FR3053545A1 - NEW CASCADE TYPE DC / DC CONVERTER - Google Patents

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FR3053545A1
FR3053545A1 FR1656268A FR1656268A FR3053545A1 FR 3053545 A1 FR3053545 A1 FR 3053545A1 FR 1656268 A FR1656268 A FR 1656268A FR 1656268 A FR1656268 A FR 1656268A FR 3053545 A1 FR3053545 A1 FR 3053545A1
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Jose Maneiro
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Abstract

L'invention concerne une unité élémentaire (UE) de conversion pour un convertisseur de type cascadé, unité élémentaire comprenant un transformateur comprenant : • un enroulement primaire dont deux bornes d'entrée sont connectées à deux bornes de sortie d'une cellule de conversion d'entrée (CE), deux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée formant deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire, et • un premier enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une première cellule de conversion de sortie (CS1), L'unité élémentaire de conversion selon l'invention est caractérisée en ce que le transformateur comprend également un deuxième enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une deuxième cellule de conversion de sortie (CS2), une première borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) étant connectée à une deuxième borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1), une première borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1) et une deuxième borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) formant respectivement une première et une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de conversion (UE). L'invention concerne également un convertisseur comprenant p unités élémentaires telles de décrites ci-dessus, associées en cascade.The invention relates to an elementary unit (UE) for converting a cascaded converter, an elementary unit comprising a transformer comprising: a primary winding having two input terminals connected to two output terminals of a conversion cell; input (CE), two input conversion cell input terminals forming two input terminals of the unitary unit, and • a first secondary winding of which two output terminals are connected to two input terminals of a first output conversion cell (CS1), the elementary conversion unit according to the invention is characterized in that the transformer also comprises a second secondary winding of which two output terminals are connected to two input terminals d a second output conversion cell (CS2), a first output terminal of the second output conversion cell (CS2) being connected to a second terminal of output of the first output conversion cell (CS1), a first output terminal of the first output conversion cell (CS1) and a second output terminal of the second output conversion cell (CS2) respectively forming a first and a second output terminal of the elementary conversion unit (UE). The invention also relates to a converter comprising p elementary units as described above, associated in cascade.

Description

Titulaire(s) : SUPERGRID INSTITUTE Société par actions simplifiée.Holder (s): SUPERGRID INSTITUTE Simplified joint-stock company.

Demande(s) d’extensionExtension request (s)

Mandataire(s) : INNOVATION COMPETENCE GROUP.Agent (s): INNOVATION COMPETENCE GROUP.

ù>4/ NOUVEAU CONVERTISSEUR DC/DC DE TYPE CASCADE.ù> 4 / NEW DC / DC CONVERTER OF THE CASCADE TYPE.

FR 3 053 545 - A1 ©J L'invention concerne une unité élémentaire (UE) de conversion pour un convertisseur de type cascade, unité élémentaire comprenant un transformateur comprenant:FR 3 053 545 - A1 © J The invention relates to an elementary conversion unit (UE) for a cascade type converter, elementary unit comprising a transformer comprising:

un enroulement primaire dont deux bornes d'entrée sont connectées à deux bornes de sortie d'une cellule de conversion d'entrée (CE), deux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée formant deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire, et un premier enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une première cellule de conversion de sortie (CS1),a primary winding, two input terminals of which are connected to two output terminals of an input conversion cell (CE), two input terminals of the input conversion cell forming two input terminals of the elementary unit, and a first secondary winding, two output terminals of which are connected to two input terminals of a first output conversion cell (CS1),

L'unité élémentaire de conversion selon l'invention est caractérisée en ce que le transformateur comprend également un deuxième enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une deuxième cellule de conversion de sortie (CS2), une première borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) étant connectée à une deuxième borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1), une première borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1 ) et une deuxième borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) formant respectivement une première et une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de conversion (UE).The elementary conversion unit according to the invention is characterized in that the transformer also comprises a second secondary winding, two output terminals of which are connected to two input terminals of a second output conversion cell (CS2), one being the first output terminal of the second output conversion cell (CS2) being connected to a second output terminal of the first output conversion cell (CS1), a first output terminal of the first output conversion cell (CS1) ) and a second output terminal of the second output conversion cell (CS2) respectively forming a first and a second output terminal of the elementary conversion unit (UE).

L'invention concerne également un convertisseur comprenant p unités élémentaires telles de décrites ci-dessus, associées en cascade.The invention also relates to a converter comprising p elementary units as described above, associated in cascade.

Figure FR3053545A1_D0001

23. m23.m

Figure FR3053545A1_D0002

ii

Nouveau convertisseur DC/DC de type cascadéNew cascaded type DC / DC converter

Domaine technique et état de l'artTechnical field and state of the art

L'invention concerne un nouveau convertisseur DC/DC de type cascadé. Un tel convertisseur est utilisé de manière générale en électronique de puissance pour passer d'un niveau de tension continue à un autre niveau de tension continue avec un très bon rendement de conversion. Ils trouvent une application notamment dans le domaine des réseaux électriques de type smartgrid où l'on cherche à connecter à un même récepteur (tel qu'un réseau de distribution d'énergie électrique ou un consommateur d'énergie électrique) des sources d'énergie (telles que des éoliennes, des piles à combustibles, des panneaux solaires, ...) produisant de l'énergie électrique à des niveaux de tension souvent très différents.The invention relates to a new DC / DC converter of cascaded type. Such a converter is generally used in power electronics to pass from a DC voltage level to another DC voltage level with very good conversion efficiency. They find an application in particular in the field of electrical networks of the smartgrid type where it is sought to connect to the same receiver (such as an electrical energy distribution network or an electrical energy consumer) energy sources (such as wind turbines, fuel cells, solar panels, ...) producing electrical energy at often very different voltage levels.

Un tel convertisseur est par exemple décrit dans le document Dl = US5027264. Il comprend une pluralité d'unités élémentaires de conversion associées pour former une structure en cascade (fig. lb). Chaque unité élémentaire de conversion (fig. la) comprend un transformateur comprenant :Such a converter is for example described in the document Dl = US5027264. It includes a plurality of elementary conversion units associated to form a cascade structure (fig. Lb). Each elementary conversion unit (fig. La) comprises a transformer comprising:

• un enroulement primaire dont deux bornes d'entrée sont connectées à deux bornes de sortie d'une cellule de conversion DC/AC d'entrée, deux bornes d'entrée de la cellule de conversion DC/AC d'entrée formant deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire, et • un enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une cellule de conversion AC/DC de sortie.• a primary winding, two input terminals of which are connected to two output terminals of an input DC / AC conversion cell, two input terminals of the input DC / AC conversion cell forming two terminals d input of the elementary unit, and • a secondary winding, two output terminals of which are connected to two input terminals of an output AC / DC conversion cell.

Les cellules de conversion DC/AC d'entrée et AC/DC de sortie sont constituées chacune d'un pont en H classique ; elles utilisent ainsi des interrupteurs semiconducteurs de puissance (transistors comnamdés) qui fonctionnent en tout ou rien et des diodes de roue libre connectées en parallèle sur les interrupteurs. Le transfert de puissance entre la source et le récepteur est régulé par le déphasage entre les tensions AC générées par chaque cellule de conversion AC/DC. De manière classique, si n est le rapport entre le nombre de spires de l'enroulement secondaire du transformateur et le nombre de spires de l'enroulement primaire du transformateur, alors la tension nominale aux bornes de sortie de la première cellule de conversion AC/DC de sortie est égale à n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion DC/AC d'entrée. Et, pour un convertisseur comprenant p unités élémentaires de conversion associées en cascade selon le schéma de la figure lb, alors la tension nominale aux bornes de sortie du convertisseur est égale à p*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée du convertisseur. Ainsi, l'utilisation d'une structure DC/DC cascadée permet de travailler avec des niveaux de tension élevés en sortie, bien au delà de la tension que peut supporter un unique composant semiconducteur.The input DC / AC and output AC / DC conversion cells each consist of a conventional H bridge; they thus use semiconductor power switches (interconnected transistors) which operate all or nothing and freewheeling diodes connected in parallel on the switches. The transfer of power between the source and the receiver is regulated by the phase shift between the AC voltages generated by each AC / DC conversion cell. Conventionally, if n is the ratio between the number of turns of the secondary winding of the transformer and the number of turns of the primary winding of the transformer, then the nominal voltage at the output terminals of the first AC / conversion cell Output DC is equal to n times the nominal voltage at the input terminals of the input DC / AC converter cell. And, for a converter comprising p elementary conversion units associated in cascade according to the diagram in FIG. 1b, then the nominal voltage at the output terminals of the converter is equal to p * n times the nominal voltage at the input terminals of the converter. Thus, the use of a cascaded DC / DC structure makes it possible to work with high output voltage levels, far beyond the voltage that can be supported by a single semiconductor component.

On cherche toutefois à aller vers des niveaux de tension toujours plus élevés pour réaliser des réseaux électriques à plus haute tension, ceci afin de réduire les pertes thermiques dans les lignes électriques.However, it is sought to go towards ever higher voltage levels in order to produce higher voltage electrical networks, this in order to reduce the heat losses in the electrical lines.

Description de l'rnventionDescription of the invention

L'invention propose une nouvelle unité élémentaire de conversion et un nouveau convertisseur utilisant cette unité élémentaire de conversion, nouveau convertisseur qui a, par rapport aux convertisseurs connus tels que celui de Dl, soit des performances techniques améliorées en termes de niveau de tension et puissance, soit un coût et/ou un encombrement réduit pour des performances techniques similaires.The invention proposes a new elementary conversion unit and a new converter using this elementary conversion unit, a new converter which has, compared to known converters such as that of Dl, either improved technical performance in terms of voltage and power level. , or a reduced cost and / or size for similar technical performance.

Avec ces objectifs en vue, l'invention propose une nouvelle unité élémentaire (UE) de conversion pour un convertisseur de type DC/DC cascadé, unité élémentaire comprenant un transformateur comprenant :With these objectives in view, the invention proposes a new elementary conversion unit (UE) for a cascaded DC / DC type converter, elementary unit comprising a transformer comprising:

• un enroulement primaire dont deux bornes d'entrée sont connectées à deux bornes de sortie d'une cellule de conversion d'entrée (CE), deux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée formant deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire, et • un premier enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une première cellule de conversion de sortie (CS1).• a primary winding, two input terminals of which are connected to two output terminals of an input conversion cell (CE), two input terminals of the input conversion cell forming two input terminals of the elementary unit, and • a first secondary winding, two output terminals of which are connected to two input terminals of a first output conversion cell (CS1).

L'unité élémentaire selon l'invention est caractérisée en ce que le transformateur comprend également un deuxième enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une deuxième cellule de conversion de sortie (CS2), une première borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) étant connectée à une deuxième borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1), une première borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1) et une deuxième borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) formant respectivement une première et une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de conversion (UE).The elementary unit according to the invention is characterized in that the transformer also comprises a second secondary winding, two output terminals of which are connected to two input terminals of a second output conversion cell (CS2), a first terminal of the second output conversion cell (CS2) being connected to a second output terminal of the first output conversion cell (CS1), a first output terminal of the first output conversion cell (CS1) and a second output terminal of the second output conversion cell (CS2) respectively forming a first and a second output terminal of the elementary conversion unit (UE).

Ainsi, selon l'invention, en ajoutant un deuxième enroulement secondaire au transformateur et une deuxième cellule de conversion de sortie connectée en série avec la première cellule de conversion de sortie (la première borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie étant connectée à la deuxième borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie), on obtient entre la première borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie et la deuxième borne de sortie de la deuxième cellule de conversion (formant respectivement une première et une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de conversion) une tension nominale égale à 2*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée, soit une tension nominale deux fois supérieure à la tension nominale de sortie d'une unité de conversion d'un convertisseur DC/DC cascadé classique, n est le rapport entre le nombre de spires d'un enroulement secondaire et le nombre de spires d'un enroulement primaire du transformateur.Thus, according to the invention, by adding a second secondary winding to the transformer and a second output conversion cell connected in series with the first output conversion cell (the first output terminal of the second output conversion cell being connected at the second output terminal of the first output conversion cell), between the first output terminal of the first output conversion cell and the second output terminal of the second conversion cell (respectively forming a first and a second output terminal of the elementary conversion unit) a nominal voltage equal to 2 * n times the nominal voltage at the input terminals of the input conversion cell, i.e. a nominal voltage twice greater than the nominal voltage output of a conversion unit of a conventional cascaded DC / DC converter, n is the ratio between the number of turns of a winding s secondary and the number of turns of a primary winding of the transformer.

Dans une unité élémentaire selon l'invention, le transformateur peut comprendre plus généralement m enroulements secondaires auxquels sont associées m cellules de conversion de sortie (CS1, CS2, ...CSm) ; une cellule de conversion de sortie de rang x comprend deux bornes d'entrée connectées à deux bornes de sortie d'un enroulement secondaire de même rang x ; une première borne de sortie d'une cellule de conversion de sortie (CSx) de rang x est connectée à une deuxième borne de sortie d'une cellule de conversion de sortie (CSx-1) de rang x-1 ; une première borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CS1) de rang 1 forme la première borne de sortie de l'unité élémentaire (UE) ; une deuxième borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CSm) de rang x = m forme la deuxième sortie de l'unité élémentaire (UE) ; x est un nombre entier compris entre 2 et m.In an elementary unit according to the invention, the transformer can more generally comprise m secondary windings with which are associated m output conversion cells (CS1, CS2, ... CSm); a row x output conversion cell comprises two input terminals connected to two output terminals of a secondary winding of the same row x; a first output terminal of an output conversion cell (CSx) of rank x is connected to a second output terminal of an output conversion cell (CSx-1) of rank x-1; a first output terminal of the output conversion cell (CS1) of rank 1 forms the first output terminal of the elementary unit (UE); a second output terminal of the output conversion cell (CSm) of rank x = m forms the second output of the elementary unit (UE); x is an integer between 2 and m.

Avec m enroulements secondaires, chaque enroulement étant couplé à une cellule de conversion de sortie, et avec toutes les cellules de conversion de sortie associées en série (la première borne de sortie de la cellule de conversion de sortie de rang x étant connectée à la deuxième borne de sortie de la cellule de conversion de sortie de rang x-1), on obtient, entre la première borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie et la deuxième borne de sortie de la m-ième cellule de conversion de sortie (formant respectivement une première et une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de conversion) une tension nominale au moins égale à m*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée, soit une tension nominale au moins m fois supérieure à la tension nominale de sortie d'une unité de conversion d'un convertisseur DC/DC cascadé classique, comme on le verra mieux plus loin.With m secondary windings, each winding being coupled to an output conversion cell, and with all the output conversion cells associated in series (the first output terminal of the output conversion cell of rank x being connected to the second output terminal of the output conversion cell of rank x-1), one obtains, between the first output terminal of the first output conversion cell and the second output terminal of the m-th output conversion cell (respectively forming a first and a second output terminal of the elementary conversion unit) a nominal voltage at least equal to m * n times the nominal voltage at the input terminals of the input conversion cell, ie a voltage nominal at least m times greater than the nominal output voltage of a conversion unit of a conventional cascaded DC / DC converter, as will be seen better below.

Pour réaliser une unité élémentaire de conversion de type DC/DC selon l'invention, on utilisera une cellule de conversion DC/AC en entrée (côté primaire du transformateur) et des cellules de conversion AC/DC en sortie (côté secondaire du transformateur). Une cellule de conversion AC/DC peut être construite sur un même schéma électronique qu'une cellule de conversion DC/AC comme on le verra mieux plus loin dans des exemples, les bornes d'entrée et les bornes de sortie sont simplement inversées.To make a basic DC / DC type conversion unit according to the invention, a DC / AC conversion cell at the input (primary side of the transformer) and AC / DC conversion cells at the output (secondary side of the transformer) will be used. . An AC / DC conversion cell can be built on the same electronic diagram as a DC / AC conversion cell as will be seen more clearly below in examples, the input terminals and the output terminals are simply reversed.

Une cellule de conversion d'entrée connectée à l'enroulement primaire du transformateur peut comprendre :An input conversion cell connected to the primary winding of the transformer can include:

• un pont en H simple, • un demi-pont de conversion clampé par le neutre (half-bridge neutral point clamped converter), • un pont complet de conversion clampé par le neutre.• a simple H-bridge, • a half-bridge neutral point clamped converter, • a complete conversion bridge clamped by the neutral.

Une cellule de conversion de sortie connectée à un enroulement secondaire du transformateur peut comprendre :An output conversion cell connected to a secondary winding of the transformer can include:

• un pont en H simple, • un demi-pont de conversion clampé par le neutre (half-bridge neutral point clamped converter), • un pont complet de conversion clampé par le neutre.• a simple H-bridge, • a half-bridge neutral point clamped converter, • a complete conversion bridge clamped by the neutral.

Selon un mode de réalisation préféré d'une cellule de conversion selon l'invention :According to a preferred embodiment of a conversion cell according to the invention:

• le transformateur comprend deux enroulements secondaires • un rapport de transformation n est égal à 0,5, n étant un rapport entre un nombre de spires d'un enroulement secondaire et un nombre de spires d'un enroulement primaire • la cellule de conversion d'entrée connectée à l'enroulement primaire du transformateur est un pont complet de conversion clampé par le neutre et • les cellules de conversion de sortie connectées aux enroulements secondaires du transformateur sont des demipont de conversion clampés par le neutre (half-bridge neutral point clamped converter).• the transformer comprises two secondary windings • a transformation ratio n is equal to 0.5, n being a ratio between a number of turns of a secondary winding and a number of turns of a primary winding • the conversion cell d input connected to the primary winding of the transformer is a complete conversion bridge clamped by the neutral and • the output conversion cells connected to the secondary windings of the transformer are half-bridge neutral point clamped conversion half-bridge converter).

L'invention propose également un convertisseur DC/DC cascadé, convertisseur comprenant p unités élémentaires (UE1,... UEp) de conversion telles que décrites ci-dessus.The invention also provides a cascaded DC / DC converter, converter comprising p elementary units (UE1, ... UEp) of conversion as described above.

Selon un mode de réalisation, les entrées des unités élémentaires sont reliées en parallèle et les sorties des unités élémentaires sont reliées en série. Dit autrement : les premières bornes d'entrée des p unités élémentaires sont connectées ensemble et forment une première borne d'entrée du convertisseur ; les deuxièmes bornes d'entrée des p unités élémentaires sont connectées ensemble et forment une deuxième borne d'entrée du convertisseur ; une première borne de sortie de l'unité élémentaire (UEy) de rang y est connectée à une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire (UEy-1) de rang y-1 ; une première borne de sortie de l'unité élémentaire (UE1) de rang 1 forme une première borne de sortie du convertisseur ; une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire (UEp) de rang y = p forme une deuxième borne de sortie du convertisseur ; y est un nombre entier compris entre 2 et p. D'autres modes de réalisation du convertisseur sont décrits plus loin.According to one embodiment, the inputs of the elementary units are connected in parallel and the outputs of the elementary units are connected in series. In other words: the first input terminals of the p elementary units are connected together and form a first input terminal of the converter; the second input terminals of the p elementary units are connected together and form a second input terminal of the converter; a first output terminal of the elementary unit (UEy) of rank y is connected to a second output terminal of the elementary unit (UEy-1) of rank y-1; a first output terminal of the elementary unit (UE1) of rank 1 forms a first output terminal of the converter; a second output terminal of the elementary unit (UEp) of rank y = p forms a second output terminal of the converter; y is an integer between 2 and p. Other embodiments of the converter are described below.

En réalisant un convertisseur avec p unités élémentaires de conversion selon l'invention associés en cascade, on obtient un convertisseur ayant, en sortie, une tension nominale au moins égale à p*m*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée du convertisseur, comme on le verra mieux plus loin dans les exemples. Soit, pour un même nombre p d'unités élémentaires de conversion, un même rapport n de transformation du transformateur et une même tension nominale d'entrée, on obtient en sortie une tension nominale au moins m fois supérieure à la tension nominale de sortie d'un convertisseur selon l'art antérieur. Ou, selon un autre point de vue, pour un même rapport de transformation n et une même tension nominale d'entrée, il est possible d'obtenir une tension nominale de sortie au moins égale à la tension nominale de sortie d'un convertisseur selon l'art antérieur en utilisant p fois moins d'unités élémentaires de conversion.By making a converter with p elementary conversion units according to the invention associated in cascade, a converter is obtained having, at output, a nominal voltage at least equal to p * m * n times the nominal voltage at the input terminals of the converter. , as will be seen more clearly below in the examples. Or, for the same number p of elementary conversion units, the same transformer transformation ratio n and the same nominal input voltage, a nominal voltage is obtained at output at least m times greater than the nominal output voltage d 'a converter according to the prior art. Or, from another point of view, for the same transformation ratio n and the same nominal input voltage, it is possible to obtain a nominal output voltage at least equal to the nominal output voltage of a converter according to the prior art using p times fewer elementary conversion units.

Brève description des figuresBrief description of the figures

L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'exemples d'une unité élémentaire de conversion et d'un convertisseur selon l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels :The invention will be better understood, and other characteristics and advantages of the invention will appear in the light of the following description of examples of an elementary conversion unit and of a converter according to the invention. These examples are given without limitation. The description should be read in conjunction with the accompanying drawings in which:

• la figure la montre une unité élémentaire de conversion connue, • la figure lb montre un convertisseur connu utilisant des unités de conversion selon la figure la, • les figures 2, 3, 4 montrent trois mode de réalisation d'une unité élémentaire de conversion selon l'invention, et • les figures 5a, 5b, 5c montrent trois modes de réalisation de convertisseurs.• the figure la shows a known elementary conversion unit, • the figure lb shows a known converter using conversion units according to the figure la, • the figures 2, 3, 4 show three embodiment of an elementary conversion unit according to the invention, and • Figures 5a, 5b, 5c show three embodiments of converters.

Description de modes de réalisation de l'inventionDescription of embodiments of the invention

Comme cela a été décrit en préambule, une unité élémentaire UE de conversion connue (fig la) comprend un transformateur 11 comprenant :As described in the preamble, an elementary known UE unit of conversion (FIG. 1a) comprises a transformer 11 comprising:

• un enroulement primaire 12 dont deux bornes d'entrée sont connectées à deux bornes de sortie d'une cellule de conversion d'entrée CE • un enroulement secondaire 13 dont deux bornes de sorties sont connectées à deux bornes d'entrée d'une cellule de conversion de sortie CS, • deux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée CE formant les deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire UE de conversion entre lesquelles peut être appliquée une tension d'entrée Vin • deux bornes de sortie de la cellule de conversion CS de sortie formant deux bornes de sortie de l'unité élémentaire UE de conversion entre lesquelles une tension de sortie Vout est disponible.• a primary winding 12, two input terminals of which are connected to two output terminals of a CE input conversion cell • a secondary winding 13, of which two output terminals, are connected to two input terminals of a cell output conversion CS, • two input terminals of the input conversion cell CE forming the two input terminals of the elementary conversion unit UE between which an input voltage Vin can be applied • two terminals output of the output conversion cell CS forming two output terminals of the elementary conversion unit UE between which an output voltage Vout is available.

Dans l'exemple de la figure la, la cellule de conversion d'entrée CE est une cellule de conversion DC/AC comprenant un pont en H classique ; les bornes de sortie du pont en H sont connectées aux bornes d'entrée de l'enroulement primaire; la tension Vin est appliquée sur les bornes d'entrée du pont en H et un condensateur de lissage est connecté entre les bornes d'entrée du pont en H . De manière connue, et tel que représenté sur la figure la, le pont en H comprend quatre branches et chaque branche comprend un interrupteur de puissance fonctionnant en tout ou rien (transistor semiconducteur) et une diode de roue libre connectée en parallèle sur l'interrupteur. La cellule de conversion de sortie CS est une cellule de conversion AC/DC réalisée de manière similaire à la cellule de conversion DC/AC, les bornes d'entrée et les bornes de sortie étant simplement inversées.In the example of FIG. La, the input conversion cell CE is a DC / AC conversion cell comprising a conventional H bridge; the output terminals of the H-shaped bridge are connected to the input terminals of the primary winding; the voltage Vin is applied to the input terminals of the H-bridge and a smoothing capacitor is connected between the input terminals of the H-bridge. In known manner, and as shown in FIG. 1 a, the H-bridge comprises four branches and each branch comprises a power switch operating in all or nothing mode (semiconductor transistor) and a freewheeling diode connected in parallel on the switch . The CS output conversion cell is an AC / DC conversion cell produced in a similar manner to the DC / AC conversion cell, the input terminals and the output terminals being simply inverted.

Une unité élémentaire de conversion selon l'invention (fig. 2) se distingue en ce qu'elle comprend m cellules de conversion de sortie CS1, CS2, ..., CSm et un transformateur 21 à un enroulement primaire 22 et m enroulements secondaires 23.1, 23.2,..., 23.m, connectés de la manière suivante :A basic conversion unit according to the invention (fig. 2) is distinguished in that it comprises m output conversion cells CS1, CS2, ..., CSm and a transformer 21 with a primary winding 22 and m secondary windings 23.1, 23.2, ..., 23.m, connected as follows:

• côté primaire, deux bornes d'entrée de l'enroulement primaire 22 sont connectées à deux bornes de sortie de la cellule de conversion d'entrée CE et deux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée CE forment les deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire UE de conversion entre lesquelles peut être appliquée une tension d'entrée Vin, • côté secondaire du transformateur : une cellule de conversion de sortie CS1 de rang 1 comprend deux bornes d'entrée connectées à deux bornes de sortie de l'enroulement secondaire 23.1 de même rang 1, une cellule de conversion de sortie CSx de rang x comprend deux bornes d'entrée connectées à deux bornes de sortie d'un enroulement secondaire 23.x de même rang x , x est un nombre entier compris entre 2 et m, une première borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CS2) de rang 2 est connectée à une deuxième borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CS1) de rang 1, une première borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CSx) de rang x est connectée à une deuxième borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CSx-1) de rang x-1, une première borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CS1) de rang 1 forme la première borne de sortie de l'unité élémentaire (UE), une deuxième borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CSm) de rang x = m forme la deuxième sortie de l'unité élémentaire (UE). Dit autrement, les m cellules de conversion de sortie CS1 à CSm ont leurs entrées connectées respectivement aux sorties des m enroulements secondaires, et ont leurs sorties connectées en série. La tension de sortie Vout est disponible entre la première borne de sortie de la cellule de sortie de rang 1 et la deuxième borne de sortie de la cellule de sortie de rang m.• primary side, two input terminals of the primary winding 22 are connected to two output terminals of the CE input conversion cell and two input terminals of the CE input conversion cell form the two terminals input of the elementary conversion unit UE between which an input voltage Vin can be applied, • secondary side of the transformer: an output conversion cell CS1 of rank 1 comprises two input terminals connected to two terminals of output of the secondary winding 23.1 of the same rank 1, an output conversion cell CSx of rank x comprises two input terminals connected to two output terminals of a secondary winding 23.x of the same rank x, x is a whole number between 2 and m, a first output terminal of the output conversion cell (CS2) of rank 2 is connected to a second output terminal of the output conversion cell (CS1) of rank 1, a first so terminal rtie of the output conversion cell (CSx) of rank x is connected to a second output terminal of the output conversion cell (CSx-1) of rank x-1, a first output terminal of the conversion cell of output (CS1) of rank 1 forms the first output terminal of the elementary unit (UE), a second output terminal of the output conversion cell (CSm) of rank x = m forms the second output of the elementary unit (UE). In other words, the m output conversion cells CS1 to CSm have their inputs connected respectively to the outputs of the m secondary windings, and have their outputs connected in series. The output voltage Vout is available between the first output terminal of the row 1 output cell and the second output terminal of the row m output cell.

La figure 2 détaille un mode de réalisation d'une cellule de conversion d'entrée CE de type DC/AC, identique à la cellule de conversion d'entrée de l'unité élémentaire de conversion de la figure la. Les cellules de conversion de sortie ne sont pas détaillées mais elles sont de type AC/DC et identiques à la cellule de conversion de sortie de l'unité élémentaire de la figure la. Toutes les cellules de conversion DC/AC et AC/DC sont donc ici réalisées par des ponts en H. Dans ce cas, si n est le rapport entre le nombre de spires de l'enroulement primaire du transformateur et le nombre de spires d'un enroulement secondaire d'un transformateur à m enroulements secondaires, alors :FIG. 2 details an embodiment of an input conversion cell CE of the DC / AC type, identical to the input conversion cell of the elementary conversion unit of FIG. The output conversion cells are not detailed, but they are of the AC / DC type and identical to the output conversion cell of the elementary unit in FIG. All the DC / AC and AC / DC conversion cells are therefore produced here by H-bridges. In this case, if n is the ratio between the number of turns of the primary winding of the transformer and the number of turns of a secondary winding of a transformer with m secondary windings, then:

• la tension nominale aux bornes de sortie d'une cellule de conversion AC/DC de sortie est égale à n fois la tension nominale Vin appliquée aux bornes d'entrée de la cellule de conversion DC/AC d'entrée, • la tension nominale aux bornes de sortie de l'unité élémentaire de conversion est égale à m*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée DC/AC d'entrée : Vout = m*n*Vin, et • le courant nominal lin circulant dans les composants semiconducteurs de la cellule de conversion DC/AC d'entrée est égal à m*n fois le courant nominal lout circulant dans les composants semiconducteurs des cellules de conversion AC/DC de sortie : lin = m*n*lout.• the nominal voltage at the output terminals of an output AC / DC conversion cell is equal to n times the nominal voltage Vin applied to the input terminals of the input DC / AC conversion cell, • the nominal voltage at the output terminals of the elementary conversion unit is equal to m * n times the nominal voltage at the input terminals of the input DC / AC input conversion cell: Vout = m * n * Vin, and • the nominal current lin flowing in the semiconductor components of the input DC / AC conversion cell is equal to m * n times the nominal current lout flowing in the semiconductor components of the output AC / DC conversion cell: lin = m * n * lout.

La figure 3 présente un autre mode de réalisation d'une unité élémentaire de conversion selon l'invention. Le transformateur comprend ici pour simplifier m = 2 enroulements secondaires. La cellule de conversion DC/AC d'entrée et les cellules de conversion AC/DC de sortie sont constituées ici chacune d'un demi-pont de conversion clampé par le neutre (ou demi-pont de type NPC pour Neutral Point Clamped converter) classique réalisé selon un schéma électronique connu ; comme dans l'exemple précédent, chaque cellule de conversion AC/DC de sortie est connectée à un enroulement secondaire du transformateur et toutes les cellules de conversion AC/DC de sortie sont associées en sortie en cascade série.FIG. 3 shows another embodiment of an elementary conversion unit according to the invention. The transformer here includes for simplicity m = 2 secondary windings. The input DC / AC conversion cell and the output AC / DC conversion cells each consist of a half conversion bridge clamped by the neutral (or NPC type half bridge for Neutral Point Clamped converter) classic made according to a known electronic scheme; as in the previous example, each output AC / DC conversion cell is connected to a secondary winding of the transformer and all the output AC / DC conversion cells are associated in serial cascade output.

A noter que, dans l'exemple de la figure 3, une structure NPC à trois niveaux est représentée. Des structures à 5 niveaux, 7 niveaux ou plus peuvent aussi être utilisées pour réaliser des cellules de conversion AC/DC ou DC/AC multiniveaux.Note that, in the example of Figure 3, an NPC structure at three levels is shown. Structures with 5 levels, 7 levels or more can also be used to make multi-level AC / DC or DC / AC conversion cells.

Dans l'exemple de la figure 3, comme dans l'exemple de la figure 2 :In the example in Figure 3, as in the example in Figure 2:

• la tension nominale aux bornes de sortie d'une cellule de conversion AC/DC de sortie est égale à n fois la tension nominale Vin appliquée aux bornes d'entrée de la cellule de conversion DC/AC d'entrée, • la tension nominale aux bornes de sortie de l'unité élémentaire de conversion est égale à m*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée DC/AC d'entrée : Vout = m*n*Vin, et • le courant nominal circulant dans les composants semiconducteurs de la cellule DC/AC d'entrée est égal à m*n fois le courant nominal circulant dans les composants semiconducteurs des cellules AC/DC de sortie : lin = m*n*lout.• the nominal voltage at the output terminals of an output AC / DC conversion cell is equal to n times the nominal voltage Vin applied to the input terminals of the input DC / AC conversion cell, • the nominal voltage at the output terminals of the elementary conversion unit is equal to m * n times the nominal voltage at the input terminals of the input DC / AC input conversion cell: Vout = m * n * Vin, and • the nominal current flowing in the semiconductor components of the input DC / AC cell is equal to m * n times the nominal current flowing in the semiconductor components of the output AC / DC cell: lin = m * n * lout.

Mais si, pour mettre en œuvre les unités élémentaires des figures 2 et 3, on utilise des composants semiconducteurs (transistors et diodes) ayant les mêmes tensions nominales de blocage, alors il est possible d'appliquer à l'entrée de l'unité élémentaire de la figure 3 une tension Vin deux fois supérieure à celle qu'il est possible d'appliquer à l'entrée de l'unité élémentaire de la figure 2 et la tension Vout obtenue en sortie de l'unité élémentaire de la figure 3 est alors deux fois supérieure à la tension Vout obtenue en sortie de l'unité élémentaire de la figure 2. En d'autres termes, une unité élémentaire de conversion selon la figure 2 supporte en entrée et en sortie une tension nominale deux fois supérieure à la tension nominale supportée en entrée et en sortie par une unité élémentaire de conversion selon la figure 2, si les composants semiconducteurs utilisés dans les deux unités élémentaires ont individuellement les mêmes tensions nominales de blocage.But if, to implement the elementary units of FIGS. 2 and 3, semiconductor components (transistors and diodes) having the same nominal blocking voltages are used, then it is possible to apply to the input of the elementary unit in FIG. 3 a voltage Vin twice greater than that which can be applied to the input of the elementary unit of FIG. 2 and the voltage Vout obtained at the output of the elementary unit of FIG. 3 is then twice greater than the voltage Vout obtained at the output of the elementary unit of FIG. 2. In other words, an elementary conversion unit according to FIG. 2 supports at input and at output a nominal voltage twice greater than the nominal voltage supported at input and output by an elementary conversion unit according to FIG. 2, if the semiconductor components used in the two elementary units individually have the same nominal voltages blocking nales.

La figure 4 présente encore un autre mode de réalisation d'une unité élémentaire de conversion selon l'invention. Le transformateur comprend ici également pour simplifier m = 2 enroulements secondaires (mais m peut être choisi plus grand). La cellule de conversion DC/AC d'entrée est constituée cette fois d'un pont complet de conversion clampé par le neutre ou pont complet NPC réalisé selon un schéma électronique connu ; comme dans l'exemple de la figure 3, les cellules de conversion AC/DC de sortie sont constituées chacune d'un demi-pont de conversion de type NPC, chaque cellule de conversion AC/DC de sortie est connectée à un enroulement secondaire du transformateur et toutes les cellules de conversion AC/DC de sortie sont associées en sortie en cascade série.FIG. 4 shows yet another embodiment of an elementary conversion unit according to the invention. The transformer also includes here for simplicity m = 2 secondary windings (but m can be chosen larger). The input DC / AC conversion cell consists this time of a complete conversion bridge clamped by the neutral or full NPC bridge produced according to a known electronic diagram; as in the example in figure 3, the output AC / DC conversion cells each consist of an NPC type conversion half-bridge, each output AC / DC conversion cell is connected to a secondary winding of the transformer and all output AC / DC conversion cells are associated as serial cascade output.

Dans l'exemple de la figure 4 :In the example in Figure 4:

• la tension nominale aux bornes de sortie d'une cellule de conversion AC/DC de sortie est égale à 2*n fois la tension nominale Vin appliquée aux bornes d'entrée de la cellule de conversion DC/AC d'entrée, et • la tension nominale Vout aux bornes de sortie de l'unité élémentaire de conversion est égale à 2*m*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée DC/AC d'entrée : Vout = 2*m*n*Vin, • le courant nominal lin circulant dans les composants semiconducteurs de la cellule DC/AC d'entrée CE est égal à m*n fois le courant nominal circulant dans les composants semiconducteurs des cellules AC/DC de sortie CS1, CS2.• the nominal voltage at the output terminals of an output AC / DC conversion cell is equal to 2 * n times the nominal voltage Vin applied to the input terminals of the input DC / AC conversion cell, and • the nominal voltage Vout at the output terminals of the elementary conversion unit is equal to 2 * m * n times the nominal voltage at the input terminals of the input DC / AC input conversion cell: Vout = 2 * m * n * Vin, • the nominal current flowing in the semiconductor components of the input DC / AC cell CE is equal to m * n times the nominal current flowing in the semiconductor components of the output AC / DC cell CS1 , CS2.

Ainsi, il est possible de transmettre plus de puissance (Vout*lout) avec la cellule de la figure 4 qu'avec la cellule de la figure 3, en choisissant les mêmes valeurs de m et de n, et en choisissant de composants semiconducteurs pour la cellule d'entrée aptes à supporter la tension et le courant nominaux. Ou, il est possible de transmettre la même puissance avec la cellule de la figure 4 qu'avec la cellule de la figure 3, en choisissant des composants semiconducteurs de dimensions plus petites (en terme de courant nominal). Par exemple, en choisissant m = 2 et n = 0,5, il est possible d'utiliser les mêmes composants semiconducteurs (mêmes tensions et courants nominaux) pour réaliser la cellule d'entrée CE et les cellules de sortie CS.Thus, it is possible to transmit more power (Vout * lout) with the cell in FIG. 4 than with the cell in FIG. 3, by choosing the same values of m and of n, and by choosing semiconductor components for the input cell able to withstand the nominal voltage and current. Or, it is possible to transmit the same power with the cell of FIG. 4 as with the cell of FIG. 3, by choosing semiconductor components of smaller dimensions (in terms of nominal current). For example, by choosing m = 2 and n = 0.5, it is possible to use the same semiconductor components (same nominal voltages and currents) to make the input cell CE and the output cells CS.

Un convertisseur DC/DC selon l'invention est réalisé de manière similaire à un convertisseur connu en associant en cascade p unités élémentaires UE1, UE2,UEp de conversion.A DC / DC converter according to the invention is produced in a similar manner to a known converter by cascading p elementary units UE1, UE2, UEp for conversion.

Un convertisseur selon l'invention se distingue des convertisseurs connus par la réalisation de ses unités élémentaires de conversion. De manière générale, pour un convertisseur selon l'invention à p unités élémentaires de conversion, on obtient les performances suivantes :A converter according to the invention differs from known converters by the construction of its elementary conversion units. In general, for a converter according to the invention with p elementary conversion units, the following performances are obtained:

• la tension nominale aux bornes de sortie d'une unité élémentaire de conversion selon l'invention est au moins égale à m*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion DC/AC d'entrée (notamment m*n fois pour la structure de la figure 3 et 2*m*n pour la structure de la figure 4, comme on le verra plus loin), • le courant nominal circulant dans les composants semiconducteurs de la cellule DC/AC d'entrée d'une unité élémentaire de conversion est égal à m*n fois le courant nominal circulant dans les composants semiconducteurs des cellules AC/DC de sortie,.• the nominal voltage at the output terminals of an elementary conversion unit according to the invention is at least equal to m * n times the nominal voltage at the input terminals of the input DC / AC conversion cell (in particular m * n times for the structure of figure 3 and 2 * m * n for the structure of figure 4, as we will see later), • the nominal current flowing in the semiconductor components of the input DC / AC cell of an elementary conversion unit is equal to m * n times the nominal current flowing in the semiconductor components of the output AC / DC cells ,.

Ci-dessous sont comparés un mode de réalisation connu et différents modes de réalisation selon l'invention d'un convertisseur DC/DC produisant une tension de sortie Vs = 40kV à partir d'une tension d'entrée Ve = 4kV.Below is compared a known embodiment and different embodiments according to the invention of a DC / DC converter producing an output voltage Vs = 40kV from an input voltage Ve = 4kV.

Réalisation n°l : un convertisseur connu réalisé conformément à la figure 5a et utilisant des unités élémentaires réalisées selon la figure la. Par rapport au convertisseur de la figure lb, les connections des bornes d'entrées des unités élémentaires sont modifiées : les unités élémentaires sont groupées deux à deux en série en entrée et les groupes de deux unités élémentaires ainsi formés ont leurs bornes d'entrée associées en parallèle. La tension Ve = 4kV est appliquée entre la première borne d'entrée de l'unité élémentaire de rang 1 et la deuxième borne d'entrée de l'unité élémentaire de rang 2. Ainsi, chaque unité élémentaire reçoit la tension Vin = Ve/2 sur ses bornes d'entrée. La tension Vs est disponible entre la première borne de sortie de l'unité élémentaire de rang 1 et la deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de rang p. Par rapport au convertisseur de la figure lb, le convertisseur de la figure 5a supporte une tension nominale d'entrée deux fois supérieure à Vin soit Ve = 4 kV au lieu de 2kV. Comme le mode de réalisation précédent, il faut associer p = 20 unités élémentaires UE en cascade pour obtenir une tension nominale Vs = 40 kV en sortie. Soit un total de :Realization n ° 1: a known converter produced according to figure 5a and using elementary units produced according to figure la. Compared to the converter in FIG. 1b, the connections of the input terminals of the elementary units are modified: the elementary units are grouped two by two in series as input and the groups of two elementary units thus formed have their associated input terminals in parallel. The voltage Ve = 4kV is applied between the first input terminal of the elementary unit of rank 1 and the second input terminal of the elementary unit of rank 2. Thus, each elementary unit receives the voltage Vin = Ve / 2 on its input terminals. The voltage Vs is available between the first output terminal of the elementary unit of rank 1 and the second output terminal of the elementary unit of rank p. Compared to the converter in FIG. 1b, the converter in FIG. 5a supports a nominal input voltage twice greater than Vin, ie Ve = 4 kV instead of 2kV. Like the previous embodiment, it is necessary to associate p = 20 elementary units UE in cascade to obtain a nominal voltage Vs = 40 kV at output. Totaling :

• 20*(8 diodes et 8 transistors), soit 160 diodes et 160 transistors, • 20 transformateurs à un enroulement primaire et un enroulement secondaire.• 20 * (8 diodes and 8 transistors), ie 160 diodes and 160 transistors, • 20 transformers with a primary winding and a secondary winding.

Réalisation n°2 : un convertisseur selon l'invention réalisé conformément à la figure 5b et utilisant des unités élémentaires réalisées selon la figure 2 avec un transformateur comprenant m = 2 secondaires et un rapport de transformation η = 1 ; chaque cellule de conversion DC/AC ou AC/DC comprend un pont en H soit 8 composants semiconducteurs : 4 diodes et 4 transistors (interrupteurs commandés). Comme dans l'exemple de la figure 5a, les unités élémentaires en amont des transformateurs sont groupées deux à deux en série en entrée et les groupes de deux unités élémentaires ainsi formés ont leurs bornes d'entrée associées en parallèle. Ceci permet d'appliquer comme précédemment une tension Ve = 4kV en entrée de chaque groupe de deux unités élémentaires, chaque unité élémentaire supportant individuellement Vin = 2 kV. Dans cet exemple, on a en sortie du convertisseur Vs = p*m*n*Vin = p*m*n*Ve/2. Dans le cas où m = 2 (transformateur à 2 enroulements secondaires dans les unités élémentaires) et n = 1, alors p = 10 unités élémentaires suffisent pour obtenir une tension Vs = 40kV à partir d'une tension Ve = 4 kV. Soit :Realization n ° 2: a converter according to the invention produced according to figure 5b and using elementary units produced according to figure 2 with a transformer comprising m = 2 secondary and a transformation ratio η = 1; each DC / AC or AC / DC conversion cell includes an H-bridge, i.e. 8 semiconductor components: 4 diodes and 4 transistors (controlled switches). As in the example in FIG. 5a, the elementary units upstream of the transformers are grouped two by two in series at the input and the groups of two elementary units thus formed have their associated input terminals in parallel. This makes it possible to apply, as before, a voltage Ve = 4kV at the input of each group of two elementary units, each elementary unit individually supporting Vin = 2 kV. In this example, we have at the output of the converter Vs = p * m * n * Vin = p * m * n * Ve / 2. In the case where m = 2 (transformer with 2 secondary windings in the elementary units) and n = 1, then p = 10 elementary units are sufficient to obtain a voltage Vs = 40kV from a voltage Ve = 4 kV. Is :

• p = 10 unités élémentaires comprenant chacune 3 cellules de conversion, une cellule de conversion d'entrée et m = 2 cellules de conversion de sortie ; soit 10*3*(4 diodes + 4 transistors ) soit un total de 120 diodes et 120 transistors • 10 transformateurs à un enroulement primaire et deux enroulements secondaires.• p = 10 elementary units each comprising 3 conversion cells, an input conversion cell and m = 2 output conversion cells; either 10 * 3 * (4 diodes + 4 transistors) or a total of 120 diodes and 120 transistors • 10 transformers with one primary winding and two secondary windings.

Ainsi, par rapport à un convertisseur connu (réalisation n°l), un convertisseur selon l'invention conforme à la réalisation 2 utilise les mêmes cellules de conversion DC/AC ou AC/DC à pont en H mais utilise m fois moins d'unités élémentaires pour fournir la même tension de sortie Vs à partir de la même tension d'entrée Ve. Le nombre de composants semi-conducteurs et le nombre d'enroulements de transformateur sont également moins importants.Thus, compared with a known converter (embodiment # 1), a converter according to the invention according to embodiment 2 uses the same DC / AC or AC / DC conversion cells with H-bridge but uses m times less elementary units to supply the same output voltage Vs from the same input voltage Ve. The number of semiconductor components and the number of transformer windings are also less.

Inversement, avec un convertisseur selon l'invention similaire à la réalisation n°2 mais utilisant le même nombre d'unités élémentaires UE que le convertisseur selon la réalisation n°l connu, la tension en sortie du convertisseur selon l'invention est m fois plus importante que la tension en sortie d'un convertisseur connu. On aurait ainsi ici avec p = 20 unités élémentaires une tension de sortie Vs = p*m*n*Ve/2 = 20*2*l*Ve/2, soit une tension Vs de 80 kV pour une tension d'entrée Ve de 4 kV.Conversely, with a converter according to the invention similar to embodiment no. 2 but using the same number of elementary units UE as the converter according to embodiment no. 1 known, the voltage at the output of the converter according to the invention is m times higher than the output voltage of a known converter. We would thus have here with p = 20 elementary units an output voltage Vs = p * m * n * Ve / 2 = 20 * 2 * l * Ve / 2, i.e. a voltage Vs of 80 kV for an input voltage Ve 4 kV.

Réalisation n°3 : un convertisseur selon l'invention réalisé conformément à la figure 5c et utilisant des unités élémentaires réalisées selon la figure 3 ; chaque cellule de conversion DC/AC ou AC/DC comprend un demi-pont de conversion clampé par le neutre soit 10 composants semiconducteurs : 6 diodes et 4 transistors (interrupteurs commandés). Si les composants semiconducteurs sont dimensionnés pour supporter une tension nominale de 2 kV, alors il est possible d'appliquer une tension Vin de 4kV entre les bornes d'entrée d'une unité élémentaire UE, donc une tension Ve = Vin = 4kV entre les bornes d'entrée du convertisseur. Dans cet exemple, on a en sortie du convertisseur Vs = p*m*n*Ve. Dans le cas où m = 2 (transformateur à 2 enroulements secondaires dans les unités élémentaires) et n = 1, alors p = 5 unités élémentaires suffisent pour obtenir une tension Vs = 40kV à partir d'une tension Ve = 4 kV. Soit :Realization n ° 3: a converter according to the invention produced according to figure 5c and using elementary units produced according to figure 3; each DC / AC or AC / DC conversion cell includes a half conversion bridge clamped by the neutral, ie 10 semiconductor components: 6 diodes and 4 transistors (controlled switches). If the semiconductor components are dimensioned to support a nominal voltage of 2 kV, then it is possible to apply a voltage Vin of 4kV between the input terminals of an elementary unit UE, therefore a voltage Ve = Vin = 4kV between the converter input terminals. In this example, we have at the output of the converter Vs = p * m * n * Ve. In the case where m = 2 (transformer with 2 secondary windings in the elementary units) and n = 1, then p = 5 elementary units are sufficient to obtain a voltage Vs = 40kV from a voltage Ve = 4 kV. Is :

• p = 5 unités élémentaires comprenant chacune une cellule de conversion d'entrée et m = 2 cellules de conversion de sortie soit 5*3*(6 diodes + 4 transistors ) soit un total de 90 diodes et 60 transistors • 5 transformateurs à un enroulement primaire et deux enroulements secondaires.• p = 5 elementary units each comprising an input conversion cell and m = 2 output conversion cells either 5 * 3 * (6 diodes + 4 transistors) or a total of 90 diodes and 60 transistors • 5 transformers at one primary winding and two secondary windings.

Ainsi, par rapport à un convertisseur selon l'invention utilisant des cellules DC/AC ou AC/DC à pont en H (réalisation n°2), un convertisseur selon l'invention utilisant des cellules DC/AC ou AC/DC comprenant un demi-pont de ίο conversion clampé par le neutre (réalisation n°3) comprend un nombre moins important de composants semiconducteurs.Thus, compared with a converter according to the invention using DC / AC or AC / DC cells with an H-bridge (embodiment n ° 2), a converter according to the invention using DC / AC or AC / DC cells comprising a ίο conversion half-bridge clamped by neutral (realization n ° 3) includes a smaller number of semiconductor components.

De plus, il est possible de diminuer encore le nombre d'unités élémentaires de conversion et le nombre de composants semiconducteurs en augmentant le nombre m d'enroulements secondaires des transformateurs utilisés pour réaliser les cellules de conversion DC/AC ou AC/DC.In addition, it is possible to further reduce the number of elementary conversion units and the number of semiconductor components by increasing the number m of secondary windings of the transformers used to make the DC / AC or AC / DC conversion cells.

Réalisation n°4 : un convertisseur selon l'invention réalisé conformément à la figure 5c et utilisant des unités élémentaires réalisées selon la figure 4 ; chaque cellule de conversion AC/DC de sortie comprend un demi-pont de conversion clampé par le neutre soit 10 composants semiconducteurs : 6 diodes et 4 transistors (interrupteurs commandés) ; chaque cellule de conversion DC/AC d'entrée comprend un pont complet de conversion clampé par le neutre soit 10 diodes et 8 transistors. Si les composants semiconducteurs sont dimensionnés pour supporter une tension nominale de 2 kV, alors il est possible d'appliquer une tension Vin de 4kV entre les bornes d'entrée d'une unité élémentaire UE, donc une tension Ve = Vin = 4kV entre les bornes d'entrée du convertisseur. Dans cet exemple, on a en sortie du convertisseur Vs = 2*p*m*n*Ve. Dans le cas où m = 2 (transformateur à 2 enroulements secondaires dans les unités élémentaires), alors n = 0,5 et p = 5 unités élémentaires suffisent pour obtenir une tension Vs = 40kV à partir d'une tension Ve = 4 kV. Soit :Realization n ° 4: a converter according to the invention produced according to figure 5c and using elementary units produced according to figure 4; each output AC / DC conversion cell includes a half conversion bridge clamped by the neutral, ie 10 semiconductor components: 6 diodes and 4 transistors (controlled switches); each input DC / AC conversion cell includes a complete conversion bridge clamped by the neutral, ie 10 diodes and 8 transistors. If the semiconductor components are dimensioned to support a nominal voltage of 2 kV, then it is possible to apply a voltage Vin of 4kV between the input terminals of an elementary unit UE, therefore a voltage Ve = Vin = 4kV between the converter input terminals. In this example, we have at the output of the converter Vs = 2 * p * m * n * Ve. In the case where m = 2 (transformer with 2 secondary windings in the elementary units), then n = 0.5 and p = 5 elementary units are sufficient to obtain a voltage Vs = 40kV from a voltage Ve = 4 kV. Is :

• p = 5 unités élémentaires comprenant chacune une cellule de conversion d'entrée et m = 2 cellules de conversion de sortie soit 5*l*(10 diodes + 4 transistors) + 5*2*(6 diodes + 4 transistors) soit un total de 110 diodes et 60 transistors • 5 transformateurs à un enroulement primaire et deux enroulements secondaires.• p = 5 elementary units each comprising an input conversion cell and m = 2 output conversion cells, ie 5 * l * (10 diodes + 4 transistors) + 5 * 2 * (6 diodes + 4 transistors) or one total of 110 diodes and 60 transistors • 5 transformers with one primary winding and two secondary windings.

Par rapport à la réalisation n°3, un peu plus de composants semiconducteurs sont utilisés ici mais, parce que n=0,5, la tension nominale et le courant nominal sont les mêmes pour tous les composants, qu'ils soient positionnés en amont du primaire ou en aval d'un secondaire d'un transformateur.Compared to realization n ° 3, a few more semiconductor components are used here but, because n = 0.5, the nominal voltage and the nominal current are the same for all the components, whether they are positioned upstream of the primary or downstream of a secondary of a transformer.

Claims (8)

REVENDICATIONS 1. Unité élémentaire (UE) de conversion pour un convertisseur de type cascadé, unité élémentaire comprenant un transformateur comprenant :1. Elementary unit (UE) of conversion for a cascaded type converter, elementary unit comprising a transformer comprising: • un enroulement primaire dont deux bornes d'entrée sont connectées à deux bornes de sortie d'une cellule de conversion d'entrée (CE), deux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée formant deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire, et • un premier enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une première cellule de conversion de sortie (CS1), unité élémentaire caractérisée en ce que le transformateur comprend également un deuxième enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une deuxième cellule de conversion de sortie (CS2), une première borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) étant connectée à une deuxième borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1), une première borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1) et une deuxième borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) formant respectivement une première et une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de conversion (UE).• a primary winding, two input terminals of which are connected to two output terminals of an input conversion cell (CE), two input terminals of the input conversion cell forming two input terminals of the elementary unit, and • a first secondary winding, two output terminals of which are connected to two input terminals of a first output conversion cell (CS1), elementary unit characterized in that the transformer also comprises a second winding secondary of which two output terminals are connected to two input terminals of a second output conversion cell (CS2), a first output terminal of the second output conversion cell (CS2) being connected to a second output terminal output of the first output conversion cell (CS1), a first output terminal of the first output conversion cell (CS1) and a second output terminal of the second output cell output conversion (CS2) respectively forming a first and a second output terminal of the elementary conversion unit (UE). 2. Unité élémentaire selon la revendication 1 dans laquelle le transformateur comprend m enroulements secondaires, unité élémentaire comprenant m cellules de conversion de sortie (CS1, CS2, ...CSm), une cellule de conversion de sortie de rang x comprenant deux bornes d'entrée connectées à deux bornes de sortie d'un enroulement secondaire de même rang x, une première borne de sortie d'une cellule de conversion de sortie (CSx) de rang x étant connectée à une deuxième borne de sortie d'une cellule de conversion de sortie (CSx-1) de rang x-1, une première borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CS1) de rang 1 formant la première borne de sortie de l'unité élémentaire (UE), une deuxième borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CSm) de rang x = m formant la deuxième sortie de l'unité élémentaire (UE), x étant un nombre entier compris entre 2 et m.2. elementary unit according to claim 1 wherein the transformer comprises m secondary windings, elementary unit comprising m output conversion cells (CS1, CS2, ... CSm), an output conversion cell of rank x comprising two terminals d input connected to two output terminals of a secondary winding of the same rank x, a first output terminal of an output conversion cell (CSx) of rank x being connected to a second output terminal of a output conversion (CSx-1) of rank x-1, a first output terminal of the output conversion cell (CS1) of rank 1 forming the first output terminal of the elementary unit (UE), a second terminal of the output conversion cell (CSm) of rank x = m forming the second output of the elementary unit (UE), x being an integer between 2 and m. 3. Unité élémentaire selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la cellule de conversion d'entrée connectée à l'enroulement primaire du transformateur est :3. Elementary unit according to one of the preceding claims, in which the input conversion cell connected to the primary winding of the transformer is: • un pont en H simple, • un demi-pont de conversion clampé par le neutre (half-bridge neutral point clamped converter), • un pont complet de conversion clampé par le neutre.• a simple H-bridge, • a half-bridge neutral point clamped converter, • a complete conversion bridge clamped by the neutral. 4. Unité élémentaire selon l'une des revendications précédentes dans laquelle une cellule de conversion de sortie connectée à un enroulement secondaire du transformateur est :4. Elementary unit according to one of the preceding claims, in which an output conversion cell connected to a secondary winding of the transformer is: • un pont en H simple, • un demi-pont de conversion clampé par le neutre (half-bridge neutral point clamped converter), • un pont complet de conversion clampé par le neutre.• a simple H-bridge, • a half-bridge neutral point clamped converter, • a complete conversion bridge clamped by the neutral. 5. Unité élémentaire selon l'une des revendications précédentes dans laquelle :5. Elementary unit according to one of the preceding claims, in which: • le transformateur comprend deux enroulements secondaires • un rapport de transformation n est égal à 0,5, n étant un rapport entre un nombre de spires d'un enroulement secondaire et un nombre de spires d'un enroulement primaire • la cellule de conversion d'entrée connectée à l'enroulement primaire du transformateur est un pont complet de• the transformer comprises two secondary windings • a transformation ratio n is equal to 0.5, n being a ratio between a number of turns of a secondary winding and a number of turns of a primary winding • the conversion cell d input connected to the transformer primary winding is a full bridge of 5 conversion clampé par le neutre et • les cellules de conversion de sortie connectées aux enroulements secondaires du transformateur sont des demipont de conversion clampés par le neutre (half-bridge neutral point clamped converter).5 conversion clamped by neutral and • the output conversion cells connected to the secondary windings of the transformer are half-bridge neutral point clamped converter. 6. Convertisseur modulaire cascadé, convertisseur comprenant p unités élémentaires (UE1, ... UEp) de conversion selon l'une des revendications 1 à 5.6. Cascaded modular converter, converter comprising p elementary units (UE1, ... UEp) of conversion according to one of claims 1 to 5. 10 7. Convertisseur selon la revendication 6, les premières bornes d'entrée des p unités élémentaires étant connectées ensemble et formant une première borne d'entrée du convertisseur, les deuxièmes bornes d'entrée des p unités élémentaires étant connectées ensemble et formant une deuxième borne d'entrée du convertisseur, une première borne de sortie de l'unité élémentaire (UEy) de rang y étant connectée à une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire (UEy-1) de rang y-1, une première borne de sortie de l'unité élémentaire (UE1) de rang 1 formant une7. Converter according to claim 6, the first input terminals of the p elementary units being connected together and forming a first input terminal of the converter, the second input terminals of the p elementary units being connected together and forming a second input terminal of the converter, a first output terminal of the elementary unit (UEy) of rank y being connected to a second output terminal of the elementary unit (UEy-1) of rank y-1, a first terminal of output of the elementary unit (UE1) of rank 1 forming a 15 première borne de sortie du convertisseur, une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire (UEp) de rang y = p formant une deuxième borne de sortie du convertisseur, y étant un nombre entier compris entre 2 et p.15 first output terminal of the converter, a second output terminal of the elementary unit (UEp) of rank y = p forming a second output terminal of the converter, y being an integer between 2 and p. 1/71/7 UE csEU cs T \ _T \ _
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JP2010017079A (en) * 2006-06-19 2010-01-21 Toshiba Corp Power conversion apparatus
US20140003095A1 (en) * 2011-03-01 2014-01-02 Rheinisch-Westfalisch-Technische Hochschule Aachen Bidirectional dc-dc converter

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