FR2996383A1

FR2996383A1 - Convertisseur de tension continu/continu reversible de type " flyback "

Info

Publication number: FR2996383A1
Application number: FR1259180A
Authority: FR
Inventors: Hicham Sadki
Original assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Current assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-04
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: FR2996383B1

Abstract

Convertisseur de tension continu/continu bidirectionnel de type flyback (1), comprenant : - un circuit haute tension (2) ayant une entrée haute tension (4), un enroulement primaire (9) de transformateur et un interrupteur commandable bidirectionnel en courant (10), et - un circuit basse tension (3) ayant une entrée basse tension (6), un enroulement secondaire (22) de transformateur et un interrupteur commandable bidirectionnel en courant (23).

Description

Convertisseur de tension continu/continu réversible de type « flvback » La présente invention concerne un convertisseur de tension continu/continu réversible de type « flyback ». L'invention s'applique plus particulièrement, mais non exclusivement, à un convertisseur de tension continu/continu entre une source haute tension et une source basse tension, le convertisseur étant embarqué sur un véhicule à propulsion hybride ou électrique. Le véhicule comprend un moteur électrique de propulsion alimenté par la source haute tension. Dans certains cas, la source haute tension n'est pas disponible bien que l'on ait besoin d'une haute tension, par exemple lorsque l'on souhaite démarrer le moteur électrique. L'utilisation de la source haute tension n'est dans ce cas pas possible tant que des tests de sûreté n'ont pas été effectués alors qu'il est nécessaire d'alimenter électriquement la carte électronique du moteur. Il existe ainsi un besoin pour bénéficier d'un convertisseur de tension continu/continu qui soit réversible pour obtenir dans certains cas une haute tension à partir d'une source basse tension, tout en étant plus simple que les convertisseurs de tension continu/continu réversibles existant, par exemple le convertisseur en pont complet ou en demi-pont ou des montages triphasés. L'invention vise à fournir un convertisseur de tension continu/continu réversible et isolé galvaniquement et elle y parvient, selon l'un de ses aspects, à l'aide d'un convertisseur de tension continu/continu réversible (ou bidirectionnel) et de type flyback, comprenant : un circuit haute tension comprenant une entrée haute tension, un enroulement primaire et un interrupteur commandable bidirectionnel en courant, et - un circuit basse tension comprenant une entrée basse tension, un enroulement secondaire couplé magnétiquement avec l'enroulement primaire et un interrupteur commandable bidirectionnel en courant. Un tel convertisseur présente ainsi une isolation galvanique entre son entrée et sa sortie et il est 25 réversible. Le circuit haute tension peut comprendre un unique interrupteur commandable bidirectionnel en courant. Cet interrupteur peut être configuré pour découper la tension sur l'entrée haute tension. Cet interrupteur est notamment monté en série avec l'enroulement primaire. Le circuit haute tension peut comprendre un enroulement primaire additionnel configuré pour 30 mesurer une image de la tension sur l'entrée basse tension. La tension mesurée par cet enroulement primaire additionnel est par exemple une fraction de la tension sur l'entrée basse tension. Le circuit haute tension peut comprendre en outre un organe de commande, encore appelé « driver », de l'état de l'interrupteur commandable bidirectionnel en courant du circuit haute tension en fonction notamment de la tension mesurée par l'enroulement primaire 35 additionnel. Cet enroulement primaire additionnel peut être configuré de manière à voir le même flux magnétique que l'enroulement secondaire, tout en bénéficiant de l'isolation galvanique fournie par le convertisseur de type flyback au lieu du recours à un opto-coupleur ou tout autre moyen additionnel pour réaliser une mesure de tension isolée. La commande de l'interrupteur commandable bidirectionnel en courant du circuit haute tension peut alors être élaborée en fonction de la valeur du courant dans ledit interrupteur et de la valeur de tension mesurée par ledit enroulement primaire additionnel. Le circuit basse tension peut comprendre un unique interrupteur commandable bidirectionnel en courant. Dans ce cas, l'interrupteur commandable bidirectionnel en courant peut être monté en série avec l'enroulement secondaire.

Lorsque le circuit haute tension et le circuit basse tension ne comprennent chacun qu'un seul interrupteur commandable bidirectionnel en courant, le nombre de composants utilisés pour réaliser le convertisseur est réduit, de sorte que le coût et l'encombrement associés à ce convertisseur peuvent aussi être réduits bien que ce dernier soit réversible et présente une isolation galvanique.

Le circuit basse tension peut comprendre un enroulement secondaire additionnel configuré pour mesurer une image de la tension sur l'entrée haute tension. La tension mesurée par cet enroulement additionnel est par exemple une fraction de la tension sur l'entrée haute tension. Le circuit basse tension peut comprendre en outre un organe de commande, encore appelé « driver », de l'état de l'interrupteur commandable bidirectionnel en courant du circuit basse tension, en fonction notamment de la tension mesurée par l'enroulement secondaire additionnel. Cet enroulement secondaire additionnel peut être configuré de manière à voir le même flux magnétique que l'enroulement primaire, tout en bénéficiant de l'isolation galvanique fournie par le convertisseur de type flyback au lieu du recours à un opto-coupleur ou tout autre moyen additionnel pour réaliser une mesure de tension isolée.

La commande de l'interrupteur commandable bidirectionnel en courant du circuit basse tension peut alors être élaborée en fonction de la valeur du courant dans ledit interrupteur et de la valeur de tension mesurée par ledit enroulement secondaire additionnel. Le convertisseur peut comprendre une liaison série synchrone full duplex par laquelle communiquent une unité de commande de l'organe de commande du circuit haute tension et une unité de commande de l'organe de commande du circuit basse tension. La liaison série synchrone full duplex est avantageusement une liaison de type Serial Peripheral Interface (SPI). L'unité de commande de l'organe de commande du circuit haute tension comprend par exemple un circuit logique programmable (FPGA en anglais) et l'unité de commande de l'organe de commande du circuit basse tension comprend par exemple un microcontrôleur.

L'unité de commande du circuit haute tension et l'unité de commande du circuit basse tension peuvent mettre en oeuvre une commande du courant de crête (peak current mode control).Les unités de commande du convertisseur peuvent être configurées de manière à ce que le convertisseur fonctionne sélectivement en mode de conduction continue de courant et en mode de conduction discontinue de courant. Par exemple, lorsque de l'énergie électrique est transférée de l'entrée haute tension vers l'entrée basse tension du convertisseur, notamment pour alimenter une source de tension chargée par l'entrée basse tension du convertisseur, le convertisseur fonctionne exclusivement en mode de conduction discontinue de courant. Un tel transfert d'énergie correspond au mode de fonctionnement direct du convertisseur. Lorsque de l'énergie électrique est transférée de l'entrée basse tension vers l'entrée haute tension du convertisseur, notamment pour alimenter des composants électroniques reliés directement ou non à l'entrée haute tension du convertisseur, le convertisseur peut fonctionner exclusivement en mode de conduction continue de courant ou exclusivement en mode de conduction discontinue de courant ou d'abord en mode de conduction continue de courant au début de ce transfert puis passer en mode de conduction discontinue de courant au cours de ce transfert. Un tel transfert d'énergie correspond au mode de fonctionnement inverse du convertisseur. Le convertisseur est avantageusement configuré pour fonctionner de façon stable lors du 20 passage du mode de conduction continue de courant au mode de conduction discontinue de courant, et inversement. Lors du transfert d'énergie en mode direct ou en mode inverse, le rapport cyclique maximal appliqué à chaque interrupteur électronique commandable du convertisseur peut être de 50%. L'emploi d'une telle plage de valeurs de rapport cyclique permet d'éviter que des oscillations 25 subharmoniques ne se produisent. Au sens de la présente invention, le rapport cyclique appliqué à un interrupteur électronique correspond au rapport entre la fraction d'une période de découpage pendant laquelle l'interrupteur est passant et ladite période de découpage. Une tension continue comprise entre entre 200 V et 430 V peut être appliquée à l'entrée haute tension du convertisseur et une tension continue comprise entre 9 V et 20 V, notamment entre 9 V 30 et 16 V, peut être appliquée à l'entrée basse tension du convertisseur. Dans tout ce qui précède, le ou les interrupteurs commandables bidirectionnels en courant peuvent être des transistors à effet de champ En variante, il peut s'agir de transistors bipolaires présentant une diode montée en anti-parallèle ou de transistors de type IGBT présentant une diode montée en anti-parallèle.

Dans tout ce qui précède, le circuit haute tension et le circuit basse tension peuvent présenter la même structure, c'est-à-dire qu'ils peuvent être formés par des composants de même nature et agencés entre eux de la même façon. Le circuit haute tension et le circuit basse tension peuvent ainsi présenter une symétrie par rapport à la barrière de potentiel du convertisseur de type « flyback ». Le convertisseur peut être dépourvu d'étage de redressement synchrone. Le convertisseur, notamment ses éléments constitutifs, peut être configuré pour transférer une puissance électrique inférieure ou égale à 100 W. L'entrée haute tension du convertisseur peut être reliée, directement ou non, à la source de tension alimentant un moteur électrique servant à la propulsion d'un véhicule hybride ou électrique. Dans ce cas, l'entrée basse tension du convertisseur peut être reliée, directement ou non, à une source basse tension et le fonctionnement en mode inverse du convertisseur peut permettre l'alimentation de composants électroniques du circuit haute tension à partir de la source basse tension lorsque la source de tension alimentant le moteur électrique n'est pas disponible.

Dans cette application à la propulsion d'un véhicule hybride ou électrique, le convertisseur selon l'invention peut fonctionner en mode inverse lorsque l'on souhaite démarrer le moteur électrique. La haute tension n'étant pas disponible du fait de l'ouverture d'un relais batterie, le convertisseur permet de bénéficier sur son entrée haute tension d'une tension issue de la source basse tension pour pré-charger des condensateurs présents sur la carte électronique du moteur électrique. Une tension de 40 V est par exemple disponible sur l'entrée haute tension du convertisseur et cette tension permet de contrôler le bon fonctionnement d' interrupteurs électroniques commandables de la carte électronique du moteur, ces interrupteurs appartenant par exemple à un onduleur alimentant les phases du stator du moteur ou à un convertisseur de tension continu/continu interposé entre ledit onduleur et la source haute tension. La tension obtenue sur l'entrée haute tension du convertisseur à partir de la basse tension peut également permettre de vérifier le bon fonctionnement de drivers de la carte électronique du moteur électrique et/ou de détecter l'existence d'éventuels courts-circuits. En plus des condensateurs de la carte électronique du moteur, des condensateurs appartenant à des filtres CEM de mode différentiel peuvent également être pré-chargés à l'aide de la tension obtenue sur l'entrée haute tension du convertisseur à partir de la basse tension lorsque le convertisseur selon l'invention fonctionne en mode inverse. Les appels de courant seront ainsi réduits lorsque la fermeture du relais batterie rendant la source haute tension disponible s'effectuera. Lorsque ces différentes vérifications et/ou détections fournissent un résultat satisfaisant et que le relais batterie associé à la source haute tension se ferme, le convertisseur selon l'invention peut passer du mode de fonctionnement inverse au mode de fonctionnement direct, de sorte que l'entrée basse tension du convertisseur est alimentée à partir de la tension fournie par la source haute tension sur son entrée haute tension. On obtient alors une tension régulée, par exemple de 17 V sur l'entrée basse tension du convertisseur. On dispose ainsi d'une alimentation basse tension supplémentaire, en plus de la source basse tension déjà mentionnée, ce qui peut permettre de répondre à des exigences en termes de sûreté. L'alimentation de certains composants de la carte électronique du moteur électrique, par exemple des interrupteurs électroniques ou tout driver, peut ainsi être effectuée soit par la source basse tension, soit par la source haute tension à travers le convertisseur selon l'invention, soit en partie par la source basse tension et en partie par la source haute tension à travers le convertisseur selon l'invention. Dans un exemple, la source basse tension peut n'être utilisée que pour fournir une haute tension en mode inverse de fonctionnement du convertisseur, l'alimentation en basse tension de composants de la carte électronique, comme des drivers ou des interrupteurs électroniques, étant alors exclusivement assurée par la source haute tension à travers le convertisseur selon l'invention lorsqu'il fonctionne en mode direct. L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé d'alimentation d'au moins un composant électronique d'une chaîne de propulsion d'un véhicule hybride ou électrique par une haute tension, le véhicule comprenant en outre une source haute tension, une source basse tension, et le convertisseur tel que défini ci-dessus, procédé dans lequel : on alimente le composant électronique à l'aide de la tension fournie par la source haute tension lorsque celle-ci est disponible, et on alimente le composant électronique à l'aide de la tension obtenue sur l'entrée haute tension du convertisseur à partir de la tension fournie par la source basse tension sur l'entrée basse tension du convertisseur lorsque la source haute tension n'est pas disponible. Le composant électronique peut être l'un au moins d'un composant d'un onduleur ou d'un convertisseur de tension continu/continu à travers lequel le moteur électrique est électriquement alimenté par la source haute tension, ou un ou plusieurs condensateurs appartenant à des filtres 30 CEM de mode différentiel. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple non limitatif de mise en oeuvre de celle-ci et à l'examen du dessin annexé sur lequel : -la figure 1 représente de façon schématique un exemple de convertisseur de tension continu/continu selon l'invention, - les figures 2 et 3 représentent des exemples de tension et de courant lorsque le convertisseur de la figure 1 fonctionne en mode direct, et - les figures 4 et 5 représentent des exemples de tension et de courant lorsque le convertisseur de la figure 1 fonctionne en mode inverse.

On a représenté sur la figure 1 un convertisseur de tension continu/continu réversible et isolé galvaniquement 1 selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention. Le convertisseur 1 est de type flyback, comprenant un circuit haute tension 2 et un circuit basse tension 3. Le circuit haute tension 2 présente une entrée haute tension 4 reliée sur la figure 1 à une source de tension continue 5. Dans l'exemple considéré, la source de tension continue 5 applique à l'entrée haute tension 4 une tension comprise entre 200 V et 430 V. Cette source de tension continue 5 est, par exemple lorsque le convertisseur 1 est intégré au circuit électrique alimentant un moteur électrique utilisé pour propulser un véhicule hybride ou électrique, la batterie alimentant ce moteur électrique. Le circuit basse tension 3 présente une sortie basse tension 6 reliée sur la figure 1 à une source de tension continue 7. Dans l'exemple considéré, la source de tension continue 7 présente entre ses bornes une tension comprise entre 9 et 20 V, par exemple de 17 V. Dans l'application ci-dessus, la source de tension continue 7 est par exemple la batterie alimentant des drivers d'interrupteurs électroniques commandables d'un onduleur ou d'un convertisseur de tension continu/continu du circuit électrique et/ou lesdits interrupteurs électroniques commandables.

Le circuit haute tension est référencé sur une masse 8 et comprend un enroulement primaire 9, monté en série avec un interrupteur électronique commandable bidirectionnel en courant 10. Dans l'exemple considéré, l'enroulement primaire 9 et l'interrupteur 10 sont montés en série avec un shunt 13 permettant de mesurer le courant circulant dans l'interrupteur 10. L'interrupteur 10 est dans cet exemple un transistor à effet de champ.

Un condensateur 14 est monté en parallèle de l'association en série de l'enroulement primaire 9, de l'interrupteur 10 et du shunt 13. Le circuit haute tension 2 peut encore comprendre un enroulement primaire additionnel non représenté sur cette figure configuré pour mesurer une fraction de la tension sur l'entrée basse tension 6 du convertisseur 1.

Comme représenté sur la figure 1, le circuit haute tension 2 comprend encore dans cet exemple un organe de commande 15 de l'état de l'interrupteur 10. Cet organe de commande 15 élabore des signaux PWM envoyés à l'interrupteur 10 en fonction entre autres de la mesure de tension fournie par l'enroulement primaire additionnel et de la mesure de courant par le shunt 13. Le circuit basse tension 3 est référencé sur une masse 20 distincte de la masse 8 et isolée de cette dernière par une barrière d'isolation 21 et présentant par exemple une tension de barrière de kV. Le circuit basse tension 3 a dans l'exemple considéré la même structure que le circuit haute tension 2, comprenant un enroulement secondaire 22couplé magnétiquement avec l'enroulement primaire 9, monté en série avec un interrupteur électronique commandable bidirectionnel en courant 23. Dans l'exemple considéré, l'enroulement secondaire 22 et l'interrupteur 23 sont montés en série avec un shunt 24 permettant de mesurer le courant circulant dans l'interrupteur 23. L'interrupteur 23 est dans cet exemple un transistor à effet de champ. Un condensateur 25 est monté en parallèle de l'association en série de l'enroulement secondaire 22, de l'interrupteur 23 et du shunt 24. Le circuit basse tension 3 peut encore comprendre un enroulement secondaire additionnel non représenté sur cette figure et configuré pour mesurer une fraction de la tension sur l'entrée haute tension 4 du convertisseur 1. Comme représenté sur la figure 1, le circuit basse tension 3 comprend encore dans cet exemple un organe de commande 26 de l'état de l'interrupteur 23. Cet organe de commande 26 élabore des signaux PWM envoyés à l'interrupteur 23 en fonction entre autres de la mesure de tension fournie par l'enroulement secondaire additionnel et de la mesure de courant par le shunt 24. L'organe de commande 15 et l'organe de commande 26 peuvent être chacun piloté par une unité de commande et ces unités de commande peuvent communiquer entre elles par le biais d'une liaison de type SPI non représentée sur la figure 1. Dans le cas présent, l'unité de commande de l'organe de commande 15 comprend un circuit logique programmable (FPGA) et l'unité de commande de l'organe de commande 26 comprend un microcontrôleur. La présence des enroulements additionnels permet que la commande de l'interrupteur électronique bidirectionnel en courant 10, respectivement 23, du circuit haute tension 2, respectivement basse tension 3, prenne en compte l'état du circuit basse tension 3, respectivement du circuit haute tension 2. La tension obtenue à l'aide de l'enroulement primaire, respectivement secondaire, additionnel peut constituer une mesure pour la régulation effectuée par l'organe de commande 15, respectivement 26. La commande des interrupteurs bidirectionnels en courant 10 et 23 est dans l'exemple considéré effectuée par contrôle du courant de crête, avec un rapport cyclique maximal de 50 %. Lorsque le convertisseur 1 fonctionne en mode direct avec un transfert d'énergie selon la flèche 100, c'est-à-dire selon l'exemple de la figure 1 lorsque la source basse tension 7 est chargée à l'aide de la source haute tension 5, le convertisseur peut fonctionner en mode de conduction discontinue de courant. Ce mode direct peut être piloté par le FPGA. Sur la figure 2, le graphe de gauche correspond au cas où la tension sur l'entrée haute tension 4 est de 200 V et où l'on cherche à appliquer une tension de 17 V sur l'entrée basse tension 6 tandis que le graphe de droite correspond au cas où l'on cherche à appliquer une tension de 17 V sur l'entrée basse tension 6 lorsque la tension sur l'entrée haute tension 4 est de 430 V. La figure 3 qui représente le courant mesuré par le shunt 13 avec une tension sur l'entrée haute tension 4 de 430 V, montre que le convertisseur fonctionne en mode de conduction discontinue de courant. Lorsque le convertisseur 1 fonctionne en mode inverse avec un transfert d'énergie selon la flèche 101, c'est-à-dire selon l'exemple de la figure 1 lorsque la source haute tension 5 est chargée à l'aide de la source basse tension 7, ce mode est dans l'exemple décrit piloté par le microcontrôleur commandant l'organe de commande 26. Le convertisseur 1 peut fonctionner en mode de conduction continue de courant lors du début de cette charge puis basculer vers un fonctionnement en mode de conduction discontinue de courant au cours de cette charge. Sur la figure 4, le graphe du haut montre la tension sur l'entrée haute tension 4 lorsque la tension sur l'entrée basse tension 6 est de 9V et où l'on cherche à appliquer une tension de 40 V sur l'entrée haute tension 4 pour effectuer une pré-charge de condensateurs du circuit électrique. Ces condensateurs sont par exemple des condensateurs films ayant une capacité de 250 itF. Sur le graphe du bas de la figure 4, on a superposé à la tension sur l'entrée haute tension 4 le courant mesuré par le shunt 13. La figure 5 montre, sur le graphe de gauche le courant mesuré par le shunt 13 toujours avec une tension sur l'entrée basse tension 6 de 9 V et lorsque le convertisseur 1 fonctionne en mode de conduction continue de courant et sur le graphe de droite ce même courant lorsque le convertisseur 1 a basculé dans le mode de conduction discontinue de courant. La pré-charge des condensateurs peut être effectuée en 80 ms. Le mode inverse décrit en référence aux figures 4 et 5 peut être utilisé lorsque la source haute tension n'est pas disponible mais que l'on a besoin d'une alimentation électrique pour les composants électroniques qu'elle alimente habituellement. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. En particulier, le circuit haute tension, respectivement basse tension, peut comprendre plusieurs interrupteurs électroniques commandables bidirectionnels montés chacun en parallèle et chacun relié à une borne de l'enroulement primaire, respectivement secondaire, de transformateur.

L'expression « comprenant un » doit être comprise comme synonyme de l'expression « comprenant au moins un », sauf lorsque le contraire est spécifié.

Claims

REVENDICATIONS1. Convertisseur (1) de tension continu/continu bidirectionnel de type flyback, comprenant : - un circuit haute tension (2) ayant une entrée haute tension (4), un enroulement primaire (9) et un interrupteur commandable bidirectionnel en courant (10), et - un circuit basse tension (3) ayant une entrée basse tension (6), un enroulement secondaire (22) couplé magnétiquement avec l'enroulement primaire (9) et un interrupteur commandable bidirectionnel en courant (23).
2. Convertisseur selon la revendication 1, le circuit haute tension (2) comprenant un unique interrupteur commandable bidirectionnel en courant (10). 10
3. Convertisseur selon la revendication 2, l'interrupteur commandable bidirectionnel en courant (10) étant monté en série avec l'enroulement primaire (9).
4. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, le circuit haute tension (2) comprenant un enroulement primaire additionnel configuré pour mesurer une image de la tension sur l'entrée basse tension (6) et le circuit haute tension (2) comprenant en outre un 15 organe de commande (15) de l'état de l'interrupteur commandable bidirectionnel en courant (10) du circuit haute tension (2) en fonction de la tension mesurée par l'enroulement primaire additionnel et du courant dans ledit interrupteur (10) Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, le circuit basse tension (3) comprenant un unique interrupteur commandable bidirectionnel en courant (23). Convertisseur selon la revendication 5, l'interrupteur commandable bidirectionnel en courant (23) étant monté en série avec l'enroulement secondaire (22). Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, le circuit basse tension (3) comprenant un enroulement secondaire additionnel configuré pour mesurer une image de la tension sur l'entrée haute tension (4) et le circuit basse tension (3) comprenant en outre un organe de commande (25) de l'état de l'interrupteur commandable bidirectionnel en courant (23) du circuit basse tension (3) en fonction de la tension mesurée par l'enroulement secondaire additionnel et du courant dans ledit interrupteur (23). Convertisseur selon les revendications 4 et 7, comprenant une liaison série synchrone full duplex par laquelle communiquent une unité de commande de l'organe de commande (15) du circuit haute tension (2) et une unité de commande de l'organe de commande (25) du circuit basse tension (3). Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, étant configuré pour fonctionner sélectivement en mode de conduction continue de courant et en mode de conduction discontinue de courant.
5. 206. 7. 25 8. 30 9.10. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'entrée haute tension (4) ayant une tension continue comprise entre 200 V et 430 V et l'entrée basse tension (6) ayant une tension continue comprise entre 9 V et 16 V.