitable for operation with a variable number of cells. While the 500F kernel has a very large variation, it is therefore more suitable for an application with a fixed number of cells. 15

La figure 9 illustre par un synoptique un exemple de mise en oeuvre de l'invention sur un convertisseur entrelacé comportant un coupleur monolithique à topologie circulaire. 20 II existe de nombreuse façon de réaliser un coupleur monolithique. La topologie la plus courante est la topologie dite en échelle illustrée par la figure 1. Mais cette topologie souffre d'un problème de surdimensionnement, car le flux local se concentre dans le circuit magnétique. D'autres topologies, communément appelées topologies circulaires, évitent ce 25 surdimensionnement, leur symétrie équilibrant naturellement le flux dans l'intégralité de la structure. La figure 9 illustre une topologie circulaire dite "à noyau standard", car elle a l'avantage de ne pas nécessiter la conception d'un noyau magnétique ad hoc. La figure 9 illustre plus particulièrement le schéma de réluctance d'un exemple de topologie circulaire comportant un 30 noyau 90 standard, dont des zones symétriques 91 et 91' sont avantageusement parcourues par des flux magnétiques identiques, dont des zones symétriques 92 et 92' sont avantageusement parcourues par des flux magnétiques identiques, dont des zones symétriques 93 et 93' sont5 avantageusement parcourues par des flux magnétiques identiques et dont des zones symétriques 94 et 94' sont avantageusement parcourues par des flux magnétiques identiques. Il apparaît ainsi que les différentes barres transversales du noyau ont des flux qui sont tous de formes identiques. Dans certaines phases, les flux sont en phase et ont même amplitude, ils présentent une certaine symétrie. Toutes les zones décalées de 180° sont traversées par les même flux. Dans le présent exemple de réalisation, la solution permettant d'assurer la continuité du fonctionnement est de court-circuiter non seulement le filtre de la cellule désactivée ou défectueuse, mais également le filtre disposé symétriquement sur le noyau. Dans le présent exemple de réalisation, si cette condition n'était pas respectée, alors une concentration locale de flux se produirait, le circuit magnétique saturerait et le fonctionnement du convertisseur serait alors compromis. Il est à noter que, avec d'autres structures monolithiques, il n'est pas indispensable de court- circuiter deux cellules simultanément pour assurer le fonctionnement. FIG. 9 illustrates by a block diagram an exemplary implementation of the invention on an interlaced converter comprising a monolithic coupler with a circular topology. There is a large variety of ways to make a monolithic coupler. The most common topology is the so-called ladder topology shown in Figure 1. But this topology suffers from an oversizing problem because the local flow is concentrated in the magnetic circuit. Other topologies, commonly called circular topologies, avoid this oversizing, their symmetry naturally balancing the flow in the entire structure. FIG. 9 illustrates a circular topology called "standard core" because it has the advantage of not requiring the design of an ad hoc magnetic core. FIG. 9 more particularly illustrates the reluctance diagram of an example of a circular topology comprising a standard core 90, whose symmetrical zones 91 and 91 'are advantageously traversed by identical magnetic fluxes, whose symmetrical zones 92 and 92' are advantageously traversed by identical magnetic fluxes, whose symmetrical zones 93 and 93 'are advantageously traversed by identical magnetic fluxes and whose symmetrical zones 94 and 94' are advantageously traversed by identical magnetic fluxes. It thus appears that the various transverse bars of the nucleus have flows that are all of identical shapes. In some phases, the streams are in phase and have the same amplitude, they have a certain symmetry. All the zones offset by 180 ° are traversed by the same flows. In the present embodiment, the solution for ensuring continuity of operation is to short-circuit not only the filter of the deactivated or defective cell, but also the filter disposed symmetrically on the core. In the present embodiment, if this condition were not met, then a local concentration of flux would occur, the magnetic circuit would saturate and the operation of the converter would be compromised. It should be noted that, with other monolithic structures, it is not necessary to short-circuit two cells simultaneously to ensure operation.

Les figures 10a et 10b illustrent par des flèches la circulation des flux dans le circuit magnétique d'un coupleur 100 à quatre cellules selon l'invention. La figure 10a illustre le cas où deux cellules sur quatre sont utilisées et où aucun filtre n'est court-circuité. On se retrouve avec deux inductances parfaitement indépendantes l'une de l'autre et, en l'absence d'entrefer et d'échange de flux, les noyaux magnétiques saturent immédiatement. La figure 10b illustre le cas où deux cellules sur quatre sont utilisées et où les filtres correspondants aux phases inactives sont court-circuités. Les filtres court-circuités voient circuler un courant qui engendre un flux qui s'oppose à celui qui lui a donné naissance. Les flux n'empruntent donc pas ce chemin et passent par les cellules encore actives. FIGS. 10a and 10b illustrate with arrows the circulation of the fluxes in the magnetic circuit of a four-cell coupler 100 according to the invention. Figure 10a illustrates the case where two out of four cells are used and no filters are shorted. We end up with two inductances perfectly independent of each other and, in the absence of gap and flux exchange, the magnetic cores saturate immediately. Figure 10b illustrates the case where two cells out of four are used and where the filters corresponding to the inactive phases are short-circuited. The short-circuited filters circulate a current that generates a flow that opposes the one that gave birth to it. The flows do not follow this path and pass through the still active cells.

En effet, dans le cas des coupleurs monolithiques, la section de fer S fer ne dépend pas du nombre de phases. L'équation (2) ci-dessous garantit une section de fer S fer toujours constante, même avec un nombre variable de cellules en fonctionnement : E 8 X Nspire x Be x fini. (2) Ainsi, il peut être intéressant de modifier la fréquence de découpage, afin de maintenir une amplitude fixe d'ondulation du courant de sortie. Indeed, in the case of monolithic couplers, the iron section S iron does not depend on the number of phases. Equation (2) below guarantees an iron section S iron that is always constant, even with a variable number of cells in operation: E 8 X Nspire x Be x finite. (2) Thus, it may be interesting to modify the switching frequency, in order to maintain a fixed amplitude of ripple of the output current.

Avantageusement, une structure de contrôle peut être implémentée dans un FPGA ("Field-Programmable Gate Array"), de manière à adapter les déphasages des PWM ("Pulse Width Modulation") en fonction du nombre de phases à commander, avec l'aide d'un microprocesseur qui se charge des calculs et de l'analyse des mesures. Une référence sinusoïdale peut être placée dans une mémoire interne au FPGA. L'amplitude ainsi que la fréquence de génération de la sinusoïde peuvent être commandées par le microprocesseur. Le module PWM peut générer des DPWM ("Digitally adjusted Pulse Width Modulation ") à haute résolution double rampe. Ce modèle fait appel à des PLL ("Phase-Locked Loop ") déphasées qui ajoute des points de comparaison entre deux fronts d'horloge. Advantageously, a control structure can be implemented in an FPGA (Field-Programmable Gate Array), so as to adapt the phase shifts PWM ("Pulse Width Modulation") according to the number of phases to control, with the help a microprocessor that takes care of the calculations and the analysis of the measurements. A sinusoidal reference can be placed in a memory internal to the FPGA. The amplitude and the frequency of generation of the sinusoid can be controlled by the microprocessor. The PWM module can generate dual-ramp high resolution (PWT). This model uses out-of-phase PLLs (Phase-Locked Loop) that add points of comparison between two clock fronts.

L'invention décrite précédemment a encore pour principal avantage qu'elle est applicable aussi bien aux convertisseurs entrelacés comportant un coupleur monolithique qu'aux convertisseurs entrelacés comportant un coupleur à transformateurs montés en cascade cyclique. S fer The main advantage of the invention described above is that it is applicable both to interleaved converters comprising a monolithic coupler and to interleaved converters comprising a cyclic cascade transformer coupler. S iron

Claims

REVENDICATIONS1. Device for converting electrical energy, the device comprising a plurality of switching cells (11 to 16) each supplying current through its output phase, the device comprising magnetic means (17) for coupling the switching cells, the magnetic coupling means comprising inductances wound around at least one magnetic core, the output phase of each cell being connected to one of the inductors, the device being characterized in that it comprises means (18) for short circuit at least one of the inductances, so as to perpetuate the magnetic flux in the coupling means even when the output phase connected to said inductor does not provide current.

2. Device according to claim 1, characterized in that the means (18) for short-circuiting the inductor comprise at least one switch, the switch being closed in order to short-circuit the inductor.

3. Device according to claim 1, characterized in that it comprises means (19) for isolating the cell whose output phase does not provide current.

4. Device according to claim 3, characterized in that the means (19) for isolating the cell (20) comprise at least one switch (21, 22, 23), the switch being open to isolate the cell. 25

5. Device according to claim 1, characterized in that the magnetic coupling means (17) comprise a single magnetic core in order to couple the inductances.

6. Device according to claim 5, characterized in that the single magnetic core contains an N97 type material.

7. Device according to claim 5, characterized in that the single magnetic core (90) is symmetrical, the inductances being wound in pairs around the core at symmetrical locations traversed by identical magnetic fluxes, the means for short-circuiting the inductance simultaneously shorting the inductance wound at the symmetrical location.

8. Device according to claim 1, characterized in that the magnetic coupling means comprise a plurality of interconnected magnetic cores to couple the inductors.

9. Device according to claim 8, characterized in that at least one of the magnetic cores contains a N97 type material.

10. Device according to claim 8, characterized in that the magnetic coupling means comprise a plurality of transformers (41 to 46), each transformer having its own magnetic core and two inductors, the transformers being interconnected in a cyclic cascade in order to couple their inductances.