FR3022090A1 - Circuit onduleur et son procede de gestion - Google Patents

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Patrick Ebelshaeuser
Marco Koehler
Moritz Berberich
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Circuit onduleur (110) avec un montage en série de deux éléments de commutation (145, 147) entre la borne d'entrée (150) et la première borne intermédiaire (152). Le premier élément de commutation (145) comporte un montage en parallèle d'un premier commutateur commandé (T5) et une première diode (D5). Le second élément de commutation (147) a un montage en parallèle d'un second commutateur commandé (T6) et d'une seconde diode (D6). Les diodes (D5-D6) sont polarisées dans le sens opposé. Un troisième élément de commutation (150) entre la première borne intermédiaire (152) et la borne de sortie (140) ayant un montage en parallèle d'un troisième commutateur commandé (T2) et d'une troisième diode (D2), dont la cathode est reliée à la borne (152) et son anode à la sortie (140). Un quatrième élément de commutation (160) entre la sortie (140) et la seconde borne intermédiaire (157), a un montage en parallèle d'un quatrième commutateur commandé (T3) et d'une quatrième diode (D3), dont la cathode est reliée à la sortie (140) et l'anode à la borne (157).

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un circuit onduleur et un procédé de gestion d'un tel circuit onduleur ainsi qu'un appareil de commande et un produit-programme d'ordinateur pour la mise en oeuvre du procédé. Etat de la technique Dans les réseaux actuels d'alimentation en énergie, l'injection d'énergie électrique d'origine régénérative devient de plus en plus importante. Souvent cette énergie électrique d'origine régénérative est disponible sous la forme d'une tension continue qu'il faut transfor- mer en une tension alternative avant de l'injecter dans les réseaux publics de transport d'énergie. Pour cela, on utilise des circuits onduleurs qui assurent cette transformation. Une difficulté particulière est notamment que de nombreux circuits onduleurs ou transformateurs mul- es ti-niveaux selon l'état de la technique ont une consommation d'énergie élevée pour des tensions continues, variables supérieures à 1000 V ce qui détériore l'efficacité de tels circuits onduleurs. Le document DE 10 2011 079 214 A 1 décrit un circuit onduleur. 20 But de l'invention La présente invention a pour but, partant de cet état de la technique, de développer un circuit onduleur, un procédé de gestion d'un tel circuit et un onduleur ainsi qu'un appareil de commande appliquant le procédé et aussi un produit-programme d'ordinateur permet- 25 tant l'exécution du procédé. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un circuit onduleur avec les caractéristiques suivantes : une borne d'entrée, une première borne intermédiaire, une seconde borne intermédiaire et une borne de 30 sortie, un montage en série de deux éléments de commutation entre la borne d'entrée et la première borne intermédiaire, le premier élément de commutation comportant un montage en parallèle d'un premier commutateur commandé et d'une première diode et le second élément de commutation étant le montage en parallèle d'un second commutateur 35 commandé et d'une seconde diode, la première diode étant polarisée dans le sens opposé de celui de la seconde diode par rapport au sens de passage dans le montage en série, un troisième élément de commutation entre la première borne intermédiaire et la borne de sortie, cet élément ayant un montage en parallèle formé d'un troisième commutateur commandé et d'une troisième diode, dont la cathode est reliée à la pre- mière borne intermédiaire et son anode à la borne de sortie et un quatrième élément de commutation entre la borne de sortie et la seconde borne intermédiaire, ce quatrième élément de commutation ayant un montage en parallèle formé d'un quatrième commutateur commandé et d'une quatrième diode, dont la cathode est reliée à la borne de sortie et son anode à la seconde borne intermédiaire. Le branchement au sens de l'invention est par exemple qu'il s'agit d'une borne électrique ou de façon générale une pièce conductrice ayant un potentiel électrique comparable. Un commutateur est un composant électrique ou électronique qui permet de commander le passage du courant, de le libérer ou de le bloquer. Par exemple, un tel commutateur peut être un commutateur mécanique ou un commutateur électronique tel qu'un thyristor ou qu'un composant IGBT. Le circuit onduleur reçoit sur la borne d'entrée une tension et fournit à sa borne de sortie, un signal de tension électrique pulsé pour générer avec ce signal de tension, une tension alternative comme signal de sortie. La solution développée ci-dessus repose sur la considération qu'un circuit très souple s'adaptant à différents scénarios d'utilisation, se réalise avec très peu de composants électriques ou élec- troniques. Un tel circuit a l'avantage de générer de façon très simple et souple une tension alternative à partir d'une tension continue appliquée à sa borne d'entrée alors que selon l'état de la technique, un circuit avec une souplesse correspondant à celle du circuit onduleur présenté ici serait significativement plus importante.
La solution de l'invention offre l'avantage de fournir un signal de sortie généré avec une grande souplesse par le circuit onduleur en utilisant un nombre réduit de composants électriques ou de composants électroniques. Il en résulte l'avantage que la génération du signal de sortie réduit la puissance perdue. En même temps, le nombre très réduit de composants électriques ou électroniques réalise un circuit onduleur très économique. En outre de façon avantageuse un mode de réalisation comporte en outre une diode intermédiaire, entre la borne de potentiel de référence, notamment la borne de potentiel de masse et la première borne intermédiaire et/ou en outre, une seconde diode intermédiaire entre la borne de potentiel de référence, notamment la borne de potentiel de masse et la seconde borne intermédiaire. La borne de potentiel de référence est par exemple un branchement relié à la masse. Un tel mode de réalisation de l'invention offre l'avantage que l'on peut avoir un flux de puissance, négatif (c'est-à-dire un flux de puissance vers la borne de sortie) qui sera repris de sorte que la tension alternative à partir du signal de tension est générée de manière fiable et très simple sur le plan technique.
Suivant une autre caractéristique avantageuse le circuit onduleur comprend : un montage en série formé de deux éléments de commutation branchés en série entre une borne de tension de référence et la première borne de sortie, le premier élément de commutation de référence ayant un montage en parallèle formé d'un premier commuta- teur de référence, commandé et d'une première diode de référence et le second élément de commutation de référence ayant un montage en parallèle formé d'un second commutateur de référence, commandé et d'une seconde diode de référence, la première diode de référence étant polarisée dans le sens opposé de la seconde diode selon le sens de pas- sage dans le circuit série. Une telle réalisation de l'invention offre également l'avantage de pouvoir récupérer un flux de puissance négatif (c'est-à-dire un flux de puissance sur la borne de sortie) ce qui permet de générer, une tension alternative à partir du signal de sortie de manière fiable et techniquement très simple. Le circuit onduleur est particulièrement souple si, selon l'invention, il comporte en outre un cinquième élément de commutation entre une seconde borne d'entrée et la première borne intermédiaire et un montage en parallèle formé d'un cinquième commutateur et d'une cinquième diode, notamment dont l'anode est reliée au premier branchement intermédiaire. Cette réalisation de l'invention a l'avantage de pouvoir re- cevoir plusieurs niveaux de tension sur une ou plusieurs bornes d'entrée et fournir ainsi une tension alternative correspondante ou le signal de sortie correspondant pour générer une telle tension alternative. Cela permet de réaliser un circuit onduleur qui peut recevoir la tension de différents niveaux de fonctionnement pour fournir à partir de là, un signal de base générant une tension alternative correspondante.
Selon un autre développement de l'invention, le circuit onduleur comporte en outre un sixième élément de commutation entre une troisième borne et la seconde borne intermédiaire et un montage en parallèle formé d'un sixième commutateur et d'une sixième diode, notamment dont la cathode est reliée au second branchement intermé- diaire. Ce mode de réalisation de l'invention a l'avantage de pouvoir utiliser des tensions continues de signe algébrique inverse pour les injecter dans le circuit onduleur et néanmoins de nécessiter qu'un nombre très réduit de composants électriques ou électroniques, de sorte que le circuit est économique. De façon particulièrement avantageuse, un circuit onduleur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second montage en série entre une quatrième borne d'entrée et la seconde borne intermédiaire, formé d'un septième élément de commuta- tion et d'un huitième élément de commutation, le septième élément de commutation ayant un montage en parallèle formé d'un septième commutateur et une septième diode et le huitième élément de commutation ayant un montage en parallèle formé d'un huitième commutateur et d'une huitième diode, la septième diode étant polarisée dans le sens op- posé de la huitième diode pour le sens de passage dans le montage en série. Cette réalisation de l'invention a également l'avantage de traiter des tensions d'entrée de polarités différentes dans le circuit onduleur. Grâce à l'autre montage en série ou second montage en série cela permet de générer un signal de sortie de manière très flexible. A la fois pour un courant positif ou négatif sur la borne de sortie cela permet de transformer les différentes tensions continues disponibles en un signal commun de tension alternative. Un mode de réalisation de l'invention ayant un onduleur un circuit onduleur et une inductance couplée à la borne de sortie, no- tamment pour fournir une tension alternative à l'extrémité de l'inductance à l'opposé de celle reliée à la borne de sortie, est particulièrement avantageux. De façon très avantageuse, ce mode de réalisation de l'invention aboutit à un circuit onduleur très compact avec une induc- tance fournissant la tension alternative à partir du signal de sortie à la borne de sortie. Selon un autre développement, l'invention a pour objet un procédé de gestion d'un circuit onduleur caractérisé en ce que dans un intervalle de temps le procédé présente au moins les étapes sui- vantes : appliquer à la borne d'entrée une tension continue, gérer le troisième commutateur et le commutateur du premier élément de commutation ou du second élément de commutation, commutateur dont la diode est polarisée dans le sens passant entre la borne d'entrée et le se- cond branchement intermédiaire, à l'état de commutation ouvert et ou- vrir le commutateur du premier ou du second élément de commutation dont la diode est polarisée dans le sens passant entre la première borne intermédiaire et la borne d'entrée lorsque le quatrième commutateur est fermé ou sera fermé et/ou fermer le commutateur du premier élément de commutation ou du second élément de commutation, dont la diode est polarisée dans le sens passant entre la première borne intermédiaire et la borne d'entrée, lorsque le quatrième commutateur est ou sera ouvert. Ce mode de réalisation de l'invention permet avantageu- sement de gérer un circuit onduleur avec un nombre réduit de compo- sants électriques ou électroniques et dont la borne de sortie fournit avec très peu de pertes et de façon efficace, un signal de sortie à partir duquel on génère une tension alternative. De manière avantageuse, selon un autre développement de l'invention, le procédé selon le mode de réalisation de gestion d'un circuit onduleur décrit ici est proposé selon une forme de réalisation particulière et ce procédé comprend au moins un autre intervalle avec les étapes suivantes : gérer le troisième commutateur et le commutateur du premier élément de commutation ou du second élément de commu- n tation, commutateur dont la diode est polarisée dans le sens passant entre la borne d'entrée et le second branchement intermédiaire, à l'état de commutation ouvert et ouvrir le commutateur du premier ou du second élément de commutation dont la diode est polarisée dans le sens de passage entre la première borne intermédiaire et la borne d'entrée 10 lorsque le quatrième commutateur est fermé ou sera fermé et/ou fermer le commutateur du premier élément de commutation ou du second élément de commutation dont la diode est polarisée dans le sens passant entre la première borne intermédiaire et la borne d'entrée, lorsque le quatrième commutateur est ouvert ou sera ouvert. 15 Ce mode de réalisation de l'invention a l'avantage qu'en présence de différentes tensions d'entrée, notamment de tensions continues, les tensions d'entrées sont transformées très efficacement et avec de faibles pertes en utilisant uniquement un nombre réduit de composants électriques ou électroniques, en un signal de sortie appliqué à la 20 borne de sortie, et ces signaux sont transformés en une tension alterna- tive de manière techniquement très simple. Ce mode de réalisation de l'invention permet ainsi une conception souple du circuit de conversion des différentes tensions continues en une (unique) tension alternative. De façon particulièrement avantageuse le procédé de ges- 25 tion d'un circuit onduleur, est caractérisé en ce que dans l'étape d'ouverture, au moins un commutateur est commandé pour le passage du courant à travers les commutateurs concernés, sous la forme d'un signal PWM et/ou dans l'étape d'ouverture, au moins un commutateur est commandé en utilisant un signal PWM. Ce développement de 30 l'invention a l'avantage de pouvoir utiliser des commutateurs techni- quement très simples à réaliser et de ce fait très économique car ces commutateurs ont seulement à exécuter la fonction de commutation ouvert/ fermé. Suivant un autre développement avantageux, l'invention 35 a pour objet un appareil de commande exécutant les étapes du procédé telles que définies ci-dessus. Ce mode de réalisation de l'invention a l'avantage que par la connaissance de la topologie de commutation techniquement très simple, grâce à la commande avantageuse des différents éléments de commutation ou commutateurs, on pourra fournir à partir d'un ou plusieurs niveaux de tension continue, par une trans- formation avec très peu de pertes, un signal de sortie à transformer en une tension alternative. Grâce à ce développement de l'invention sous la forme d'un appareil de commande, l'invention permet de répondre rapidement et efficacement au problème posé. lo L'appareil de commande selon l'invention est un appareil électrique qui traite des signaux de capteurs et fournit, en fonction de cela, des signaux de commande et/ ou des signaux de données. L'appareil de commande comporte une interface réalisée sous la forme d'un circuit et/ou d'un programme. Dans le cas d'une réalisation sous 15 forme de circuit, l'interface fait, par exemple partie d'un système ASIC (système dédié) qui assure différentes fonctions de l'appareil de commande. Mais il est également possible de réaliser les interfaces par des circuits de commutation intégrés, propres ou qui ont au moins partiellement, des composants discrets. Dans le cas d'une réalisation sous la 20 forme d'un programme, les interfaces sont des modules de programmes résidant par exemple dans un microcontrôleur à côté d'autres modules de programmes. Selon une autre caractéristique avantageuse, l'invention a également pour objet un produit-programme d'ordinateur avec un 25 code programme sur un support lisible par une machine, telle qu'une mémoire semi-conductrice, un disque dur ou une mémoire optique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des formes de réalisations décrites ci-dessus lorsque le produit-programme est exécuté par un ordinateur ou un calculateur. 30 Dessins La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de circuits onduleurs et de leur procédé de gestion représentés dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma d'un onduleur selon un exemple de réalisation de l'invention avec un circuit onduleur toujours selon un exemple de réalisation de l'invention, la figure 2 est le schéma d'un circuit onduleur selon un exemple de réalisation de l'invention, la figure 3 est un diagramme de la tension de sortie à injecter dans un réseau d'alimentation en énergie en utilisant un circuit onduleur selon un exemple de réalisation de l'invention, la figure 4 est un diagramme de la tension sur la borne de sortie, du courant de sortie passant dans la borne de sortie ainsi que de la tension du réseau, ces diagrammes étant représentés en fonction du temps, la figure 5 montre plusieurs diagrammes avec des exemples de réalisation du comportement de commutation des différents commu- as tateurs T1-T8 en fonction du temps, la figure 6 montre plusieurs diagrammes avec des exemples de réalisation de tension dans les différents commutateurs T1-T8 en fonction du temps, la figure 7 montre plusieurs diagrammes avec des exemples de réa- 20 lisation de courbes de courant dans les différents commutateurs Tl-T8 en fonction du temps, la figure 8 montre plusieurs diagrammes avec des exemples de réalisation de courbes de tension dans les différentes diodes Dl-D8 en fonction du temps, 25 La figure 9 montre plusieurs diagrammes avec des exemples de réalisation de courbes de courant dans les différentes diodes D1- D8 en fonction du temps, La figure 10 montre un ordinogramme d'un exemple de réalisation d'un procédé de gestion d'un circuit onduleur selon un exemple de 30 réalisation de l'invention, La figure 11 montre un schéma d'un onduleur selon un autre exemple de réalisation de l'invention avec un circuit onduleur, La figure 12 montre un schéma d'un circuit onduleur selon un autre exemple de réalisation de l'invention, La figure 13 montre un diagramme de la tension de sortie à injecter dans un réseau d'alimentation en énergie avec un circuit onduleur selon un autre exemple de réalisation de l'invention et, La figure 14 montre un diagramme de la tension sur la borne de sortie, du courant de sortie dans la borne de sortie et de la tension du réseau en fonction du temps. Description de modes de réalisation La figure 1 montre un schéma d'un onduleur 100 com- portant un circuit onduleur 110 selon un exemple de réalisation de la présente invention. L'exemple de réalisation d'un onduleur 100 tel que présenté ainsi que le procédé de gestion de l'onduleur 100 décrit ensuite permettent d'injecter l'énergie électrique fournie par une source de tension continue 120 (représentée ici par les bornes de contact, sur lesquelles est prise la tension continue) dans un réseau de tension alternative 130 sous une tension alternative VAC. Pour simplifier, le ré- seau de tension alternative 130 est représenté à la figure 1 pour une seule phase bien que, de façon générale, par une conception appropriée (par exemple en multipliant la solution présentée ici pour les différentes phases) on aura une tension alternative pour les différentes phases du réseau de tension alternative 130. Les domaines d'application de l'onduleur 100 développés ici sont par exemple ceux d'un onduleur pour des installations photovoltaïques 135, une installation en relation avec les piles à combustible, les batteries ou autres sources de tension continue qui peuvent également être envisagées. L'exemple de réalisa- tion de l'onduleur 100 présenté sous la forme d'un schéma à la figure 1 permet une topologie multi-niveaux (c'est-à-dire générer plusieurs niveaux de tension). Cette conception repose sur le fait que l'énergie fournie par exemple par quatre sources de tension continue 120 (par exemple avec des niveaux de tension différents) alimentent un réseau de tension alternative 130 existant. En utilisant par exemple un convertis- seur continu/continu 125 (pour avoir le niveau de tension) on peut très efficacement fournir l'énergie d'une source de courant continu, par exemple d'une installation photovoltaïque 135 à un réseau de tension alternative 130.
La topologie alternative de l'onduleur 100 alimente en fonction du niveau de la tension alternative instantanée, l'énergie de différentes sources de tension continue 120 branchée en série. Ainsi, on commutera toujours seulement sur le niveau de tension qui suffit juste pour aimanter la bobine L côté réseau. Cela permet de réduire significa- tivement les dimensions de la bobine réseau L, ce qui réduit ainsi le coût et le poids (par rapport à des topologies à deux ou trois niveaux). En outre, on pourra fonctionner avec des tensions de systèmes plus élevées en utilisant des composants ou des commutateurs (par exemple des composants IGBT ou des thyristors) ayant une moindre tenue en tension. Cela se répercute également de manière positive sur la puissance perdue. La topologie peut se concevoir en monophasé ou en triphasé. Le schéma de l'onduleur 100 d'un exemple de réalisation de la présente invention, selon la figure 1 comporte comme base le cir- cuit onduleur 110 qui a un branchement de sortie 140 fournissant un signal de sortie qui sera détaillé ensuite, alimente l'inductance L pour fournir la tension alternative VAC du réseau de tension alternative 130. Le circuit onduleur 110 comporte ainsi un premier élément de commu- tation 145 et un second élément de commutation 147 branchés en série entre la borne d'entrée 150 et la première borne intermédiaire 152. Le premier élément de commutation 145 comporte un montage en parallèle d'un premier commutateur T5, par exemple sous la forme d'un composant électrique ou électronique ou d'un composant semi-conducteur tel qu'un composant IGBT et une première diode D5. Si l'on utilise un composant IGBT pour le premier commutateur T5, le collecteur de ce composant IGBT sera relié à la borne d'entrée 150 et son émetteur sera relié au second élément de commutation 147. En outre, la cathode de la première diode D5 est reliée à la borne d'entrée 150 et son anode est reliée au second élément de commutation 147. Le second élément de commutation 147 se compose d'un montage en parallèle formé d'un second commutateur T6, par exemple également d'un composant électrique ou électronique tel qu'un composant semi-conducteur comme un composant IGBT ou un thyristor et d'une seconde diode D6. Si l'on uti- lise un composant IGBT pour le second commutateur T6, son collecteur sera relié à la première borne intermédiaire 152 et son émetteur sera relié au premier élément de commutation 145. En outre, la cathode de la seconde diode D6 sera reliée au premier branchement intermédiaire 152 et l'anode de la seconde diode D6 sera reliée au premier élément de commutation 145. Un troisième élément de commutation 155 est branché entre le premier branchement intermédiaire 152 et le branchement de sortie 140. Le troisième élément de commutation 155 se compose d'un montage en parallèle formé d'un troisième commutateur T2, par exemple d'un composant électrique ou électronique tel qu'un composant semi-conducteur comme un composant IGBT ou un thyristor et d'une troisième diode D2. Si on utilise un composant IGBT pour le troisième commutateur T2, l'émetteur de ce composant IGBT sera relié à la borne de sortie 140 et son collecteur sera relié à la première borne intermé- diaire 152. En outre, la cathode de la troisième diode D2 sera reliée au premier branchement intermédiaire 152 et l'anode de la troisième diode D2 sera reliée à la borne de sortie 140. Une inductance L est branchée entre la borne de sortie 140 et le réseau de tension alternative 130.
Un quatrième élément de commutation 160 est branché entre le branchement de sortie 140 et le second branchement intermédiaire 157. Le quatrième élément de commutation 160 se compose d'un montage en parallèle formé d'un quatrième commutateur T3, par exemple d'un composant électrique ou électronique ou d'un composant semi-conducteur tel qu'un composant IGBT ou d'un thyristor et d'une quatrième diode D3. Si pour le quatrième commutateur T3 on utilise un composant IGBT, l'émetteur de ce composant IGBT sera relié au second branchement intermédiaire 157 et son collecteur sera relié à la borne de sortie 140. La cathode de la quatrième diode D3 est reliée à la borne de sortie 140 et son anode est reliée au second branchement intermédiaire 157. L'onduleur 110 a également une borne de potentiel de ré- férence 165 qui est au potentiel de masse lorsque le circuit onduleur 110 fonctionne. Entre cette borne de potentiel de référence 165 et la première borne intermédiaire 152 on a une première diode intermé- diaire D9 dont l'anode est reliée à la borne de potentiel de référence 165 et sa cathode est reliée au premier branchement intermédiaire 152. Egalement, selon le schéma de la figure 1 d'un exemple de réalisation d'un onduleur 100, entre le branchement de référence 165 et le second branchement intermédiaire 157 on a une seconde diode intermédiaire D10 ; la cathode de cette seconde diode intermédiaire D10 est reliée au branchement du potentiel de référence 165 et son anode est reliée au second branchement intermédiaire 157. Un cinquième élément de commutation 170 est prévu entre le premier branchement intermédiaire 152 et le second branche- ment d'entrée 168. Le cinquième élément de commutation 170 se compose du montage en parallèle d'un cinquième commutateur T1, par exemple également réalisé sous la forme d'un composant électrique ou électronique ou d'un composant semi-conducteur, tel qu'un composant IGBT ou encore d'un thyristor et d'une cinquième diode D 1. Le cin- quième commutateur T 1 est un composant IGBT dont l'émetteur est relié au premier branchement intermédiaire 152 et son collecteur est relié à la seconde borne d'entrée 168. La cathode de la cinquième diode D 1 est reliée à la seconde borne d'entrée 168 et son anode est reliée au premier branchement intermédiaire 152. Un sixième élément de commutation 177 est branché entre le second branchement intermédiaire 157 et la troisième borne d'entrée 175. Le sixième élément de commutation 177 se compose d'un montage en parallèle formé d'un sixième commutateur T4, par exemple également réalisé par un composant électrique ou électronique ou un composant semi-conducteur tel qu'un composant IGBT ou un thyristor et une sixième diode D4. Pour le sixième commutateur T4 on utilise un composant IGBT dont l'émetteur est relié à la troisième borne d'entrée 175 et le collecteur est relié au second branchement intermédiaire 157.
La cathode de la sixième diode D4 est reliée au second branchement intermédiaire 157 et son anode est reliée au troisième branchement d'entrée 175. Entre le second branchement intermédiaire 157 et le quatrième branchement intermédiaire 180 on le montage en série formé d'un septième élément de commutation 185 et d'un huitième élément de commutation 187.
Le septième élément de commutation 185 se compose du montage en parallèle d'un septième commutateur T7, par exemple également sous la forme d'un composant électrique ou électronique ou d'un composant semi-conducteur, tel qu'un composant IGBT ou d'un thyris- tor ainsi que d'une septième diode D7. Si pour le septième commuta- teur T7 on utilise un composant IGBT, dont l'émetteur sera relié au huitième élément de commutation 187 et le collecteur au quatrième branchement d'entrée 180. La cathode de la septième diode D7 est reliée au quatrième branchement d'entrée 180 et l'anode de la septième diode D7 est reliée au huitième élément de commutation 187. Le huitième élément de commutation 187 comporte un montage en parallèle formé d'un huitième commutateur T8, par exemple, également sous la forme d'un composant électrique ou électronique ou d'un composant semi-conducteur, tel qu'un composant IGBT ou d'un thyristor et d'une huitième diode D8. Si, pour le huitième commutateur T8 on utilise un composant IGBT, son émetteur sera relié au septième élément de commutation 185 et son collecteur au second branchement intermédiaire 157. En outre, la cathode de la huitième diode D8 est reliée au second branchement intermédiaire 157 et l'anode de la huitième diode D8 est reliée au septième élément de commutation 185. Une première capacité C 1 est branchée entre le second branchement d'entrée 168 et le branchement d'entrée 150. Une second capacité C2 est branchée entre le branchement d'entrée 150 et le bran- chement de potentiel de référence 165. Une troisième capacité C3 est branchée entre le branchement de potentiel de référence 165 et le quatrième branchement d'entrée 180. Enfin, une quatrième capacité C4 est prévue entre le quatrième branchement d'entrée 180 et le troisième branchement d'entrée 175.
La première sortie de la source d'énergie 135 qui est par exemple un module photovoltaïque est reliée au branchement d'entrée 150 et à l'entrée d'un premier convertisseur continu/continu, 125a. La sortie du premier convertisseur continu/continu 125a est relié au second branchement d'entrée 168. La seconde sortie de la source d'énergie 135 est reliée au quatrième branchement d'entrée 180 et à l'entrée d'un second convertisseur continu/continu 125b. La sortie du second convertisseur continu/continu 125b est relié au troisième branchement d'entrée 175. L'exemple de réalisation du circuit onduleur 110 repré- senté à la figure 1 comporte ainsi huit commutateurs semi-conducteurs T1-T8 (par exemple des composants IGBT) avec en parallèle, des diodes inverses Dl-D8 ainsi que deux diodes de verrouillage D9 et D10. La sortie 140 est reliée à une inductance L. La commande des commutateurs (IGBT) est faite par une unité de commande 190 qui génère un motif impulsionnel (par exemple un motif PWM - modulation de largeur d'impulsion) pour commander les différents commutateurs, par exemple selon la procédure détaillée ensuite. Comme tension d'entrée, on utilise quatre sources de tension continue 120 branchées en série (par exemple correspondant aux capacités C1-C4). La somme des quatre tensions doit être supé- rieure à la tension de pic à pic de la tension alternative du réseau 130 alimenté. Les tensions continues sont symétriques par rapport au centre 165 qui correspond au branchement du potentiel de référence ou branchement de la masse.
L'amplitude des deux tensions intérieures V2, V3 repré- sentées dans le schéma du circuit onduleur 110 de la figure 2 n'est pas limitée (V2 V1 et V3 V4). On peut ainsi commuter entre cinq niveaux de tension (V1, V2, 0, V3, V4). La figure 3 montre le diagramme d'un signal de tension alternative comme chronogramme obtenu à partir de l'alimentation de l'inductance avec le signal de sortie fourni par le branchement de sortie 140. Les intervalles de temps et les niveaux de tension sont déjà reportés dans le diagramme de la figure 3 pour permettre de mieux décrire le fonctionnement du circuit onduleur 110 comme cela sera fait ci-après.
Pour injecter un courant approprié dans le réseau rac- cordé 130, la sortie de l'inductance L doit générer une tension (VAC) influencée par le signal de sortie pris sur la borne de sortie 140. Celle-ci peut être générée par des commutations appropriées en utilisant par exemple les signaux PWM pour ouvrir et fermer les différents commuta- teurs T1-T8 du circuit onduleur 110. La tension VAC représente la ten- sion de sortie VouT filtrée par un filtre passe-bas de la tension du signal de sortie appliquée à la borne de sortie 140 du circuit onduleur 110. Pour une tension 0 < VAC < V2, les commutateurs T3 et T5 seront commandés de façon complémentaire ; les commutateurs T2 et T6 seront branchés pendant tout le segment (t041 et t2-t3). Le commutateur T5 étant passant (le commutateur T3 est bloqué) la sortie 140 passe au potentiel V2. La bobine L est aimantée de sorte que le courant augmente. Le courant passe par T5, D6 et T2. En coupant le commutateur T5 (le commutateur T3 est passant) on coupe le passage du courant. Le courant dans la bobine commute sur la diode D9 et chute. Lorsque le courant devient négatif, il passe par la diode D10 et le commutateur T3. Lorsque le commutateur T3 s'ouvre de nouveau (le com- mutateur T5 devient passant) le potentiel V2 est appliqué à la sortie et le courant augmente de nouveau. Lorsque le courant devient à ce mo- ment négatif, il est repris par les diodes D5 et D2 et le commutateur T6. Si le sens de passage change, le courant travers T5, D6 et T2. Si la tension répond à la double inégalité : VAC >V2 et < V1, les commutateurs Ti et T6 sont commandés de façon complémen- taire ; les commutateurs T2 et T5 sont passant pendant tout le segment (t 1-t2). En branchant le commutateur Ti le potentiel V1 sera appliqué à la sortie 140 (par l'intermédiaire des composants Ti et T2) et l'intensité augmente dans la bobine. Lorsque le commutateur Ti se bloque (le commutateur T6 devient passant) le courant passe par T5, D6 et T2. Si le sens de passage du courant change (l'intensité du courant devient négative) il passe par le commutateur T6 et les diodes D5 et D2. Si maintenant on ferme le commutateur T6 (Ti débloqué) le potentiel V1 est de nouveau appliqué à la sortie OUT et l'intensité du courant augmente. Si à ce moment l'intensité est négative, le courant passe par les diodes D1 et D2. Après le changement du sens de passage du courant, il est de nouveau repris par les commutateurs Ti et T2. Les manoeuvres de commutation pour la demi-onde négative se font de façon analogue.
S'il faut de rapides variations d'intensité, on peut commuter directement sur les potentiels supérieurs ou inférieurs. En outre, si nécessaire, on peut commuter du mode à cinq niveaux sur le mode à trois et deux niveaux.
L'avantage de cette topologie de commutation donnée à titre d'exemple, par rapport à l'état de la technique est de nécessiter moins de commutateur pour générer cinq niveaux de tension. En outre, l'intensité du courant passe toujours au maximum par trois semiconducteurs, ce qui se répercute de manière positive sur la puissance perdue. Un autre avantage est que même pour une tension de système de 1500 V, on peut utiliser des semi-conducteurs avec une tension de blocage de 1200 V. Le fonctionnement du circuit onduleur 110 décrit à titre d'exemple ci-dessus, peut se décrire ci-après de manière plus précise à l'aide des diagrammes (chronogrammes). La figure 4 montre un diagramme de la tension V OUT à la borne de sortie 140, du courant de sortie I OUT à la borne de sortie 140 et de la tension VAC du réseau 130 en fonction du temps.
La figure 5 montre plusieurs diagrammes représentant le comportement de commutation des différents commutateurs T1-T8 en fonction du temps. A la figure 6 on a représenté plusieurs diagrammes de tension appliqués aux différents commutateurs T1-T8 en fonction du temps. La figure 7 montre plusieurs diagrammes de courbes d'intensité dans les différents commutateurs T1-T8 en fonction du temps. La figure 8 montre plusieurs diagrammes de courbes de tension sur les différentes diodes D 1-D8 en fonction du temps. La figure 9 montre plusieurs diagrammes de courbe d'intensité dans les différentes diodes Dl-D8 en fonction du temps. La figure 10 montre un ordinogramme d'un exemple du procédé de gestion 1000 d'un circuit onduleur selon un exemple de réa- lisation de la présente invention ; le procédé comporte dans un inter- valle de temps, au moins une étape 1010 d'application d'une tension continue à la borne d'entrée. Le procédé 1000 comporte également une étape 1020 de gestion du troisième commutateur et de celui des commutateurs du premier et du second éléments de commutation dont la diode est polarisée dans le sens passant entre la borne d'entrée et la première borne intermédiaire, à l'état de commutation ouvert. Enfin, le procédé comprend une étape 1030 d'ouverture du commutateur du premier ou du second élément de commutation dont la diode polarisée dans le sens passant entre la première borne intermédiaire et la borne d'entrée lorsque le quatrième commutateur est ou sera fermé et/ou pour la fermeture du commutateur du premier ou du second élément de commutation dont la diode est polarisée dans le sens passant entre la première borne intermédiaire et la borne d'entrée lorsque le quatrième commutateur est ou sera ouvert.
En variante ou en plus, pour la topologie alternative dé- crite à l'aide des figures précédentes, on peut également utiliser la topologie suivante selon la représentation de la figure 11. Il s'agit également d'une topologie à cinq niveaux. Cette topologie a l'avantage que le point milieu peut être commuté directement, mais cela nécessite un nombre plus grand de commutateurs. Pour le reste, le circuit offre les mêmes avantages que ceux de la topologie déjà décrite en relation avec les figures précédentes. La figure 11 montre en outre le schéma d'un circuit on- duleur 100 qui correspond au circuit onduleur 100 de la figure 1 à l'exception des diodes D9 et D10 qui sont remplacées par le montage en série de deux éléments de commutation 1110 et 1120 branchés en série entre le branchement de tension de référence 165 et le premier branchement de sortie 140 ; un premier élément de commutation de référence 1110 comporte un montage en parallèle d'un premier commutateur de référence commandé T9 et d'une première diode de ré- férence D9 et le second élément de commutation de référence 1120 est le montage en parallèle d'un second commutateur de référence, commandé T10 et d'une seconde diode de référence D10 ; la première diode de référence D9 est polarisée dans une autre direction que la seconde diode D10 vis-à-vis de la direction de passage dans le montage en série.
Le circuit comporte dix commutateurs semi-conducteurs (par exemple des commutateurs IGBT) avec des diodes inverses branchées en parallèle comme cela est indiqué dans la structure de commutation 1130 à la figure 11 à la sortie l'inductance L.
Le fonctionnement du circuit onduleur selon la représen- tation de la figure 11 sera décrit ci-après de manière plus détaillée en référence aux figures 12 à 14. La figure 12 montre le schéma d'un circuit onduleur selon un autre exemple de réalisation de l'invention. La figure 13 montre le diagramme de la tension de sortie injectée dans un réseau d'alimentation en énergie avec un circuit onduleur selon un autre exemple de réalisation de la présente invention ; la figure 14 montre les diagrammes de la tension à la borne de sortie, du courant de sortie dans la borne de sortie et de la tension du réseau en fonction du temps.
La commande des commutateurs T de la figure 11 est as- surée par une unité de commandes 190 générant le motif d'impulsions correspondant (modulations par largeur d'impulsions PWM). Comme tension d'entrée, il est avantageux d'utiliser quatre sources de courant continu C1-C4 branchées en parallèle. La somme des quatre tensions doit être supérieure à la tension de pic de la tension alternative du ré- seau à alimenter. Les tensions continues doivent être symétriques par rapport au point milieu 165. L'amplitude des deux tensions internes (V2 ; V3) n'est pas limitée (on a V2 V1 et V3 V4). On peut ainsi commuter entre cinq niveaux de tension V1, V2, 0, V3, V4.
Pour alimenter néanmoins un courant conforme au ré- seau dans le réseau raccordé il faut générer une tension de sortie VouT_analog à la sortie OUT. Cette tension peut être générée par des positions de commutation correspondantes en utilisant une modulation PWM (VouT_analog est la tension de sortie VouT filtrée par un filtre passe- bas). Si l'on a pour la tension (VouT_analog) > 0 et < V2, les commutateurs T5 et T10 sont commandés de façon complémentaire ; les commutateurs T2, T6 et T9 sont fermés pendant l'ensemble du segment (to-t 1 bzw. t243). En branchant le commutateur T5 (T10 est bloqué) on ap- plique la tension V2 à la sortie OUT. La bobine L est aimantée si bien que le courant augmente. Le courant passe ainsi par T5, D6 et T2. En coupant le commutateur T5 (T10 est débloqué) on coupe le passage du courant. Le courant dans la bobine L commute sur T9 et T10 et chute. Le courant devient négatif et passe par la diode D9 et le commutateur T10. Lorsque le commutateur T10 est de nouveau ouvert (T5 est branché) le potentiel V2 est appliqué à la sortie et l'intensité du courant augmente de nouveau. Si à ce moment le courant est négatif, il est repris par les diodes D2 et D5 et le commutateur T6. Lorsque le sens de passage du courant change, le courant passe par T5, D6 et T2. Si l'on a pour la tension (Vour anafog)> V2 et < V1, les commutateurs Ti et T6 sont commutés de façon complémentaire ; pendant tout le segment de temps (ti-t2) les commutateurs T2, T5 et T9 sont branchés. Le branchement du commutateur T 1 applique le poten- tiel V1 (par T 1 et T2) à la sortie 140 ou sortie OUT et l'intensité du cou- rant augmente dans la bobine L. Lorsque le commutateur T1 est coupé (T6 est branché) le courant passe par T5, D6 et T2. Lorsque le sens de passage du courant change (le courant devient négatif) il passe par le commutateur T6 et les diodes D5 et D2. Si maintenant le commutateur T6 est coupé (Ti est passant) le potentiel V1 est de nouveau appliqué à la sortie 140 ou sortie OUT et le courant augmente. Si le courant est négatif il passe par les diodes D 1 et D2. Après changement de sens de passage du courant, il passe par les commutateurs Ti et T2. Les manoeuvres de commutation pour la demi-onde négative se font de façon analogue. S'il faut des variations rapides d'intensité, on peut com- muter directement sur les potentiels élevés ou bas. En outre, si néces- saire, on peut commuter du mode de fonctionnement à cinq niveaux sur le mode de fonctionnement à trois et deux niveaux. Dans le cas d'un onduleur d'installation photovoltaïque, on utilise généralement une topologie d'onduleur à deux ou trois niveaux alternatifs. Pour relever la tension alternative, coté réseau de l'onduleur à par exemple à 690V, il faut relever la tension du générateur photovoltaïque avec un dispositif de réglage continu / continu. Mais cela réduit le rendement. Une topologie d'onduleur à cinq niveaux alternatifs, avec un circuit intermédiaire divisé en quatre permet de raccorder le bran- chement continu du générateur photovoltaïque 135 directement sur les condensateurs de circuit intermédiaire et ainsi de disposer d'une grande partie de l'énergie directement de l'étage alternatif. La description faite ci-dessus concerne un circuit ayant une topologie d'onduleur à cinq points pour injecter de l'énergie d'une source de tension continue dans un réseau. Côté tension continue, on peut par exemple utiliser cinq niveaux de tension. Les niveaux de tension supplémentaires sont branchés dès que la tension de la source de tension continue 135 devient inférieure au niveau instantané de la tension du réseau.
La solution présentée ci-dessus offre tous les avantages des circuits usuels, mais a en plus l'avantage de réduire la puissance perdue (par la réduction du nombre de composants traversés par le courant). En outre, on utilise un nombre plus réduit de composants, ce qui réduit le coût et de plus il est possible dans certaines circonstances de commuter sur un mode de fonctionnement à deux ou trois niveaux.25 NOMENCLATURE DES ÉLÉMENTS PRINCIPAUX 100 Onduleur 110 Circuit onduleur 120 Source de tension continue 125a Convertisseur continu-continu 125b Convertisseur continu-continu 130 Réseau de tension alternative 135 Installation photovoltaique 140 Borne de sortie 145 Premier élément de commutation 147 Second élément de commutation 150 Borne d'entrée 152 Première borne intermédiaire 155 Troisième élément de commutation 157 Seconde borne intermédiaire 160 Quatrième élément de commutation 165 Borne de potentiel de référence, point milieu 168 Seconde borne d'entrée 170 Cinquième élément de commutation 175 Troisième borne d'entrée 177 Sixième élément de commutation 180 Quatrième borne d'entrée 185 Septième élément de commutation 187 Huitième élément de commutation 1000 Ordinogramme du procédé 1110, 1120, 1130 Etape de l'ordinogramme C1-C4 Source de tension continue D Diode T Commutateur V1, V2, 0, V3, V4 Niveaux de tension35

Claims (5)

  1. REVENDICATIONS1°) Circuit onduleur (110) avec les caractéristiques suivantes : une borne d'entrée (150), une première borne intermédiaire (152), une seconde borne intermédiaire (157) et une borne de sortie (140), un montage en série de deux éléments de commutation (145, 147) entre la borne d'entrée (150) et la première borne intermédiaire (152), un premier élément de commutation (145) comportant un montage en parallèle d'un premier commutateur commandé (T5) et une première diode (D5) et le second élément de commutation (147) ayant un montage en parallèle d'un second commutateur commandé (T6) et d'une seconde diode (D6), la première diode (D5) étant polarisée dans le sens opposé de celui de la seconde diode (D6) par rapport au sens de passage dans le montage en sé- rie, un troisième élément de commutation (155) entre la première borne intermédiaire (152) et la borne de sortie (140), cet élément ayant un montage en parallèle formé d'un troisième commutateur commandé (T2) et d'une troisième diode (D2), la cathode de la troisième diode (D2) étant reliée à la première borne intermédiaire (152) et l'anode de la troisième diode (D2) étant reliée à la borne de sortie (140), et un quatrième élément de commutation (160) entre la borne de sortie (140) et la seconde borne intermédiaire (157), ce quatrième élément de commutation ayant un montage en parallèle formé d'un quatrième commutateur commandé (T3) et d'une quatrième diode (D3), la cathode de la quatrième diode (D3) étant reliée à la borne de sortie (140) et l'anode de la quatrième diode (D3) étant reliée à la seconde borne intermédiaire (157).
  2. 2°) Circuit onduleur (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte en outre une diode intermédiaire (D9) entre une borne de potentiel de référence (165), notamment une borne de potentiel de masse et la première borne intermédiaire (152) et/ou en ce qu'il est pré-vu en outre une seconde diode intermédiaire (D10) entre la borne de potentiel de référence (165), notamment la borne de potentiel de référence de masse et la seconde borne intermédiaire (157).
  3. 3°) Circuit onduleur (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend : un montage en série formé de deux éléments de commutation (1110, 1120) branchés en série entre une borne de tension de référence (165) et la première borne de sortie (140), un premier élé- ment de commutation de référence (1110) ayant un montage en parallèle formé d'un premier commutateur de référence, commandé (T9) et d'une première diode de référence (D9) et le second élément de commutation de référence (1120) a un montage en parallèle formé d'un second commutateur de référence, commandé (T10) et d'une seconde diode de référence (D10), la première diode de référence (D10) étant polarisée dans le sens opposé de la seconde diode (D10) selon le sens de passage dans le circuit série.
  4. 4°) Circuit onduleur (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un cinquième élément de commutation (170) entre une seconde borne d'entrée (168) et la première borne intermédiaire (152) et un montage en parallèle formé d'un cinquième commutateur (T1) et d'une cinquième diode (D1), notamment dans lequel l'anode de la cinquième diode (D 1) est reliée au premier branchement intermédiaire (152).
  5. 5°) Circuit onduleur (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte en outre un sixième élément de commutation (177) entre une troisième borne (175) et la seconde borne intermédiaire (157) et un montage en parallèle formé d'un sixième commutateur (T4) et d'une sixième diode (D4), et notamment la cathode de la sixième diode (D4) est reliée au second branchement intermédiaire (157).356°) Circuit onduleur (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte en outre un second montage en série entre une quatrième borne d'entrée (180) et la seconde borne intermédiaire (157) formé d'un septième élément de commutation (185) et d'un huitième élément de commutation (187), le septième élément de commutation (185) ayant un montage en parallèle formé d'un septième commutateur (T7) et une septième diode (D7) et le huitième élément de commutation (187) ayant un montage en parallèle formé d'un huitième commutateur (T8) et d'une huitième diode (D8), la septième diode (D7) étant polarisée dans le sens opposé de la huitième diode (D8) pour le sens de passage dans le montage en série. 7°) Onduleur caractérisé en ce qu'il comprend : un circuit onduleur (110) selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, et une inductance (L) couplée à la borne de sortie (140), notamment pour appliquer une tension alternative (VAC) à l'extrémité de l'inductance (L) à l'opposé de celle reliée à la borne de sortie (140). 8°) Procédé (1000) de gestion d'un circuit onduleur (110) selon l'une des revendications précédentes caractérisé par, dans un intervalle de temps, au moins les étapes suivantes : appliquer (1010) à la borne d'entrée (150) une tension continue, gérer (1020) le troisième commutateur (T2) et le commutateur (T6) du premier élément de commutation (145) ou du second élément de commutation (147), commutateur dont la diode (D6) est polarisée dans le sens passant entre la borne d'entrée (150) et le second branchement intermédiaire (152), à l'état de commutation ou- vert, et ouvrir (1030) le commutateur (T5) du premier (145) ou du second (147) élément de commutation dont la diode (D5) est polarisée dans le sens de passage entre la première borne intermédiaire (152) et la borne d'entrée (150) lorsque le quatrième commutateur (T3) est fermé ou sera fermé et/ou fermer le commutateur (T5) dupremier élément de commutation (145) ou du second élément de commutation (147), dont la diode (D5) est polarisée dans le sens passant entre la première borne intermédiaire (152) et la borne d'entrée (150), lorsque le quatrième commutateur (T3) est ouvert ou sera ouvert. 9°) Procédé (1000) selon la revendication 8 de gestion d'un circuit onduleur (110) selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans au moins un autre intervalle de temps, le procédé (1000) comprend les étapes suivantes : faire fonctionner à l'état de commutation ouvert le troisième commutateur (T2) et le commutateur (T5) du premier ou du second élément de commutation dont la diode (D5) est polarisée dans le sens passant entre la première borne intermédiaire (152) et la borne d'entrée (150), et ouvrir le commutateur (T6) du premier (145) ou second (147) élément de commutation dont la diode (D6) est polarisée dans le sens passant entre la borne d'entrée (150) et la première borne intermédiaire (152) lorsque le cinquième commutateur (T1) est fer- mé ou sera fermé et/ou fermer le commutateur (T6) du premier (145) ou du second (147) élément de commutation dont la diode (D6) est polarisée dans le sens passant entre la première borne intermédiaire (152) et la borne d'entrée (150) lorsque le cinquième commutateur (T1) est ouvert ou sera ouvert. 10°) Procédé (1000) de gestion d'un circuit onduleur (110) selon les revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que dans l'étape d'ouverture, au moins un commutateur (T1-T8) est com- mandé pour le passage du courant à travers les commutateurs (T1-T8) concernés sous la forme d'un signal PWM et/ou dans l'étape d'ouverture, au moins un commutateur (T1-T8) est commandé avec un signal PWM.11°) Appareil de commande (190) réalisé pour exécuter les étapes du procédé (1000) selon l'une des revendications 8 à 10 dans des installations correspondantes et produit-programme d'ordinateur comportant un code-programme pour la mise en oeuvre du procédé (1000) selon l'une quelconque des revendications 8 à 10 lorsque le produit- programme est exécuté par un appareil de commande (190).10
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