FR3059855A1 - DC / DC CONVERTER FOR ELECTRICAL NETWORKS - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un convertisseur DC/DC comprenant : • un convertisseur DC/AC multiniveaux dont des bornes de sortie (3a) sont connectées à des bornes d'entrée d'un circuit inductif (4, 7) dans lequel circule un courant alternatif, une tension continue d'entrée (Vb) du convertisseur DC/DC étant appliquée entre des bornes d'entrée du convertisseur DC/AC, et • un convertisseur AC/DC à source de tension multiniveaux (52) dont des bornes d'entrée (3b) sont connectées à des bornes de sortie du circuit inductif (4, 7), une tension continue de sortie (Vh) du convertisseur DC/DC étant disponible entre des bornes de sortie du convertisseur AC/DC, Le convertisseur DC/DC selon l'invention est caractérisé en ce que le convertisseur DC/AC est un convertisseur DC/AC à source de courant multiniveaux (6).The invention relates to a DC / DC converter comprising: • a multi-level DC / AC converter whose output terminals (3a) are connected to input terminals of an inductive circuit (4, 7) in which an alternating current flows. a DC input DC input voltage (Vb) being applied between input terminals of the DC / AC converter, and • a multilevel voltage source AC / DC converter (52) having input terminals (3b) are connected to output terminals of the inductive circuit (4, 7), a DC output voltage (Vh) of the DC / DC converter being available between output terminals of the AC / DC converter, The DC / DC converter according to the invention is characterized in that the DC / AC converter is a DC / AC converter with multilevel current source (6).

Description

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

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

CONVERTISSEUR DC/DC POUR RESEAUX ELECTRIQUES.DC / DC CONVERTER FOR ELECTRICAL NETWORKS.

FR 3 059 855 - A1 (by) L'invention concerne un convertisseur DC/DC comprenant:FR 3 059 855 - A1 (by) The invention relates to a DC / DC converter comprising:

un convertisseur DC/AC multiniveaux dont des bornes de sortie (3a) sont connectées à des bornes d'entrée d'un circuit inductif (4, 7) dans lequel circule un courant alternatif, une tension continue d'entrée (Vb) du convertisseur DC/DC étant appliquée entre des bornes d'entrée du convertisseur DC/AC, et un convertisseur AC/DC à source de tension multiniveaux (52) dont des bornes d'entrée (3b) sont connectées à des bornes de sortie du circuit inductif (4, 7), une tension continue de sortie (Vh) du convertisseur DC/DC étant disponible entre des bornes de sortie du convertisseur AC/DC, Le convertisseur DC/DC selon l'invention est caractérisé en ce que le convertisseur DC/AC est un convertisseur DC/ AC à source de courant multiniveaux (6).a multilevel DC / AC converter, the output terminals of which (3a) are connected to the input terminals of an inductive circuit (4, 7) in which an alternating current flows, a direct input voltage (Vb) of the converter DC / DC being applied between input terminals of the DC / AC converter, and an AC / DC converter with multilevel voltage source (52) whose input terminals (3b) are connected to output terminals of the inductive circuit (4, 7), a direct output voltage (Vh) of the DC / DC converter being available between output terminals of the AC / DC converter, The DC / DC converter according to the invention is characterized in that the DC / DC converter AC is a multi-level current source DC / AC converter (6).

ii

Convertisseur DC/DC pour réseaux électriquesDC / DC converter for electrical networks

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

L'invention concerne un convertisseur DC/DC tel que celui représenté sur la figure 1. Un tel convertisseur comprend • un convertisseur DC/AC multiniveaux dont des bornes de sortie (3a) sont connectées à des bornes d'entrée d'un circuit inductif (4, 7) dans lequel circule un courant alternatif, une tension continue d'entrée (Vb) du convertisseur DC/DC étant appliquée entre des bornes d'entrée du convertisseur DC/AC, et • un convertisseur AC/DC à source de tension multiniveaux (52) dont des bornes d'entrée (3b) sont connectées à des bornes de sortie du circuit inductif (4, 7), une tension continue de sortie (Vh) du convertisseur DC/DC étant disponible entre des bornes de sortie du convertisseur AC/DC. Le circuit inductif est dans cet exemple un transformateur triphasé 4 ; les enroulements primaires du transformateur 4 sont connectés à des bornes de sortie du convertisseur DC/AC et les enroulements secondaires du transformateur 4 sont connectés à des bornes d'entrée du convertisseur AC/DC.The invention relates to a DC / DC converter such as that shown in FIG. 1. Such a converter comprises • a multi-level DC / AC converter whose output terminals (3a) are connected to input terminals of an inductive circuit (4, 7) in which an alternating current flows, a DC input voltage (Vb) of the DC / DC converter being applied between input terminals of the DC / AC converter, and • an AC / DC converter with source of multilevel voltage (52) of which input terminals (3b) are connected to output terminals of the inductive circuit (4, 7), a direct output voltage (Vh) of the DC / DC converter being available between output terminals from the AC / DC converter. The inductive circuit is in this example a three-phase transformer 4; the primary windings of the transformer 4 are connected to the output terminals of the DC / AC converter and the secondary windings of the transformer 4 are connected to the input terminals of the AC / DC converter.

Un tel convertisseur est utilisé de manière générale en électronique de puissance pour passer d'un niveau de tension DC à un niveau de tension DC différent.Such a converter is generally used in power electronics to pass from a DC voltage level to a different DC voltage level.

Un tel convertisseur trouve une application notamment dans le domaine des réseaux électriques où l'on cherche à interconnecter deux réseaux à courant continu qui opèrent à des niveaux de tension différents. Un tel convertisseur trouve également une application pour relier des sources d'énergie (telles que des éoliennes, des piles à combustibles, des panneaux solaires,...) produisant de l'énergie électrique à un bas niveau de tension continue à un réseau de transmission ou de distribution ayant la tension continue la plus haute possible pour limiter les pertes en lignes. Il s'agit donc d'élever la tension de sortie de chaque source d'énergie prise individuellement pour l'amener à la tension du réseau de transmission ou de distribution.Such a converter finds an application in particular in the field of electrical networks where it is sought to interconnect two direct current networks which operate at different voltage levels. Such a converter also finds an application for connecting energy sources (such as wind turbines, fuel cells, solar panels, ...) producing electrical energy at a low level of direct voltage to a network of transmission or distribution with the highest possible DC voltage to limit line losses. It is therefore a question of raising the output voltage of each energy source taken individually to bring it to the voltage of the transmission or distribution network.

Les convertisseurs AC/DC ou DC/AC à source de tension sont ici des convertisseurs multiniveaux qui présentent l'avantage d'être modulaires et extensibles avec des plages de tension particulièrement larges et donc des rapports M de conversion entre le côté basse tension et le côté moyenne ou haute tension élevés ; ceci permet d'obtenir en sortie des moyennes ou hautes tensions à partir de basses tensions d'entrée.The AC / DC or DC / AC converters with voltage source are here multilevel converters which have the advantage of being modular and extensible with particularly wide voltage ranges and therefore M conversion ratios between the low voltage side and the high medium or high voltage side; this makes it possible to obtain medium or high voltages at the output from low input voltages.

Toutefois, plus le rapport de conversion M est important et plus le courant que doit supporter le convertisseur DC/AC 51 côté basse tension est important : le courant circulant côté basse tension est sensiblement égal à M fois le courant circulant côté moyenne ou haute tension.However, the greater the conversion ratio M, the greater the current which the DC / AC converter 51 must withstand on the low voltage side: the current flowing on the low voltage side is substantially equal to M times the current flowing on the medium or high voltage side.

Pour supporter ces courants importants, les composants électroniques utilisés pour réaliser le convertisseur DC/AC côté basse tension peuvent être dimensionnés plus gros (en termes de courant supporté) que ceux utilisés pour réaliser le convertisseur AC/DC côté haute tension. Cette solution n'est toutefois pas suffisante si un rapport de conversion M très élevé est recherché, il est également possible d'associer plusieurs convertisseurs DC/AC à source de tension en parallèle en entrée pour répartir le courant côté basse tension. Mais cette solution est complexe à mettre en œuvre en pratique.To support these large currents, the electronic components used to make the DC / AC converter on the low voltage side can be dimensioned larger (in terms of current supported) than those used to make the AC / DC converter on the high voltage side. This solution is however not sufficient if a very high conversion ratio M is sought, it is also possible to combine several DC / AC converters with voltage source in parallel at the input to distribute the current on the low voltage side. But this solution is complex to implement in practice.

Description de l'InventionDescription of the Invention

L'invention propose un nouveau convertisseur DC/DC ne présentant pas les inconvénients des convertisseurs décrits ci-dessus. A cet effet, l'invention propose un nouveau convertisseur DC/DC comprenant :The invention proposes a new DC / DC converter which does not have the drawbacks of the converters described above. To this end, the invention proposes a new DC / DC converter comprising:

• un convertisseur DC/AC multiniveaux dont des bornes de sortie (3a) sont connectées à des bornes d'entrée d'un circuit inductif (4, 7) dans lequel circule un courant alternatif, une tension continue d'entrée (Vb) du convertisseur DC/DC étant appliquée entre des bornes d'entrée du convertisseur DC/AC, et • un convertisseur AC/DC à source de tension multiniveaux (52) dont des bornes d'entrée (3b) sont connectées à des bornes de sortie du circuit inductif (4, 7), une tension continue de sortie (Vh) du convertisseur DC/DC étant disponible entre des bornes de sortie du convertisseur AC/DC.• a multilevel DC / AC converter whose output terminals (3a) are connected to input terminals of an inductive circuit (4, 7) in which an alternating current, a direct input voltage (Vb) of the DC / DC converter being applied between input terminals of the DC / AC converter, and • an AC / DC converter with multi-level voltage source (52) whose input terminals (3b) are connected to output terminals of the inductive circuit (4, 7), a direct output voltage (Vh) of the DC / DC converter being available between output terminals of the AC / DC converter.

Un convertisseur DC/DC selon l'invention est caractérisé en ce que le convertisseur DC/AC est un convertisseur DC/AC à source de courant multiniveaux (6). Par rapport à un convertisseur DC/AC à source de tension, un convertisseur DC/AC à source de courant présente l'avantage d'être plus facilement évolutif pour supporter des courants bien plus importants, comme on le verra mieux plus loin dans la description détaillée de modes de réalisation.A DC / DC converter according to the invention is characterized in that the DC / AC converter is a DC / AC converter with a multi-level current source (6). Compared to a DC / AC converter with voltage source, a DC / AC converter with current source has the advantage of being more easily scalable to support much larger currents, as will be seen better below in the description. detailed embodiments.

Le convertisseur selon l'invention peut être polyphasé à N phases, N étant un nombre entier supérieur ou égal à un. Dans ce cas :The converter according to the invention can be polyphase with N phases, N being an integer greater than or equal to one. In that case :

• le convertisseur DC/AC à source de courant (6) a N bornes de sortie (3a) alternatives, • le convertisseur AC/DC à source de tension (52) a N bornes d'entrée (3b) alternatives, et • le circuit inductif (4, 7) comprend N circuits magnétiques.• the DC / AC converter with current source (6) has N alternative output terminals (3a), • the AC / DC converter with voltage source (52) has N alternative input terminals (3b), and • the inductive circuit (4, 7) comprises N magnetic circuits.

Dans un convertisseur selon l'invention, le circuit inductif peut être un transformateur (4) à N circuits magnétiques couplés (correspondant à un primaire à N entrées couplé à un secondaire à N sorties) ou N inductances (7) individuelles. Un transformateur présente l'avantage de supporter des tensions très différentes au primaire et au secondaire. Inversement, les tensions à l'entrée et à la sortie d'une inductance sont assez proches, la conversion de tension se fait dans ce cas via le convertisseur AC/DC à source de tension multiniveaux.In a converter according to the invention, the inductive circuit can be a transformer (4) with N coupled magnetic circuits (corresponding to a primary with N inputs coupled to a secondary with N outputs) or N individual inductances (7). A transformer has the advantage of withstanding very different voltages in primary and secondary. Conversely, the voltages at the input and at the output of an inductor are fairly close, the voltage conversion is done in this case via the AC / DC converter with multilevel voltage source.

Selon un mode de réalisation, dans le convertisseur DC/DC selon l'invention, le convertisseur DC/AC et le convertisseur AC/DC sont de type convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC), réalisés à partir de cellules élémentaires montées en cascade, chaque cellule élémentaire comprenant des composants actifs commandés et des composants passifs pour le stockage de l'énergie.According to one embodiment, in the DC / DC converter according to the invention, the DC / AC converter and the AC / DC converter are of the multilevel modular converters (MMC) type, produced from elementary cells connected in cascade, each cell elementary comprising active controlled components and passive components for energy storage.

De tels convertisseurs DC/AC ou AC/DC de type MMC permettent d'ajuster au mieux tensions et courants en entrée et en sortie du convertisseur DC/DC, en ajustant le nombre de cellules élémentaires de part et d'autre du circuit inductif. En effet, aux bornes du circuit inductif, l'amplitude des signaux alternatifs commandés (le courant dans le cas du convertisseur à source de courant ou la tension dans le cas du convertisseur à source de tension) est ajustée en ajoutant ou retranchant de petites marches de courant, ou de tension selon le cas, chaque marche étant générée par une cellule élémentaire, comme on le verra mieux plus loin dans des exemples. De cette façon, au niveau des bornes du circuit inductif, le courant ou la tension alternatifs obtenus ont des formes d'onde en escalier présentant une très faible distorsion harmonique ; les pertes dans les composants magnétiques sont ainsi réduites ainsi que la taille des filtres indispensables pour le filtrage des harmoniques.Such DC / AC or AC / DC converters of the MMC type make it possible to adjust the voltages and currents at the input and output of the DC / DC converter as best as possible, by adjusting the number of elementary cells on either side of the inductive circuit. Indeed, at the terminals of the inductive circuit, the amplitude of the alternating signals controlled (the current in the case of the current source converter or the voltage in the case of the voltage source converter) is adjusted by adding or subtracting small steps current, or voltage as the case may be, each step being generated by an elementary cell, as will be seen better below in examples. In this way, at the terminals of the inductive circuit, the alternating current or voltage obtained have stepped waveforms having a very low harmonic distortion; the losses in the magnetic components are thus reduced as well as the size of the filters essential for the filtering of the harmonics.

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 de convertisseurs DC/DC 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 DC / DC converters 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 1 montre un schéma d'un convertisseur DC/DC connu • les figures 2 et 3 montre des modes de réalisation de convertisseurs DC/DC selon l'invention, • les figures 4 à 9 montrent des modes de réalisation détaillés d'éléments essentiels des convertisseurs selon la figure 2 ou 3, et • la figure 10 montre l'évolution du courant circulant en un point particulier d'un convertisseur selon l'invention.• Figure 1 shows a diagram of a known DC / DC converter • Figures 2 and 3 shows embodiments of DC / DC converters according to the invention, • Figures 4 to 9 show detailed embodiments of essential elements of the converters according to FIG. 2 or 3, and • FIG. 10 shows the evolution of the current flowing at a particular point of a converter according to the invention.

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

Comme dit précédemment, sur la figure 1 est représenté schématiquement un convertisseur DC/DC connu comprenant :As said previously, in FIG. 1 is shown schematically a known DC / DC converter comprising:

• un transformateur 4, • un convertisseur 51 DC/AC continu / alternatif à source de tension dont les bornes de sortie 3a sont connectées à un primaire du transformateur 4, • un convertisseur 52 AC/DC alternatif / continu à source de tension dont les bornes d'entrée 3b sont connectées à un secondaire du transformateur 4.• a transformer 4, • a 51 DC / AC DC / AC converter with voltage source whose output terminals 3a are connected to a primary of the transformer 4, • a 52 AC / DC AC / DC converter with voltage source whose input terminals 3b are connected to a secondary of transformer 4.

Lorsqu'une basse tension continue Vb est appliquée entre les bornes d'entrée du convertisseur 51, une haute tension Vh est disponible entre les bornes de sortie du convertisseur 52.When a low direct voltage Vb is applied between the input terminals of the converter 51, a high voltage Vh is available between the output terminals of the converter 52.

Sur la figure 2 est représenté schématiquement un convertisseur DC/DC selon l'invention. Par rapport au convertisseur de la figure 1, le convertisseur 51 à source de tension est remplacé par un convertisseur 6 à source de courant. Un tel convertisseur 6 se comporte comme une source de courant idéale avec une impédance d'entrée très élevée; ainsi, entre ses bornes de sortie, il peut générer un courant avec une forme d'onde en escalier de très grande amplitude pouvant atteindre plusieurs kiloampères.In Figure 2 is shown schematically a DC / DC converter according to the invention. Compared to the converter of FIG. 1, the converter 51 with voltage source is replaced by a converter 6 with current source. Such a converter 6 behaves like an ideal current source with a very high input impedance; thus, between its output terminals, it can generate a current with a very large amplitude staircase waveform of up to several kiloamperes.

Également, sur la figure 2, le transformateur est polyphasé à N phases, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1. En variante du convertisseur de la figure 2, le transformateur 4 peut être remplacé par N inductances 7 (fig. 3).Also, in FIG. 2, the transformer is polyphase with N phases, N being an integer greater than or equal to 1. As a variant of the converter in FIG. 2, the transformer 4 can be replaced by N inductors 7 (fig. 3) .

La figure 4 montre un mode de réalisation détaillé d'un convertisseur DC/AC 6 polyphasé (N phases) à source de courant, du type convertisseur modulaire multiniveaux (ou CSMMC, de l'anglais Current Source Modular Multilevel Converter) :FIG. 4 shows a detailed embodiment of a polyphase (N-phase) DC / AC 6 converter with current source, of the multilevel modular converter type (or CSMMC, from Current Source Modular Multilevel Converter):

• le convertisseur DC/AC 6 comprend M cellules élémentaires de courant 8 connectées en parallèle, M étant un nombre entier, la tension d'entrée Vb du convertisseur DC/AC étant appliquée entre une borne d'entrée (8a) commune aux M cellules élémentaires de courant et une borne de sortie 8b commune aux M cellules élémentaires de courant, • chaque cellule élémentaire de courant comprend N bornes de sortie connectées respectivement à N bornes d'entrée du circuit inductif 4, 7.• the DC / AC converter 6 comprises M elementary current cells 8 connected in parallel, M being an integer, the input voltage Vb of the DC / AC converter being applied between an input terminal (8a) common to the M cells elementary current and an output terminal 8b common to the M elementary current cells, • each elementary current cell comprises N output terminals connected respectively to N input terminals of the inductive circuit 4, 7.

Chaque cellule élémentaire de courant se comporte comme une source de courant commandée comprenant une pluralité de branches de commande et une pluralité d'éléments inductifs de stockage d'énergie, et plus précisément dans l'exemple de la figure 4 :Each elementary current cell behaves like a controlled current source comprising a plurality of control branches and a plurality of inductive energy storage elements, and more precisely in the example of FIG. 4:

• chaque cellule élémentaire de courant du convertisseur DC/AC 6 comprend N branches de courant 9 connectées en parallèle pour construire chacune des N phases du convertisseur polyphasé, • un premier élément inductif 20a est connecté entre une première borne 9a commune des N branches de courant et la borne d'entrée 8a commune des cellules élémentaires 8, • un deuxième élément inductif 20b est connecté entre une deuxième borne 9b commune des N branches de courant et la deuxième borne 8b communes des cellules élémentaires. Chaque branche de courant comprend deux interrupteurs semiconducteurs unidirectionnels en courant et avec capacité de blocage de tension bipolaire, les deux interrupteurs semiconducteurs étant connectés en série entre la première borne commune 9a et la deuxième borne commune 9b des N branches de courant ; un point commun des deux interrupteurs semiconducteurs forme une des N bornes de sortie alternative de la cellule élémentaire de courant 8 et est connecté à une des N bornes d'entrée du circuit inductif 4, 7 ; un tel interrupteur est représenté de façon générique sur la figure 4 par une diode associée en série avec un transistor de commande ; un tel interrupteur est commandable à l'ouverture et à la fermeture.• each elementary current cell of the DC / AC converter 6 comprises N current branches 9 connected in parallel to build each of the N phases of the polyphase converter, • a first inductive element 20a is connected between a first common terminal 9a of the N current branches and the common input terminal 8a of the elementary cells 8, a second inductive element 20b is connected between a second common terminal 9b of the N current branches and the second common terminal 8b of the elementary cells. Each current branch comprises two unidirectional current semiconductor switches and with bipolar voltage blocking capacity, the two semiconductor switches being connected in series between the first common terminal 9a and the second common terminal 9b of the N current branches; a common point of the two semiconductor switches forms one of the N alternating output terminals of the elementary current cell 8 and is connected to one of the N input terminals of the inductive circuit 4, 7; such a switch is represented generically in FIG. 4 by a diode associated in series with a control transistor; such a switch can be controlled on opening and closing.

Une impédance capacitive 10 est connectée entre chacune des N bornes de sorties du convertisseur DC/AC 6 et une masse du convertisseur.A capacitive impedance 10 is connected between each of the N output terminals of the DC / AC converter 6 and a ground of the converter.

Lorsqu'une tension continue Vb est appliquée sur les bornes d'entrée du convertisseur DC/AC, un courant Idc continu circule à l'entrée du convertisseur et se répartit entre les M cellules élémentaires de courant 8 ; un courant lac alternatif est disponible sur les N bornes de sortie alternatives du convertisseur DC/AC 6.When a direct voltage Vb is applied to the input terminals of the DC / AC converter, a continuous current Idc flows at the input of the converter and is distributed among the M elementary current cells 8; AC alternating current is available at the N AC output terminals of the DC / AC converter 6.

Bien sûr, le convertisseur DC/AC de la figure 4 n'est qu'un exemple de réalisation ; en fonction de la puissance à transmettre et des tensions et courants que peuvent supporter les composants actifs, il est possible d'augmenter le nombre N de branches 9 dans chaque cellule élémentaire 8 du convertisseur et / ou le nombre M de cellules élémentaires. Plus généralement, il est possible d'utiliser tout type de convertisseur DC/AC à source de courant multiniveau.Of course, the DC / AC converter of FIG. 4 is only an example of an embodiment; depending on the power to be transmitted and the voltages and currents that the active components can withstand, it is possible to increase the number N of branches 9 in each elementary cell 8 of the converter and / or the number M of elementary cells. More generally, it is possible to use any type of DC / AC converter with a multilevel current source.

Le courant d'entrée continu Idc entre les bornes d'entrée du convertisseur DC/AC à source de courant de la figure 4 est réparti équitablement entre les M cellules élémentaires de courant 8 connectées en parallèle. De cette façon, pour un même courant continu Idc, le courant supporté par chaque interrupteur semiconducteur individuellement est beaucoup plus faible que le courant que supporterait chaque interrupteur semiconducteur d'un convertisseur DC/AC à source de tension. De plus, en ajoutant plus ou moins de cellules élémentaires de courant 8, le courant supporté par chaque interrupteur semiconducteur des cellules élémentaires 8 peut être augmenté ou réduit pour être adapté aux valeurs nominales que supportent les interrupteurs semiconducteurs choisis.The continuous input current Idc between the input terminals of the DC / AC converter with current source of FIG. 4 is distributed equitably between the M elementary current cells 8 connected in parallel. In this way, for the same direct current Idc, the current supported by each semiconductor switch individually is much weaker than the current that each semiconductor switch would support from a DC / AC converter with voltage source. In addition, by adding more or less elementary current cells 8, the current supported by each semiconductor switch of the elementary cells 8 can be increased or reduced to be adapted to the nominal values that the selected semiconductor switches support.

Le convertisseur DC/AC de la figure 4 génère, sur ses bornes de sorties 3a, un courant alternatif ayant une forme d'onde en escalier, telle que celle représentée sur la figure 10. Pour cela, le convertisseur utilise des éléments inductifs tels que les éléments 20a, 20b des cellules élémentaires 8 comme élément de stockage d'énergie. En commandant les interrupteurs semiconducteurs des branches de conversion, l'énergie stockée sous forme d'un courant continu dans les éléments inductifs peut être transmise de manière sélective sur les bornes de sortie 3a du convertisseur avec une polarité positive ou négative ou, alternativement, un courant d'amplitude nulle si le courant est autorisé à circuler entre les bornes DC du convertisseur sans traverser les bornes AC. En coordonnant le fonctionnement des N cellules élémentaires 8, il est possible d'obtenir le courant en escalier souhaité. Dans l'exemple de la figure 10, le courant en escalier à 9 niveaux est obtenu en utilisant M = 4 cellules élémentaires ; de manière plus générale, le nombre de niveaux est égal à 2*M+1.The DC / AC converter of FIG. 4 generates, on its output terminals 3a, an alternating current having a stepped waveform, such as that represented in FIG. 10. For this, the converter uses inductive elements such as the elements 20a, 20b of the elementary cells 8 as an energy storage element. By controlling the semiconductor switches of the conversion branches, the energy stored in the form of direct current in the inductive elements can be selectively transmitted to the output terminals 3a of the converter with a positive or negative polarity or, alternatively, a zero amplitude current if current is allowed to flow between the DC terminals of the converter without crossing the AC terminals. By coordinating the operation of the N elementary cells 8, it is possible to obtain the desired staircase current. In the example of FIG. 10, the staircase current with 9 levels is obtained by using M = 4 elementary cells; more generally, the number of levels is equal to 2 * M + 1.

A titre d'exemple, pour un convertisseur selon la figure 4 dimensionné avec M = 4 cellules élémentaires pour convertir une puissance de 8MW, si une tension Vb de 2kV est appliquée entre les bornes d'entrée, alors un courant Idc de 4kA circule à l'entrée du convertisseur et se répartit en 4 courants de lkA dans les quatre cellules du convertisseur; ainsi, les interrupteurs semiconducteurs constituant les sources élémentaires 8 de courant dans chaque branche supportent un courant limité à lkA.For example, for a converter according to figure 4 dimensioned with M = 4 elementary cells to convert a power of 8MW, if a voltage Vb of 2kV is applied between the input terminals, then a current Idc of 4kA flows at the input of the converter and is divided into 4 lkA currents in the four cells of the converter; thus, the semiconductor switches constituting the elementary sources 8 of current in each branch support a current limited to lkA.

La figure 5 montre un mode de réalisation spécifique d'un convertisseur AC/DC à source de tension selon la figure 2 ou 3, de type convertisseur actif et plus précisément de type convertisseur modulaire multiniveau (VSMMC de l'anglais Voltage Source Modular Multilevel Converter, connu génériquement sous l'acronyme MMC) :FIG. 5 shows a specific embodiment of an AC / DC converter with voltage source according to FIG. 2 or 3, of the active converter type and more precisely of the multilevel modular converter type (VSMMC from the English Voltage Source Modular Multilevel Converter , generically known by the acronym MMC):

• le convertisseur AC/DC (52) à N phases comprend N branches de conversion connectées en parallèle, la tension de sortie (Vh) du convertisseur AC/DC étant disponible entre une première borne 52a commune aux N branches et une deuxième borne 52b commune aux N branches, • chaque branche de conversion comprend deux bras 12 de conversion connectés en série entre la première borne commune et la deuxième borne commune ; un point milieu entre les deux bras d'une branche de conversion est connecté à une borne de sortie 3b du circuit inductif 4 ; chaque bras de conversion comprend une pluralité de cellules élémentaires 11 de tension connectées en série.• the AC / DC converter (52) with N phases comprises N conversion branches connected in parallel, the output voltage (Vh) of the AC / DC converter being available between a first terminal 52a common to the N branches and a second terminal 52b common to the N branches, each conversion branch comprises two conversion arms 12 connected in series between the first common terminal and the second common terminal; a midpoint between the two arms of a conversion branch is connected to an output terminal 3b of the inductive circuit 4; each conversion arm comprises a plurality of elementary voltage cells 11 connected in series.

Selon un mode de réalisation, chaque cellule élémentaire de tension se comporte comme une source de tension commandée comprenant une pluralité de branches de commande et une pluralité d'éléments capacitifs de stockage d'énergie. Dans l'exemple de la figure 6, une cellule élémentaire de tension 11 comprend une branche de commande comprenant une paire d'interrupteurs semiconducteurs lia, 11b connectés en demi-pont et un élément capacitif 11c connecté en parallèle sur la paire d'interrupteurs. Dans l'exemple de la figure 7, une cellule élémentaire de tension comprend deux branches de commande comprenant chacune une paire d'interrupteurs lia, 11b, respectivement lld, lie connectés en pont complet et un élément capacitif 11c connecté en parallèle sur chaque branche de commande.According to one embodiment, each elementary voltage cell behaves like a controlled voltage source comprising a plurality of control branches and a plurality of capacitive energy storage elements. In the example of FIG. 6, an elementary voltage cell 11 comprises a control branch comprising a pair of semiconductor switches 11a, 11b connected in half-bridge and a capacitive element 11c connected in parallel on the pair of switches. In the example of FIG. 7, an elementary voltage cell comprises two control branches each comprising a pair of switches 11a, 11b, respectively 11d, 11c connected in full bridge and a capacitive element 11c connected in parallel on each branch of ordered.

La figure 8 montre un autre mode de réalisation d'un convertisseur AC/DC selon la figure 2 ou 3 ; il s'agit ici d'un convertisseur passif du type redresseur à diodes en configuration 2*N puises (N=3 phases sur la figure 8), réalisé de la manière suivante :Figure 8 shows another embodiment of an AC / DC converter according to Figure 2 or 3; here it is a passive converter of the diode rectifier type in 2 * N pulse configuration (N = 3 phases in FIG. 8), produced as follows:

• le convertisseur AC/DC 52 à N phases comprend N branches de conversion connectées en parallèle, la tension de sortie (Vh) du convertisseur AC/DC étant disponible entre une première borne 52a commune aux N branches et une deuxième borne 52b commune aux N branches, • chaque branche de conversion comprend deux bras 13 de conversion montés en demi-pont : les deux bras 13 sont connectés en série entre la première borne commune 52a et la deuxième borne commune 52b ; un point milieu entre les deux bras d'une branche de conversion est connecté à une borne de sortie 3b du circuit inductif 4 ; chaque bras de conversion comprend une pluralité de diodes 14 connectées en série.• the AC / DC converter 52 with N phases comprises N conversion branches connected in parallel, the output voltage (Vh) of the AC / DC converter being available between a first terminal 52a common to the N branches and a second terminal 52b common to the N branches, • each conversion branch comprises two conversion arms 13 mounted in a half-bridge: the two arms 13 are connected in series between the first common terminal 52a and the second common terminal 52b; a midpoint between the two arms of a conversion branch is connected to an output terminal 3b of the inductive circuit 4; each conversion arm comprises a plurality of diodes 14 connected in series.

Les demi-pont de diodes redressent le courant alternatif en provenance du transformateur 4 et fournissent un courant continu sur les bornes de sortie 52a, 52b.The diode half-bridges rectify the alternating current coming from the transformer 4 and supply a direct current on the output terminals 52a, 52b.

La figure 9 montre une variante du circuit de la figure 8 où le convertisseur AC/DC à source de tension est du type redresseur à diodes en configuration 4*N puises (N=3 phases sur la figure 9) réalisé de la manière suivante :FIG. 9 shows a variant of the circuit of FIG. 8 where the AC / DC converter with voltage source is of the diode rectifier type in a 4 * N pulse configuration (N = 3 phases in FIG. 9) produced in the following manner:

• le convertisseur AC/DC 52 à N phases comprend N branches de conversion connectées en parallèle, la tension de sortie (Vh) du convertisseur AC/DC étant disponible entre une première borne 52a commune aux N branches et une deuxième borne 52b commune aux N branches, • chaque branche de conversion comprend quatre bras 13 redresseurs connectés en série entre la première borne commune 52a et la deuxième borne commune 52b ;• the AC / DC converter 52 with N phases comprises N conversion branches connected in parallel, the output voltage (Vh) of the AC / DC converter being available between a first terminal 52a common to the N branches and a second terminal 52b common to the N branches, • each conversion branch comprises four rectifier arms 13 connected in series between the first common terminal 52a and the second common terminal 52b;

• le circuit inductif a un groupe de N enroulements primaires et deux groupes de N enroulements secondaires ; les enroulements du premier groupe d'enroulements secondaires sont connectés en étoile et les enroulement du deuxième groupe d'enroulements secondaires sont connectés en triangle ;• the inductive circuit has a group of N primary windings and two groups of N secondary windings; the windings of the first group of secondary windings are connected in a star and the windings of the second group of secondary windings are connected in a triangle;

• un point milieu entre le premier et le deuxième bras d'une branche est connecté à une borne de sortie 3bl du premier enroulement secondaire et un point milieu entre le troisième et le quatrième bras d'une branche est connectés à une borne de sortie 3b2 du deuxième enroulement secondaire • les points milieu entre le deuxième et le troisième bras de toutes les branches sont connectés ensemble, • chaque bras de conversion comprend une pluralité de diodes 14 connectées en série.• a midpoint between the first and second arms of a branch is connected to an output terminal 3bl of the first secondary winding and a midpoint between the third and fourth arms of a branch is connected to an output terminal 3b2 of the second secondary winding • the midpoints between the second and third arms of all the branches are connected together, • each conversion arm comprises a plurality of diodes 14 connected in series.

Le convertisseur de la figure 9 (configuration 12 puises) est équivalent à deux convertisseurs selon la figure 8 (configuration 6 puises), en entrée (côté alternatif) connectés chacun à un secondaire du transformateur 4 et en sortie (côté continu) connectés en série. Par rapport au convertisseur de la figure 8, le convertisseur de la figure 9 produit un courant continu ayant une composante alternative bien plus faible, puisqu'il y a 12 (4*N) sous-cycles de conduction des bras redresseurs au lieu de 6 (2*N). A la sortie du convertisseur DC/DC, le résultat final est un courant continu contenant moins d'harmoniques que dans le cas d'un convertisseur à redresseur à diodes du type 2*N puises ; ainsi la taille et le coût des filtres d'harmoniques traditionnellement utilisés en sortie du convertisseur DC/DC peuvent être réduits.The converter in Figure 9 (12-pin configuration) is equivalent to two converters according to Figure 8 (6-pin configuration), at the input (alternating side) each connected to a secondary of the transformer 4 and at the output (continuous side) connected in series . Compared to the converter of figure 8, the converter of figure 9 produces a direct current having a much weaker alternating component, since there are 12 (4 * N) sub-cycles of conduction of the rectifier arms instead of 6 (2 * N). At the output of the DC / DC converter, the final result is a direct current containing less harmonics than in the case of a diode rectifier converter of type 2 * N pulses; thus the size and the cost of the harmonic filters traditionally used at the output of the DC / DC converter can be reduced.

Contrairement à un convertisseur à source de tension actif 52, un pont redresseur à diodes est un convertisseur passif, qui offre moins de flexibilité qu'un convertisseur à source de tension actif. Par exemple, un convertisseur de type redresseur à diodes n'est pas capable de réguler la valeur de la tension continue Vh de sortie, et donc la tension de sortie Vh dépend directement de la valeur de la tension alternative d'entrée. Également, un convertisseur redresseur à diodes est unidirectionnelle redresseur à diodes a par contre l'avantage d'être plus simple, moins cher et plus compact qu'un convertisseur à source de tension actif ; aussi, même s'il n'est pas approprié pour toutes les applications de conversion DC/DC, il reste une bonne alternative au convertisseur actif pour certaines applications particulières.Unlike an active voltage source converter 52, a diode rectifier bridge is a passive converter, which offers less flexibility than a converter with active voltage source. For example, a diode rectifier converter is not capable of regulating the value of the output DC voltage Vh, and therefore the output voltage Vh depends directly on the value of the AC input voltage. Also, a diode rectifier converter is a unidirectional diode rectifier has the advantage of being simpler, less expensive and more compact than a converter with active voltage source; therefore, even if it is not suitable for all DC / DC conversion applications, it remains a good alternative to the active converter for certain particular applications.

Bien sûr, d'autres réalisations du convertisseur AC/DC côté haute tension sont envisageables, notamment en fonction de la puissance à transmettre et de la tension et du courant que peuvent supporter les composants électroniques utilisés.Of course, other embodiments of the AC / DC converter on the high voltage side can be envisaged, in particular as a function of the power to be transmitted and of the voltage and the current which the electronic components used can support.

Par exemple, les convertisseurs AC/DC côté haute tension selon les figures 8, 9, dont les bras de conversion sont constitués de diodes, sont non réversibles : du fait de la non réversibilité des diodes, il n'est pas possible d'inverser les bornes d'entrée et les bornes de sortie du convertisseur DC/DC pour réaliser un convertisseur abaisseur de tension. Ainsi, si un convertisseur DC/DC réversible est recherché, on choisira plutôt de réaliser le convertisseur AC/DC à base de transistors commandés plutôt que de diodes.For example, the AC / DC converters on the high-voltage side according to FIGS. 8, 9, whose conversion arms consist of diodes, are non-reversible: due to the non-reversibility of the diodes, it is not possible to reverse the input and output terminals of the DC / DC converter to make a step-down converter. Thus, if a reversible DC / DC converter is sought, we will rather choose to make the AC / DC converter based on controlled transistors rather than diodes.

Également, dans tous les exemples détaillés en relation avec les dessins, les convertisseurs selon l'invention ont N = 3 phases. Bien sûr, il est possible de réaliser des convertisseurs monophasés aussi bien que des convertisseurs à N = 2, 4, 5,... phases (soit plus généralement N un entier supérieur à 1).Also, in all the examples detailed in relation to the drawings, the converters according to the invention have N = 3 phases. Of course, it is possible to make single-phase converters as well as converters with N = 2, 4, 5, ... phases (ie more generally N an integer greater than 1).

NOMENCLATURENOMENCLATURE

I convertisseur DC/DCI DC / DC converter

3a sorties du convertisseur DC/AC 513a outputs of the DC / AC converter 51

3b entrées du convertisseur AC/DC 523b inputs of the AC / DC converter 52

4 transformateur (ou plus généralement circuit inductif) convertisseur DC/AC basse tension à source de tension convertisseur AC/DC haute tension à source de tension4 transformer (or more generally inductive circuit) low voltage DC / AC converter with voltage source High voltage AC / DC converter with voltage source

52a, 52b bornes de sortie du convertisseur AC/DC convertisseur DC/AC à source de courant 10 7 inductance (ou plus généralement circuit inductif)52a, 52b output terminals of the AC / DC converter DC / AC converter with current source 10 7 inductance (or more generally inductive circuit)

M cellules élémentaires de courantM elementary current cells

8a, 8b borne d'entrée et borne de sortie d'une cellule élémentaire de courant 8 branche de courant8a, 8b input terminal and output terminal of an elementary current cell 8 current branch

9a, 9b première borne et deuxième borne d'une branche de courant 9 15 impédance capacitive9a, 9b first terminal and second terminal of a current branch 9 15 capacitive impedance

II cellule élémentaire de tension lia, 11b, lld, lie interrupteurs semiconducteursII elementary voltage cell lia, 11b, lld, lie semiconductor switches

11c élément capacitif11c capacitive element

13 bras redresseur de courant diodes13 diode current rectifier arm

20a, 20b premier et deuxième élément inductif d'une cellule élémentaire de courant 820a, 20b first and second inductive element of an elementary current cell 8

Claims (10)

REVENDICATIONS 1. Convertisseur DC/DC comprenant :1. DC / DC converter including: • un convertisseur DC/AC multiniveaux dont des bornes de sortie (3a) sont connectées à des bornes d'entrée d'un circuit inductif (4, 7) dans lequel circule un courant alternatif, une tension continue d'entrée (Vb) du convertisseur DC/DC étant appliquée entre des bornes d'entrée du convertisseur DC/AC, et • un convertisseur AC/DC à source de tension multiniveaux (52) dont des bornes d'entrée (3b) sont connectées à des bornes de sortie du circuit inductif (4, 7), une tension continue de sortie (Vh) du convertisseur DC/DC étant disponible entre des bornes de sortie du convertisseur AC/DC, convertisseur DC/DC caractérisé en ce que le convertisseur DC/AC est un convertisseur DC/AC à source de courant multiniveaux (6).• a multilevel DC / AC converter whose output terminals (3a) are connected to input terminals of an inductive circuit (4, 7) in which an alternating current, a direct input voltage (Vb) of the DC / DC converter being applied between input terminals of the DC / AC converter, and • an AC / DC converter with multi-level voltage source (52) whose input terminals (3b) are connected to output terminals of the inductive circuit (4, 7), a direct output voltage (Vh) of the DC / DC converter being available between output terminals of the AC / DC converter, DC / DC converter characterized in that the DC / AC converter is a converter DC / AC with multi-level current source (6). 2. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes comprenant N phases, N étant un nombre entier supérieur ou égal à un, et dans lequel :2. Converter according to one of the preceding claims comprising N phases, N being an integer greater than or equal to one, and in which: • le convertisseur DC/AC à source de courant (6) a N bornes de sortie alternatives, • le convertisseur AC/DC à source de tension (52) a N bornes d'entrée alternatives, et • le circuit inductif (4, 7) comprend N circuits magnétiques.• the DC / AC converter with current source (6) has N alternative output terminals, • the AC / DC converter with voltage source (52) has N alternative input terminals, and • the inductive circuit (4, 7 ) includes N magnetic circuits. 3. Convertisseur selon la revendication précédente dans lequel le circuit inductif est un transformateur (4) à N circuits magnétiques couplés ou N inductances (7) individuelles.3. Converter according to the preceding claim wherein the inductive circuit is a transformer (4) with N coupled magnetic circuits or N inductors (7) individual. 4. Convertisseur DC/DC selon l'une des revendications précédentes dans lequel le convertisseur DC/AC et le convertisseur AC/DC sont de type convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC), réalisés à partir de cellules élémentaires montées en cascade, chaque cellule élémentaire comprenant des composants actifs commandés et des composants passifs pour le stockage de l'énergie.4. DC / DC converter according to one of the preceding claims, in which the DC / AC converter and the AC / DC converter are of the multilevel modular converters (MMC) type, produced from elementary cells connected in cascade, each elementary cell comprising controlled active components and passive components for energy storage. 5. Convertisseur DC/DC selon l'une des revendications précédentes dans lequel le convertisseur DC/AC (6) comprend M cellules élémentaires de courant (8) connectées en parallèle, M étant un nombre entier, la tension d'entrée (Vb) du convertisseur DC/AC étant appliquée entre une borne d'entrée (8a) commune des M cellules élémentaires de courant et une borne de sortie (8b) commune des M cellules élémentaires de courant, chaque cellule élémentaire de courant se comportant comme une source de courant commandée comprenant une pluralité de branches de commande et une pluralité d'éléments inductifs de stockage d'énergie, chaque cellule élémentaire de courant comprenant N bornes de sortie connectées respectivement à N bornes d'entrée du circuit inductif (4, 7).5. DC / DC converter according to one of the preceding claims, in which the DC / AC converter (6) comprises M elementary current cells (8) connected in parallel, M being an integer, the input voltage (Vb) of the DC / AC converter being applied between an input terminal (8a) common to the M elementary current cells and an output terminal (8b) common to the M elementary current cells, each elementary current cell behaving as a source of controlled current comprising a plurality of control branches and a plurality of inductive energy storage elements, each elementary current cell comprising N output terminals connected respectively to N input terminals of the inductive circuit (4, 7). 6. Convertisseur DC/DC selon la revendication précédente dans lequel chaque cellule élémentaire de courant du convertisseur DC/AC (6) comprend N branches de courant (9) connectées en parallèles, un premier élément inductif (20a) étant connecté entre une première borne (9a) commune des N branches de courant et la première borne (8a) communes des cellules élémentaires (8), un deuxième élément inductif (20b) étant connecté entre une deuxième borne (9b) commune des N branches de courant et la deuxième borne (8b) communes des cellules élémentaires (8), chaque branche de courant 9 comprenant deux interrupteurs semiconducteurs unidirectionnels en courant et avec ίο capacité de blocage de tension bipolaire, les deux interrupteurs semiconducteurs étant connectées en série entre la première borne commune (9a) et la deuxième borne commune (9b) des N branches de courant, un point commun des deux interrupteurs semiconducteurs formant une des N bornes de sortie de la cellule élémentaire de courant 8 connectée à une des N bornes d'entrée du circuit inductif (4,6. DC / DC converter according to the preceding claim wherein each elementary current cell of the DC / AC converter (6) comprises N current branches (9) connected in parallel, a first inductive element (20a) being connected between a first terminal (9a) common of the N current branches and the first common terminal (8a) of the elementary cells (8), a second inductive element (20b) being connected between a second terminal (9b) common of the N current branches and the second terminal (8b) common of the elementary cells (8), each current branch 9 comprising two unidirectional semiconductor switches in current and with ίο bipolar voltage blocking capacity, the two semiconductor switches being connected in series between the first common terminal (9a) and the second common terminal (9b) of the N current branches, a common point of the two semiconductor switches forming one of the N output terminals of the c elementary current ellule 8 connected to one of the N input terminals of the inductive circuit (4, 7).7). 5 7. Convertisseur DC/DC selon l'une des revendications précédentes dans lequel le convertisseur AC/DC (52) à N phases comprend N branches de conversion connectées en parallèle, la tension de sortie (Vh) du convertisseur AC/DC étant disponible entre une première borne commune aux N branches et une deuxième borne commune aux N branches, chaque branche de conversion comprenant deux bras (12) de conversion connectés en série entre la première borne commune et la deuxième borne commune, un point milieu entre les deux bras d'une branche de5. DC / DC converter according to one of the preceding claims, in which the N-phase AC / DC converter (52) comprises N conversion branches connected in parallel, the output voltage (Vh) of the AC / DC converter being available. between a first terminal common to the N branches and a second terminal common to the N branches, each conversion branch comprising two conversion arms (12) connected in series between the first common terminal and the second common terminal, a midpoint between the two arms of a branch of 10 conversion étant connecté à une borne de sortie du circuit inductif, chaque bras de conversion comprenant une pluralité de cellules élémentaires (11) de tension connectées en série et chaque cellule élémentaire de tension se comportant comme une source de tension commandée comprenant une pluralité de branches de commande et une pluralité d'élément capacitifs de stockage d'énergie.10 conversion being connected to an output terminal of the inductive circuit, each conversion arm comprising a plurality of elementary voltage cells (11) connected in series and each elementary voltage cell behaving like a controlled voltage source comprising a plurality of branches and a plurality of capacitive energy storage elements. 8. Convertisseur DC/DC selon la revendication 7 dans lequel une cellule élémentaire de tension comprend une paire8. DC / DC converter according to claim 7 wherein an elementary voltage cell comprises a pair 15 d'interrupteurs semiconducteurs (lia, llb) connectés en demi-pont et un élément capacitif (11c) connecté en parallèle sur la paire d'interrupteurs.15 of semiconductor switches (11a, 11b) connected in half-bridge and a capacitive element (11c) connected in parallel on the pair of switches. 9. Convertisseur DC/DC selon la revendication 7 dans lequel une cellule élémentaire de tension comprend deux paires d'interrupteurs (lia, llb, lld, lie) connectés en pont complet et un élément capacitif (11c) connecté en parallèle sur chaque paire d'interrupteurs.9. DC / DC converter according to claim 7, in which an elementary voltage cell comprises two pairs of switches (lla, llb, lld, lie) connected in full bridge and a capacitive element (11c) connected in parallel on each pair of 'switches. 2020 10. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le convertisseur AC/DC est un pont redresseur à diodes en configuration 2*N puises ou un pont redresseur à diodes en configuration 4*N puises.10. Converter according to one of claims 1 to 4 wherein the AC / DC converter is a diode rectifier bridge in configuration 2 * N pulses or a diode rectifier bridge in configuration 4 * N pulses. 1/41/4 3a 3b3a 3b
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