FR3016096A1 - Convertisseur d'energie multi-sorties a commande par dephasage - Google Patents

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Abstract

Circuit de conversion d'énergie multi-sorties à commande par déphasage, recevant en entrée une tension continue et fournissant en sortie une pluralité de tensions continues modulables, ledit circuit comprenant un transformateur (12) comportant une entrée et une pluralité de sorties, ladite entrée étant connectée à un onduleur (11) comprenant au moins deux commutateurs et configuré pour convertir une tension continue en une tension alternative et chaque sortie étant connectée à un redresseur commandé (13) configuré pour convertir une tension alternative en une tension continue, chaque redresseur commandé (13) comprenant une inductance (L1, L2, LN) de stockage magnétique connectée à un convertisseur (13) alternatif vers continu comprenant au moins deux commutateurs, le circuit de conversion d'énergie comprenant en outre un module de commande (25) configuré pour générer des signaux de commande déphasés agencés pour piloter la commutation des commutateurs des onduleur (11) et redresseurs commandés (13).

Description

CONVERTISSEUR D'ENERGIE MULTI-SORTIES A COMMANDE PAR DEPHASAGE La présente invention concerne le domaine des convertisseurs de signaux continus en signaux continus dit DC/DC. La présente invention concerne plus particulièrement un circuit de conversion d'énergie multisorties à commande en déphasage ou «phase shift».
L'invention peut trouver son application dans des réseaux électriques multi tensions comme par exemple ceux embarqués dans les moyens de transport notamment dans les domaines aéronautique, automobile ou ferroviaire. Ces réseaux permettent d'alimenter différents appareils nécessitant des tensions continues différentes à partir d'une source de tension continue. Actuellement, les solutions proposées pour réaliser de tels réseaux sont généralement réalisées à base de structure de type Flyback ou Forward et la régulation des tensions de sortie de la structure se fait uniquement par une action sur les semi-conducteurs du circuit primaire. Un inconvénient de ces structures est que les tensions des différentes sorties sont liées et de ce fait, une seule et unique sortie peut être régulée. La dépendance des tensions des différentes sorties fait que toute variation de charge sur une des sorties à des répercutions sur les autres sorties.
Un but de l'invention est notamment de corriger un ou plusieurs des inconvénients de l'art antérieur en proposant une solution permettant d'obtenir, à partir d'une source de tension continue, plusieurs sources de tension continues dont chacun des niveaux peut être régulé indépendamment les uns des autres. De plus l'activité de chacune des sources de tension de sortie doit avoir un impact minimum sur celle des sorties voisines. A cet effet, l'invention a pour objet un circuit de conversion d'énergie multi-sorties à commande par déphasage ou " phase shift " recevant en entrée une tension continue et fournissant en sortie une pluralité de tensions continues comprenant un transformateur comportant une entrée et une pluralité de sorties, ladite entrée étant connectée à un onduleur comprenant au moins deux commutateurs et configuré pour convertir une tension continue en une tension alternative et chaque sortie étant connectée à un redresseur commandé configuré pour convertir une tension alternative en une tension continue, chaque redresseur commandé comprenant une inductance de stockage magnétique connectée à un convertisseur alternatif vers continu comprenant au moins deux commutateurs, le circuit de conversion d'énergie comprenant en io outre un module de commande configuré pour générer des signaux de commande déphasés agencés pour piloter la commutation des commutateurs des onduleurs et redresseurs commandés. Suivant un mode de réalisation, l'onduleur est réalisé avec une structure en demi-pont capacitif. 15 Suivant un mode de réalisation, l'onduleur est réalisé avec une structure en pont complet. Suivant un mode de réalisation, au moins un redresseur commandé est réalisé avec une structure en demi-pont capacitif. Suivant un mode de réalisation, au moins un redresseur commandé est 20 réalisé avec une structure en pont complet. Suivant un mode de réalisation, le bloc de régulation d'au moins un redresseur commandé comprend une entrée sur laquelle est appliqué un signal permettant de former le déphasage entre les signaux de commande des commutateurs de l'onduleur et de ceux dudit redresseur commandé. 25 Suivant un mode de réalisation, au moins un circuit commandé secondaire comprend une capacité de filtrage. L'invention a également pour objet un réseau électrique multi-tensions comprenant un circuit de conversion d'énergie multi-sorties à commande 30 par déphasage tel que décrit précédemment et au moins une source de tension continue, ledit circuit de conversion étant connecté à son entrée à ladite source de tension et fournissant aux bornes de ses différentes sorties les différentes tensions du réseau. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un tel circuit de conversion d'énergie multi-sorties à commande par déphasage caractérisé en ce qu'il comprend une étape de conception dudit circuit comportant une étape d'optimisation de la valeur d'une inductance de stockage magnétique, ladite étape de dimensionnement comprenant : - une étape de définition d'une plage de déphasage pour laquelle le courant de sortie dudit circuit de conversion est une fonction sensiblement linéaire du déphasage, - une étape de réduction de la largeur de ladite plage de déphasage de façon à réduire le courant dans les commutateurs lors de la commutation de ces derniers jusqu'à une valeur proche de zéro, - une étape d'estimation, à partir de la plage de déphasage, de la valeur de l'inductance. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à 20 titre illustratif et non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1, représente un exemple de mode de réalisation d'un circuit de conversion d'énergie multi-sorties à commande par déphasage 25 selon l'invention ; la figure 2, représente un mode de réalisation particulier d'un circuit de conversion d'énergie multi-sorties à commande par déphasage selon l'invention ; la figure 3 représente, par des chronogrammes, un exemple de 30 signaux de commande pour le circuit de la figure 2; la figure 4 représente un exemple d'allure de l'évolution du courant moyen en sortie du convertisseur multi sorties par rapport au déphasage entre l'onduleur et un redresseur commandé ; - la figure 5 représente un exemple d'allure de l'évolution du courant traversant les commutateurs lors de leur commutation. La figure 1 représente, de façon schématique, un exemple de mode 5 de réalisation d'un circuit de conversion d'énergie multi-sorties à commande par déphasage ou " phase shift » selon la terminologie anglo-saxonne. Le circuit peut comprendre un transformateur 12 comprenant une entrée comportant au moins un enroulement primaire et une pluralité de sorties comportant au moins un enroulement secondaire. Le transformateur to 12 peut être un transformateur monophasé, triphasé ou d'une façon générale polyphasé. Dans le cas d'un transformateur 12 triphasé et plus généralement d'un transformateur polyphasé, l'entrée et la sortie de ce transformateur 12 comporte plusieurs enroulements connectés entre eux selon différents arrangements. 15 L'entrée du transformateur 12 peut être connectée à un onduleur 11 de convertissant une tension continue Ve en une tension alternative. L'onduleur 11 peut être réalisé à l'aide d'une structure de commutateurs de puissance, comme par exemple des transistors bipolaires à grille isolée (ou IGBT pour insulated Gate Bipolar Transistor) ou des transistors MOS pour 20 Metal Oxide Semiconductor, montés en pont. L'onduleur 11 peut être réalisé avec un demi pont capacitif comme illustré figure 2. Suivant des modes de réalisation alternatifs, l'onduleur 11 peut être réalisé avec une structure en pont complet, avec au moins deux bras. Chaque sortie du transformateur 12 peut être connecté à un 25 redresseur commandé 13 convertissant la tension alternative en sortie du transformateur 12 en une tension continue Vsi, Vs2...V5N. Entre chaque redresseur commandé 13 et chaque sortie du transformateur 12 est connectée, en série, une inductance de stockage magnétique L1, L2, LN. Le redresseur commandé 13 peut être réalisé avec une structure de 30 commutateurs de puissance, comme par exemple des transistors bipolaires à grille isolée (ou IGBT pour insulated Gate Bipolar Transistor) ou des transistors MOS pour Metal Oxide Semiconductor, montés en pont. Le redresseur commandé 13 peut être réalisé avec un demi pont capacitif, une structure en pont complet, avec au moins deux bras ou tout moyens 35 équivalents.
Chacun des onduleur 11 et redresseur commandé 13 comprend au moins deux commutateurs de puissance. Afin de commander les différents commutateurs des onduleur 11 et redresseur commandé 13, le circuit de conversion d'énergie multi-sorties peut comprendre au moins un module 25 de commande (voir la figure 2) configuré pour générer des signaux de commande déphasés agencés pour piloter la commutation de ces commutateurs. Ce module 25 de commande peut être du type à modulation de largeur d'impulsion afin de faire varier le rapport de cycle des signaux de commande. io Suivant un mode de réalisation préféré, les signaux de commande sont générés avec un rapport de cycle sensiblement égal à 50%. Afin de faire varier le déphasage entre les signaux de commande de l'onduleur 13 et d'un redresseur commandé 13, le module 25 de commande pilotant ces deux circuits peut par exemple comprendre une entrée sur 15 laquelle on applique une tension dont la valeur permet de définir ledit déphasage. Le module 25 de commande peut par exemple être réalisé par un contrôleur, un microprocesseur, un dispositif comprenant divers circuits logiques et comparateurs, un circuit intégré dédié (ou ASIC pour Application- 20 Specific Integrated Circuit selon la terminologie anglo-saxonne) ou tout autre moyen équivalent. Suivant un mode de réalisation, au moins un redresseur commandé peut comprendre une capacité C1, C2, ..., CN de filtrage afin de lisser le 25 signal en sortie dudit redresseur commandé 13. De façon avantageuse, le fait de placer une inductance de stockage magnétique au niveau des redresseurs commandés 13 permet d'avoir des circuits secondaires totalement indépendants les uns des autres. 30 La tension aux bornes de l'entrée du transformateur 12 peut ainsi être distribuée aux différents enroulements secondaires et créer différentes sources de tension. Ces différentes sources peuvent être transformées, grâce aux différents modules de commande, pour les adapter à la tension voulue et alimenter différentes charges. 35 La figure 2 représente un mode de réalisation particulier de l'invention. Dans ce mode de réalisation, l'onduleur 11 comprend un convertisseur continu/alternatif réalisé à l'aide d'un demi pont capacitif. Chaque commutateur comprend un transistor bipolaire à grille isolée en parallèle avec une diode de roue libre. Ce convertisseur transforme une tension continue Ve en une tension alternative qui alimente l'entrée d'un transformateur 12 multi sorties (qui, dans l'exemple de la figure 2, donné à titre non limitatif, présente trois sorties). Chaque circuit connecté en sortie du transformateur 12 comprend une inductance L1, L2, L3 de stockage magnétique connectée en série avec un convertisseur alternatif/continu 13 formé à l'aide de commutateurs montés en pont complet. Comme précédemment, chaque commutateur peut comprendre un transistor bipolaire à grille isolée en parallèle avec une diode de roue libre.
Chaque convertisseur alternatif/continu 13 est connecté à un module de commande 25 configuré pour piloter la commutation des commutateurs dudit convertisseur. Chaque module de commande 25 est également connecté au convertisseur continu/alternatif 11 afin de piloter la commutation de ces commutateurs. Chaque module de commande 25 permet de définir le déphasage entre les signaux de commande de l'onduleur 11 et de chaque redresseur commandé 13. Suivant un mode de réalisation particulier, dans le cas où les onduleur 11 et/ou redresseur 13 seraient réalisés avec une structure à pont complet, le module de commande pourrait générer un déphasage entre les signaux de 25 commande des commutateurs des deux bras. Dans ce mode de réalisation particulier, chaque sortie du circuit de conversion d'énergie multi-sorties comprend une capacité de filtrage C1, C2, C3 connectée aux bornes du convertisseur 13 et configurée pour filtrer les tensions de sorties dudit convertisseur 13. 30 Suivant un mode de réalisation, au moins un module de commande est configuré pour permettre de faire varier la phase entre les signaux de commande des commutateurs de puissance de l'onduleur 11 et d'un redresseur commandé 13 et ainsi ajuster l'amplitude de la tension en sortie du redresseur commandé 13 géré par ledit module de commande 25. 35 Suivant le déphasage appliqué aux signaux de commande des commutateurs de l'onduleur 11 et du redresseur commandé 13, on peut réaliser soit un circuit élévateur de tension soit un montage atténuateur de tension. Le même circuit peut ainsi être utilisé pour réaliser les deux fonctions.
A titre illustratif, la figure 3 présente des exemples de signaux de commande pour piloter les commutateurs des redresseurs commandés 13 et de l'onduleur 11 du circuit de la figure 2 et assurer la commande par déphasage de chaque sortie du circuit de conversion d'énergie multi-sorties. io Dans ce mode de réalisation, chacun des signaux I_PO, I_P1, I_PN a un rapport cyclique de 50%. Les signaux I_POn, I_P1n, I_PNn sont les complémentaires des signaux I_PO, I_P1, I_PN aux temps morts Eit près. De façon connue, ces temps morts permettent de tenir compte du temps de commutation des commutateurs de puissance et ainsi éviter des courts 15 circuits. Les signaux des deux premiers chronogrammes I_PO et I_POn correspondent à la commande de l'onduleur 11. Ils permettent de définir la référence de phase. Les 2N signaux des chronogrammes suivants I_P1 et I_P1n, I_P2 et I_P2n, I_PN et I_PNn correspondent aux signaux de 20 commande des commutateurs des redresseurs commandés 13 du secondaire. Ces signaux permettent de définir le déphasage (pi, (P2, - , (PN entre l'onduleur 11 et chaque redresseur commandé 13. 25 De façon avantageuse, la structure de conversion à commande par décalage de phase ou " phase shift" selon l'invention permet la réalisation de convertisseur multi-sorties avec un seul circuit primaire et un seul transformateur. Chacun des circuits secondaires peut être régulé indépendamment l'un des autres et sur des références de masse différentes. 30 L'invention peut trouver son application dans des réseaux électriques multi tensions. Ces réseaux peuvent, par exemple, être embarqués dans des moyens de transport terrestre, aérien et/ou maritime. Le réseau électrique multi-tensions peut comprendre au moins une 35 source de tension continue connecté en entrée d'un circuit de conversion d'énergie multi-sorties à commande par déphasage tel que décrit précédemment, les différentes tensions alimentant ledit réseau multi-tensions se retrouvant aux bornes dudit ledit circuit de conversion.
En référence aux figures 4 et 5 une méthode d'optimisation de la valeur de la inductance L de stockage magnétique d'un redresseur commandé 13 va être présentée. La figure 4 représente d'allure du courant Is moyen en sortie d'un redresseur commandé 13 en fonction du déphasage Ag) appliqué entre les signaux de commande des commutateurs dudit redresseur 13 et ceux de l'onduleur 11. La représentation graphique de ce courant a la forme d'une sinusoïde. Pour faire de la régulation, il est intéressant de se placer au niveau d'une partie sensiblement linéaire de la courbe comme par exemple celle entre les phases (pa et cpb. On choisit donc une plage de variation de phase ou plage de fonctionnement, permettant d'avoir une variation sensiblement linéaire du courant en fonction du déphasage appliqué entre l'onduleur 11 et le redresseur commandé 13. De façon connue, le fait de fixer la plage de fonctionnement permet de fixer une valeur de l'inductance. La figure 5 illustre la forme du courant au niveau d'un commutateur au moment de la commutation de ce dernier en fonction de la phase pour différentes valeurs (pi, 92, (p3 du déphasage Acp appliqué entre l'onduleur 11 et le redresseur commandé 13. On remarque que lorsque l'on modifie la valeur du déphasage entre les signaux de commande des commutateurs de l'onduleur 11 et ceux du redresseur commandé 13, on modifie également la valeur du pic de courant et la valeur maximale de ce courant est plus ou moins élevée. Ainsi, lorsque le commutateur va basculer, il va interrompre un courant plus ou moins élevé suivant le déphasage appliqué. Afin de réduire le courant dans les commutateurs au moment du basculement on réduit la plage de déphasage.
La deuxième étape de l'optimisation consiste à réduire la valeur de la largeur de la plage de fonctionnement pour que le courant aux bornes des commutateurs soit proche de zéro au moment du basculement de ces derniers afin de réaliser une commutation dite douce ou ZCS pour Zero Current Switching selon la terminologie anglo saxonne. L'étape suivante consistera à déduire de cette plage - à l'aide de formules classiques connues de l'homme du métier - la valeur de l'inductance de stockage magnétique L. De façon avantageuse, le fait d'utiliser une valeur d'inductance L 5 dégradée par rapport au cas où l'on couvrirait une plage de fonctionnement de 900 permet de se trouver dans une zone où le courant de sortie est une fonction sensiblement linéaire du déphasage et d'effectuer des commutations douces. De plus le fait que la valeur de l'inductance L soit réduite permet de réduire le nombre de spires de cette dernière et donc les pertes dans ladite 10 inductance.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Circuit de conversion d'énergie multi-sorties à commande par déphasage, recevant en entrée une tension continue et fournissant en sortie une pluralité de tensions continues modulables caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur (12) comportant une entrée et une pluralité de sorties, ladite entrée étant connectée à un onduleur (11) comprenant au moins deux commutateurs et configuré pour convertir une tension continue en une tension alternative et chaque sortie étant connectée à un redresseur commandé (13) configuré pour convertir une tension alternative en une tension continue, chaque redresseur commandé (13) comprenant une inductance (-1, L2, , LN) de stockage magnétique connectée à un convertisseur (13) alternatif vers continu comprenant au moins deux commutateurs, le circuit de conversion d'énergie comprenant en outre un module de commande (25) configuré pour générer des signaux de commande déphasés agencés pour piloter la commutation des commutateurs des onduleur (11) et redresseurs commandés (13).
  2. 2. Circuit suivant la revendication précédente selon lequel l'onduleur (11) est réalisé avec une structure en demi-pont capacitif.
  3. 3. Circuit suivant la revendication 1 selon lequel l'onduleur (11) est réalisé avec une structure en pont complet.
  4. 4. Circuit suivant la revendication 1 selon lequel au moins un redresseur commandé (13) est réalisé avec une structure en demi-pont capacitif.
  5. 5. Circuit suivant la revendication 1 selon lequel au moins un redresseur commandé (13) est réalisé avec une structure en pont complet.
  6. 6. Circuit suivant une des revendications précédentes selon lequel le bloc de régulation (25) d'au moins un redresseur commandé (13) comprend une entrée sur laquelle est appliquée un signal permettant de former le déphasage entre les signaux de commande descommutateurs de l'onduleur (11) et de ceux dudit redresseur commandé (13).
  7. 7. Circuit suivant une des revendications précédentes selon lequel au moins un circuit commandé secondaire (13) comprend une capacité (Ci, C2, ..., CN) de filtrage.
  8. 8. Réseau électrique multi-tensions caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de conversion d'énergie multi-sorties à commande par déphasage selon une des revendications précédentes et au moins une source de tension continue, ledit circuit de conversion étant to connecté à son entrée à ladite source de tension et fournissant aux bornes de ses différentes sorties les différentes tensions du réseaux.
  9. 9. Procédé de fabrication d'un circuit de conversion d'énergie multisorties à commande par déphasage selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de conception dudit 15 circuit comportant une étape d'optimisation de la valeur d'une inductance (L) de stockage magnétique, ladite étape de dimensionnement comprenant : - une étape de définition d'une plage de déphasage pour laquelle le courant de sortie dudit circuit de conversion est une fonction 20 sensiblement linéaire du déphasage, - une étape de réduction de la largeur de ladite plage de déphasage de façon à réduire le courant dans les commutateurs lors de la commutation de ces derniers jusqu'à une valeur proche de zéro, - une étape d'estimation, à partir de la plage de déphasage, de la 25 valeur de l'inductance (L).
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