FR2971105A1

FR2971105A1 - Etage terminal de conversion et convertisseur associe

Info

Publication number: FR2971105A1
Application number: FR1150736A
Authority: FR
Inventors: Perez De Azpeitia Manuel Arias; Zuniga Francisco Javier Sebastian; Lamar Diego Gonzalez; Didier Christian Regis Balocco
Original assignee: AEG Power Solutions BV
Current assignee: AEG Power Solutions BV
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2012-08-03

Abstract

Etage terminal de conversion d'un convertisseur pour l'alimentation en courant, au travers d'une inductance (52), d'une chaîne de LEDs (50) en parallèle de laquelle est montée une capacité (54), comportant un commutateur (58) coopérant avec une diode de roue libre (56) pour commuter alternativement, selon un rapport cyclique D déterminé, le courant traversant l'inductance entre une première tension d'entrée continue V1 non nulle et une seconde tension d'entrée continue V2 non nulle correspondant à une tension d'extinction de la chaîne de LEDs.

Description

Domaine de la technique

La présente invention se rapporte au domaine des convertisseurs destinés à l'alimentation de chaînes de diodes électroluminescentes (LED) s notamment pour l'éclairage public et elle concerne plus particulièrement l'étage final de commande de la chaîne de LEDs d'un convertisseur.

Art antérieur

lo Les diodes électroluminescentes notamment à haute brillance (HBLED) sont de plus en plus répandues dans l'industrie car elles assurent une conversion de l'énergie photovoltaïque avec un rendement élevé. La commande de ces LEDs doit pouvoir s'effectuer dans des plages de tensions élevées, avec peu d'ondulations et de préférence avec une 15 isolation galvanique entre l'entrée et la sortie du convertisseur. De plus, il est nécessaire de se conformer aux standards relatifs aux émissions électromagnétiques. Les convertisseurs en cascade avec un premier étage à correction de facteur de puissance (PFC) élaborant une tension continue à partir d'une tension alternative, un second étage d'isolement galvanique 20 et un troisième étage de conversion continu-continu s'avèrent donc particulièrement adaptés à l'alimentation des LEDs qui dans ce dernier étage sont en général commandées selon deux techniques, à savoir : la commande PWM ou la commande plus classique en amplitude.

25 La figure 1 montre un exemple d'un tel circuit de commande de d'une chaîne de LEDs extrait du brevet US7,538,534. Ce circuit comporte deux bornes d'entrée pour recevoir une tension d'entrée continue Vin alimentant une chaîne de LEDs 10 montée en série avec une inductance 12, l'ensemble étant disposé en parallèle d'une diode de roue libre 14 et 30 en série avec un commutateur 16 dont la commande est activée périodiquement pour relier la chaîne de LEDs aux bornes d'entrée et assurer ainsi son alimentation.

Ce dernier étage de conversion présente toutefois l'inconvénient d'être conçu et dimensionné avec une excursion relativement élevée pour permettre une variation de la tension de sortie entre zéro et une valeur maximale, ce qui, outre un coût et un encombrement important, limite l'efficacité et le rendement disponible.

But et objet de l'invention

La présente invention a pour but de pallier les inconvénients précités en proposant un convertisseur dont l'étage terminal de conversion pour l'alimentation en courant, au travers d'une inductance, d'une chaîne de LEDs en parallèle de laquelle est montée une capacité, comporte un commutateur coopérant avec une diode de roue libre pour commuter alternativement, selon un rapport cyclique D déterminé, le courant traversant ladite inductance entre une première tension d'entrée continue V1 non nulle et une seconde tension d'entrée continue V2 non nulle correspondant à une tension d'extinction de ladite chaîne de LEDs.

Ainsi, la chaîne de LEDs étant commandée entre deux tensions non nulles, les composants semi-conducteurs sont soumis à une excursion de tension notablement réduite, ce qui permet d'augmenter le rendement du convertisseur tout en en diminuant les coûts.

Selon le mode de réalisation envisagé, soit ladite inductance est montée en série d'une part avec ledit commutateur et l'ensemble formé par ladite chaîne de LED et ladite capacité aux bornes de ladite première tension d'entrée continue V1 et d'autre part avec ladite diode de roue libre aux bornes de ladite seconde tension d'entrée continue V2, formant ainsi un étage de conversion dévolteur soit ladite inductance est montée en série d'une part avec ledit commutateur aux bornes de ladite première tension d'entrée continue V1 et d'autre part avec ladite diode de roue libre et l'ensemble formé par ladite chaîne de LED et ladite capacité aux bornes de ladite seconde tension d'entrée continue V2, formant ainsi un étage de conversion survolteur.

Dans un étage de conversion dévolteur, lesdites tensions d'entrée continues V1 et V2 sont déterminées par les deux formules suivantes : V1 n * VY LED + Rd *'nom V2 < n * VY LED Où n est le nombre de LEDs de ladite chaîne de LEDs, VY LED la source de tension équivalente d'une LED, Rd sa résistance dynamique et Inom son courant nominal.

io Dans un étage de conversion survolteur, lesdites tensions d'entrée continues V1 et V2 sont déterminées par les deux formules suivantes : V1 > Rd * Inom * (1-D)/D V2<n*VYLED Où n est le nombre de LEDs de ladite chaîne de LEDs, VY LED la source de 15 tension équivalente d'une LED, Rd sa résistance dynamique, Inom son courant nominal et D le rapport cyclique du convertisseur.

L'invention concerne aussi un convertisseur comportant un étage terminal de conversion tel que précité dont lesdites première et seconde 20 tensions d'entrée continues V1, V2 sont obtenues aux bornes de deux capacités disposées en sortie de deux circuits redresseurs montés chacun sur un enroulement secondaire d'un transformateur dont l'enroulement primaire disposé en parallèle sur une inductance est alimenté depuis une tension d'entrée V;nput au travers d'une structure de commutation. 25 De préférence, lesdits enroulements secondaires sont à point milieu et lesdits circuits redresseurs sont des redresseurs double alternance.

30 Avantageusement, ladite structure de commutation est une structure de commutation en demi-pont comportant deux capacités et deux commutateurs MOSFETs.

De préférence, ladite tension d'entrée V;nput est obtenue en sortie d'un étage de conversion PFC.

Avantageusement, l'ensemble des capacités sont de type non 5 électrolytique.

Brève description des dessins :

Les caractéristiques et avantages de la présente invention 10 ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels : La figure 1 illustre un exemple de réalisation d'un étage terminal d'un convertisseur de l'art antérieur alimentant une chaîne de LEDs, La figure 2 montre les courbes tension/courant et flux 15 lumineux/courant caractéristiques d'une chaîne de LEDs, Les figures 3A et 3B illustrent un exemple de réalisation d'un étage terminal d'un convertisseur alimentant une chaîne de LEDs conforme à la présente invention, La figure 4 illustre un exemple de réalisation d'un second étage 20 d'un convertisseur alimentant une chaîne de LEDs conforme à la présente invention, Les figures 5 à 8 montrent des diagrammes des temps de différents signaux relevés à certains points particuliers du convertisseur de l'invention, et 25 - La figure 9 illustre un autre exemple de réalisation d'un étage terminal d'un convertisseur alimentant une chaîne de LEDs conforme à la présente invention.

30 Description détaillée d'un mode de réalisation préférentielle

L'invention repose sur la constatation des inventeurs qu'il existait, au contraire d'une charge quelconque, une relation particulière entre la tension aux bornes d'une chaîne de n LEDs et le courant correspondant dans cette chaîne. Le schéma de la figure 2 montre pour une valeur de courant traversant la chaîne les valeurs respectives de la tension aux bornes de la chaîne et du flux lumineux émis par cette chaîne. Comme on peut le noter, le flux émis ÀA est quasi proportionnel au courant IA alors s que ce courant n'est pas proportionnel à la tension VA. Ainsi, pour obtenir du courant dans la chaîne de LED, il suffit d'appliquer une tension supérieure à une tension d'extinction Vm;n égale à n fois la tension VY_LED correspondant à la source de tension équivalente à une LED de la chaîne.

io L'invention propose donc une nouvelle configuration de l'étage terminal d'un convertisseur en cascade permettant l'alimentation d'une chaîne de LEDs qui, de façon remarquable et prenant acte de cette simple constatation, sacrifie l'excursion importante de la tension de sortie des convertisseurs actuels au profit d'une augmentation du rendement du is convertisseur et d'une diminution sensible de son coût.

La figure 3A illustre un étage final d'un convertisseur conforme à la présente invention. Contrairement à l'art antérieur, la chaîne de LEDs 20 n'est plus alimentée par une seule tension d'entrée continue mais par 20 deux tensions d'entrée continues V1 et V2, la première tension d'entrée continue V1 alimentant, comme le faisait précédemment la tension unique Vin, la chaîne de LEDs montée en série avec une inductance 22, une capacité 24 étant toutefois disposée en parallèle de cette chaîne de LEDs et l'ensemble LEDs/inductance étant lui-même en série avec un 25 commutateur 26. Mais, alors que précédemment cet ensemble était en parallèle avec une diode de roue libre, cette diode 28 dont l'anode est reliée à la jonction de l'inductance 22 et du commutateur 26 est maintenant montée en série avec une seconde tension d'entrée continue V2 inférieure à V1 et alimentant également l'ensemble formé par la 30 chaîne de LEDs et l'inductance, de sorte que l'alimentation en courant de la chaîne de LEDs est assurée alternativement à partir des première et seconde tensions d'entrée continues V1 et V2 selon la périodicité de la commande du commutateur. La première tension d'entrée V1 est choisie de telle sorte qu'elle permette un allumage complet de la chaîne de LEDs et, au contraire, la seconde tension d'entrée V2 est choisie de telle sorte qu'elle permettre une extinction totale de la chaîne de LEDs. Plus particulièrement, les tensions V1 et V2 devront donc vérifier les deux formules suivantes : V1 > n * VY LED + Rd *'nom V2 n * VY LED Où Rd est la résistance dynamique d'une LED et Inom son courant nominal. Ainsi, et comme le montre la figure 3B, la tension aux bornes io l'ensemble LEDs/inductance évolue donc périodiquement (période T) entre deux valeurs V1 et V2 selon un rapport cyclique D déterminé par la commande du commutateur 26. La tension de sortie aux bornes de la chaîne de LEDs est alors donnée par la formule suivante : Vchaîne = Vl * D + V2 * (1-D) 15 Le fonctionnement simplifié de cet étage est le suivant. On supposera la tension de conduction de la diode de roue libre négligeable et la tension de sortie constante. Dans une première phase, le commutateur 26 est conducteur pendant un temps D, la diode de roue libre 28 est bloquée et l'inductance 22 soumis à la différence de tension 20 entre VI et la tension de sortie accumule de l'énergie et son courant croit donc linéairement. Dans une phase suivante, le commutateur 26 est bloqué pendant le temps T-D*T, la diode de roue libre 28 devient conductrice et l'énergie accumulée dans l'inductance durant la phase précédente est alors restituée à la charge en série avec la tension V2 25 faisant décroitre linéairement son courant.

Comparé au circuit de l'art antérieur, le commutateur 26 et la diode de roue libre 28 étant soumis à des tensions bien moins importantes, leur dimensionnement est donc plus petit et leur efficacité notablement 30 augmentée. Plus précisément, plus la différence entre les deux tensions d'entrée continues V1 et V2 est réduite plus les tensions auxquelles ces composants semi-conducteurs sont soumis seront faibles.

Les tensions d'entrée continues V1 et V2 de l'étage final peuvent être obtenues par exemple par le circuit de la figure 4 formant le second étage du convertisseur en cascade.

s Ce second étage est organisé autour d'un transformateur 30 dont l'enroulement primaire 30A disposé en parallèle sur une inductance 40 (qui peut avantageusement être l'inductance magnétisante du transformateur) est alimenté depuis une tension d'entrée Vinput au travers d'une structure en demi-pont avec deux capacités 32, 34 et deux 10 commutateurs 36, 38. Au secondaire du transformateur sont disposés deux enroulements secondaires 30B, 30C à point milieu, chacun relié à un circuit redresseur double alternance avec des diodes 42B, 44B et 42C, 44C suivie d'une capacité de sortie 46B, 46C respective délivrant les deux tensions de sortie V1 et V2. 15 Les commutateurs primaires sont commandés à fréquence constante et avec un rapport cyclique de 500/o. Les rapports de conversion sont donc fixes et dépendent des caractéristiques magnétiques du transformateur. Du fait de l'absence d'inductances de 20 sortie, la résonance entre les capacités de sortie 46B, 46C et les inductances de fuite au secondaire du transformateur permet de réaliser simplement une commutation à courant nul (ZCS) pour chacune des deux sorties isolées galvaniquement de l'entrée. Au primaire, une commutation à tension nulle (ZVS) peut aussi obtenue en prévoyant un entrefer 25 déterminé au centre du noyau du transformateur 30, de façon à obtenir un courant magnétisant suffisant lors de l'ouverture des commutateurs primaires 36, 38. Les pertes dans le transformateur sont ainsi bien entendu augmentées mais celles dans les commutateurs étant considérablement réduites, globalement le rendement est grandement 30 amélioré.

La tension Vinput est quant à elle issue directement du premier étage du convertisseur en cascade qui étant un étage classique de conversion à correction de facteur de puissance (offrant un rendement pouvant atteindre 97% sans le recours à des condensateurs électrolytiques) ne sera pas décrit plus en détail. Son principe peut par exemple être trouvé dans l'article de Xiajun et al « two-phase interleaved critical mode PFC boost converter with closed loop interleaving » paru s dans la revue « IEEE Transactions on Power Electronics », vol 24 pp 3003-3013, 2009.

L'efficacité d'un convertisseur en cascade muni d'un tel étage terminal a ainsi été vérifiée expérimentalement dans le cadre de io l'alimentation d'une chaîne de LEDs de 50W de puissance nécessitant une tension de 130V pour son allumage au maximum de luminosité (turn on) et de 90V pour son extinction (turn off).

Le premier étage est un étage de conversion classique à PFC 15 délivrant à partir d'une tension réseau une tension de 400V avec une ondulation de 10% maximum, le second étage délivrant pour sa part une tension basse de 80V et une tension haute de 140V (comme il peut être constaté une marge de sécurité de 10V a été prise pour chacune de ces tensions), à partir de commutateurs fonctionnant à une fréquence 20 constante de 100kHz. L'isolation galvanique de ce second étage est assurée par un transformateur ETD-39 avec un noyau magnétique 3F3 ayant un entrefer central de 0,3mm permettant de garantir au primaire une commutation à tension nulle de ces commutateurs. Une commutation à courant nul au secondaire est quant à elle obtenue avec des capacités 25 de sortie non électrolytiques de 200nF. La figure 5 illustre les tensions continues V1 (V°ut 2 high) et V2 (Voit 2 Iow) obtenues en sortie de ce second étage et qui forment aussi les deux tensions d'entrée de l'étage terminal. On peut y noter l'ondulation du premier étage que le second n'a pas atténué et que l'étage terminal sera chargé de supprimer ou à tout le 30 moins réduire notablement pour pouvoir délivrer un courant constant à la chaîne de LEDs.

Cet étage terminal qui opère également à 100 kHz comporte une inductance E20 de 0,350mH et une capacité de non électrolytique de 150nF. Les composants semi-conducteurs de cet étage étant soumis au plus à une tension de 60V (140 - 80), on peut donc recourir à un MOSFET IRF540 pour le commutateur 26 et à une diode 11DQ10 pour la diode de roue libre 28, ce qui va grandement augmenter le rendement de s cet étage qui peut atteindre 95,980/0 après un fonctionnement de 50 mm à pleine charge. La figure 6 montre les tensions obtenues aux bornes du commutateur (VMOSFET) et de la diode de roue libre et la figure 7 celles en entrée de l'inductance (Vf,ter) et sur la grille (VAS) du commutateur. On peut constater que celles-ci sont considérablement réduites favorisant io ainsi une notable réduction de pertes. Enfin, la figure 8 montre l'allure du courant d'alimentation de la chaîne de LEDs sur lequel subsiste seulement une ondulation résiduelle de 1% comparée à celle initiale de 10% de la tension d'entrée du second étage.

15 On notera que si l'étage terminal a été décrit essentiellement en regard d'une topologie abaisseuse de tension (buck), il est bien entendu qu'une topologie élévatrice de tension (boost), à l'image de la figure 9, dans laquelle l'alimentation de la chaîne de LEDs 30 est effectuée à partir de deux tensions V1 et V2 peut tout aussi bien convenir.

20 Ainsi, dans ce second exemple de réalisation, la chaîne de LEDs 50 est aussi alimentée par deux tensions d'entrée continues V1 et V2, la seconde tension d'entrée V2 alimentant la chaîne de LEDs montée en série avec une inductance 52, en parallèle de laquelle est montée une 25 capacité 54, et une diode de roue libre 56. A la jonction de l'inductance 52 et de la diode de roue libre 56 est disposé un commutateur 58 qui est alimenté par la première tension d'entrée V1 alimentant l'inductance, de sorte que l'alimentation en courant de la chaîne de LEDs est assurée alternativement à partir de ces tensions d'entrée continues V1 et V2 selon 30 la périodicité de la commande du commutateur. Comme précédemment, le commutateur 58 et la diode de roue libre 56 sont soumis à des tensions bien moins importantes et les tensions d'entrée continues sont choisies en fonction des tensions d'allumage et d'extinction de la chaîne de LEDs, la tension de sortie aux bornes de la chaîne de LEDs étant alors donnée par la formule suivante : Vchaîne = V2 + V1 * D/(1-D) Comme dans la topologie précédente, la première tension d'entrée s V1 est choisie de telle sorte qu'elle permette un allumage complet de la chaîne de LEDs et, au contraire, la seconde tension d'entrée V2 est choisie de telle sorte qu'elle permettre une extinction totale de la chaîne de LEDs. Plus particulièrement, les tensions V1 et V2 devront donc vérifier les deux formules suivantes : 10 V1 > Rd * Inom * (1-D)/D V2 n * VY LED Où Rd est la résistance dynamique d'une LED, Inom son courant nominal et D le rapport cyclique du convertisseur. Lorsque ce rapport cyclique est variable, la valeur de D sera prise égale au rapport cyclique 15 maximal Dmax- Le fonctionnement simplifié de cet étage est le suivant. On supposera la tension de conduction de la diode de roue libre négligeable et la tension de sortie constante. Dans une première phase, le commutateur 58 est conducteur pendant un temps D, la diode de roue 20 libre 56 est bloquée et l'inductance 52 soumis à la seule tension V1 accumule de l'énergie et son courant croit donc linéairement. Dans une phase suivante, le commutateur 58 est bloqué pendant le temps T-D*T, la diode de roue libre 56 devient conductrice et l'énergie accumulée dans l'inductance durant la phase précédente est alors restituée à la charge en 25 série avec la tension V2 faisant décroitre linéairement son courant.

Claims

REVENDICATIONS1. Etage terminal de conversion d'un convertisseur pour l'alimentation en courant, au travers d'une inductance (22, 52), d'une chaîne de LEDs (20, 50) en parallèle de laquelle est montée une capacité (24, 54), caractérisé en ce qu'il comporte un commutateur (26, 58) coopérant avec une diode de roue libre (28, 56) pour commuter alternativement, selon un rapport cyclique D déterminé, le courant traversant ladite inductance entre une première tension d'entrée continue V1 non nulle et une seconde tension io d'entrée continue V2 non nulle correspondant à une tension d'extinction de ladite chaîne de LEDs.
2. Etage terminal de conversion selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite inductance est montée en série d'une part avec ledit 15 commutateur et l'ensemble formé par ladite chaîne de LED et ladite capacité aux bornes de ladite première tension d'entrée continue V1 et d'autre part avec ladite diode de roue libre aux bornes de ladite seconde tension d'entrée continue V2, formant ainsi un étage de conversion dévolteur. 20
3. Etage terminal de conversion selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites tensions d'entrée continues V1 et V1 sont déterminées par les deux formules suivantes : V1 ? n * VY LED + Rd * 'nom 25 V2 < n * VY LED Où n est le nombre de LEDs de ladite chaîne de LEDs, VY LED la source de tension équivalente d'une LED, Rd sa résistance dynamique et Inom son courant nominal. 30
4. Etage terminal de conversion selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite inductance est montée en série d'une part avec ledit commutateur aux bornes de ladite première tension d'entrée continue V1 et d'autre part avec ladite diode de roue libre et l'ensemble formé par ladite chaîne de LED et ladite capacité aux bornes de ladite secondetension d'entrée continue V2, formant ainsi un étage de conversion survolteur.
5. Etage terminal de conversion selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites tensions d'entrée continues V1 et V2 sont déterminées par les deux formules suivantes : V1 > Rd * Inom * (1-D)/D V2 n * VY LED Où n est le nombre de LEDs de ladite chaîne de LEDs, VY LED la source de tension équivalente d'une LED, Rd sa résistance dynamique, Inom son courant nominal et DMax le rapport cyclique du convertisseur.
6. Convertisseur comportant un étage terminal de conversion selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et seconde tensions d'entrée continues V1, V2 sont obtenues aux bornes de deux capacités (46B, 46C) disposées en sortie de deux circuits redresseurs (42, 44) montés chacun sur un enroulement secondaire (30B, 30C) d'un transformateur (30) dont l'enroulement primaire 30A disposé en parallèle sur une inductance (40) est alimenté depuis une tension d'entrée V;nput au travers d'une structure de commutation (32, 34, 36, 38).
7. Convertisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits enroulements secondaires sont à point milieu et lesdits circuits redresseurs sont des redresseurs double alternance.
8. Convertisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite structure de commutation est une structure de commutation en demi-pont comportant deux capacités (32, 34) et deux commutateurs MOSFETs (36, 38). 30
9. Convertisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite tension d'entrée Vinput est obtenue en sortie d'un étage de conversion PFC.25
10. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'ensemble des capacités sont de type non électrolytique.