FR3084798A1 - Convertisseur de puissance multiniveaux - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un convertisseur de puissance multiniveaux qui présente : Plusieurs sources de tension en entrée (au moins quatre) ; Une structure à deux étages de conversion (ET1, ET2), un premier étage de conversion (ET1) qui comporte au moins deux cellules de conversion de type DC/DC et un deuxième étage de conversion (ET2) qui comporte une cellule de conversion de type DC/AC ; Chaque cellule de conversion de type DC/DC disposant d'une topologie particulière permettant d'assurer un nombre suffisant de niveaux de tension en sortie et qui intègre une solution d'équilibrage de son bus interne, sans nécessiter un nombre important d'interrupteurs de puissance, limitant ainsi l'encombrement et réduisant le coût de la cellule.
Description
Domaine technique de l'invention
La présente invention se rapporte à un convertisseur de puissance multiniveaux, pour des applications moyenne tension.
Etat de la technique
Certaines applications nécessitent aujourd’hui des tensions très élevées. Les convertisseurs de puissance moyenne tension connus utilisent généralement des interrupteurs à semi-conducteurs mis en série pour permettre une montée en tension. Si les performances des semi-conducteurs employés dans les convertisseurs de puissance sont sans cesse améliorées, leur tenue en tension n’est cependant pas encore suffisante pour proposer des convertisseurs de puissance compacts et sûrs. Par conséquent, différentes solutions ont été élaborées pour permettre une montée en tension tout en respectant les tenues en tension des composants.
Une première solution consiste simplement en l’association en série des interrupteurs de puissance. Il est cependant difficile de répartir équitablement les contraintes en tension sur chacun des interrupteurs, aussi bien en régime statique qu’en régime dynamique. Par exemple, à l’amorçage, l’interrupteur à la commutation la plus lente risque de subir une tension transitoire excessive tandis qu’au blocage, l’interrupteur le plus rapide risque la destruction. Pour faire face à ces difficultés, d’autres solutions ont été proposées, basées sur l’entrelacement des commandes des interrupteurs. Ces solutions permettent de proposer plusieurs niveaux de tension en vue de reconstituer les formes d’onde.
Une deuxième solution apparue est la topologie dite NPC (pour Neutral Point Clamped). Cette topologie apporte des améliorations significatives au problème d’équilibrage des tensions subies par les interrupteurs et permet de générer des formes d’ondes satisfaisantes. Cette topologie présente cependant des limites dans son utilisation et des inconvénients liés notamment à l’équilibrage de la tension des condensateurs de bus. Cette topologie de type NPC a donc fait l’objet d’une amélioration en remplaçant les diodes par des interrupteurs commandés. La topologie améliorée se nomme ANPC (pour Active Neutral Point Clamped) et a déjà été mise en œuvre dans certains produits. Une alternative à la topologie NPC, dénommée NPP (pour Neutral Point Piloted) a par exemple été décrite dans le brevet US6930899B2.
Une troisième solution est apparue, utilisant des cellules imbriquées. Le convertisseur à cellules imbriquées permet de relier une source de tension à une source de courant en associant un nombre quelconque d’interrupteurs en série, quel que soit le type de conversion souhaité. Chaque cellule élémentaire comporte deux interrupteurs de commutation et un condensateur. Cependant, cette solution présente également des inconvénients liés à la présence des condensateurs flottants dans chaque cellule, leur nombre engendrant un surcoût et une quantité d’énergie stockée importante.
Afin de réduire la taille des condensateurs et l’énergie stockée dans le convertisseur, une quatrième solution a été proposée. Cette solution est désignée convertisseur multicellulaires superposées (SMC pour Stacked Multicell Converter). Cette solution, décrite dans le brevet EP1287609B1, consiste à associer plusieurs convertisseurs à cellules imbriquées.
Enfin, une dernière solution a été décrite dans le brevet US5625545. Cette solution consiste à associer la sortie des cellules en série et à alimenter chaque cellule par une source indépendante. Chaque cellule comporte un redresseur et un onduleur. Les sorties des cellules sont associées en série pour générer le niveau de tension souhaité sur la charge. Un décalage temporel des commandes des onduleurs est employé pour obtenir une tension multi-niveaux.
D'autres solutions de convertisseurs multiniveaux ont également été décrites dans la demande de brevet EP2945272A1.
Le but de l'invention est de proposer une solution alternative à toutes les solutions antérieures, permettant d’associer un grand nombre de composants afin de pouvoir travailler à des niveaux de tension élevés, sans employer de transformateur, en limitant au maximum le nombre de composants passifs et en minimisant le nombre d'interrupteurs de puissances employés.
Exposé de l'invention
Ce but est atteint par un convertisseur de puissance multi-niveaux destiné à être connecté entre une source de tension et une source de courant à plusieurs phases, ledit convertisseur comportant :
Un premier étage de conversion comprenant un premier ensemble de connexion à au moins deux bornes de connexion destiné à être connecté à la source de tension et un deuxième ensemble de connexion à au moins deux bornes de connexion,
Un bus d'alimentation à courant continu comprenant au moins deux lignes d'alimentation, une première ligne d'alimentation connectée à une première borne de connexion du deuxième ensemble de connexion du premier étage de conversion et une deuxième ligne d'alimentation connectée à une deuxième borne de connexion du deuxième ensemble de connexion du premier étage de conversion,
Un deuxième étage de conversion comportant plusieurs cellules de commutation, connectées chacune entre les deux lignes d'alimentation du bus, chaque cellule de commutation comprenant un point milieu destiné à être relié à une phase distincte de la source de courant,
Le premier étage de conversion comprenant au moins deux structures de commutation,
Chaque structure de commutation comportant un premier point de connexion, un deuxième point de connexion et un troisième point de connexion,
La première structure de commutation étant reliée par son premier point de connexion à la première borne de connexion du premier ensemble de connexion du premier étage de conversion, par son deuxième point de connexion à un point de liaison et par son troisième point de connexion à la première borne de connexion du deuxième ensemble de connexion du premier étage de conversion,
La deuxième structure de commutation étant reliée par son premier point de connexion à la deuxième borne de connexion du premier ensemble de connexion du premier étage de conversion, par son deuxième point de connexion audit point de liaison et par son troisième point de connexion à la deuxième borne de connexion du deuxième ensemble de connexion du premier étage de conversion,
Chaque structure de commutation comportant un pont diviseur capacitif à au moins deux dispositifs de stockage d'énergie connectés en série entre son premier point de connexion et son deuxième point de connexion et définissant entre eux un premier point milieu, une cellule de conversion comportant une première cellule de commutation connectée entre ledit premier point de connexion et ledit point milieu et une deuxième cellule de commutation connectée entre ledit deuxième point de connexion et ledit point milieu,
Chaque cellule de commutation comportant au moins deux interrupteurs de puissance connectés en série et définissant entre eux un point milieu, Chaque structure de commutation comportant une troisième cellule de commutation connectée au point milieu de sa première cellule de commutation et au point milieu de sa deuxième cellule de commutation, ladite troisième cellule de commutation comportant au moins deux interrupteurs de puissance en série définissant entre eux un point milieu connecté à son troisième point de connexion,
Chaque structure de commutation comportant également un circuit de type LC connecté au point milieu de sa première cellule de commutation et au point milieu de sa deuxième cellule de commutation et comprenant au moins une inductance et un condensateur connectés en série.
Selon une particularité, les deux structures de commutation sont reliées au point de liaison via au moins une cellule capacitive comprenant au moins deux dispositifs de stockage d'énergie définissant entre eux un point milieu connecté à la terre.
Selon une autre particularité, les deux structures de commutation sont reliées audit point de liaison via au moins un dispositif d'équilibrage du bus d'alimentation à courant continu.
Selon une autre particularité, ledit dispositif d'équilibrage comporte :
Deux bornes extrêmes,
Un pont diviseur capacitif comportant au moins deux dispositifs de stockage d'énergie connectés entre ses deux bornes extrêmes et définissant entre eux un point milieu,
- Au moins une première cellule de commutation connectée entre sa première borne extrême et ledit point milieu,
- Au moins une deuxième cellule de commutation connectée entre sa deuxième borne extrême et ledit point milieu, chaque cellule de commutation comprenant au moins deux interrupteurs de puissance connectés en série et définissant entre eux un point milieu,
- Au moins un premier circuit LC connecté entre le point milieu de la première cellule de commutation et le point milieu de la première ou de la deuxième cellule de commutation de la première structure de commutation,
- Au moins un deuxième circuit LC connecté entre le point milieu de la deuxième cellule de commutation et le point milieu de la première ou de la deuxième cellule de commutation de la deuxième structure de commutation.
Selon une autre particularité, le convertisseur comporte au moins une structure de commutation intermédiaire qui comporte :
Un pont diviseur capacitif à deux dispositifs de stockage d'énergie définissant entre eux un point milieu relié à la terre, le pont diviseur capacitif étant connecté entre le deuxième point de connexion de la première structure de commutation et le deuxième point de connexion de la deuxième structure de commutation,
Une cellule de conversion intermédiaire de type DC/DC connectée en parallèle du pont diviseur capacitif.
Selon une autre particularité, les dispositifs de stockage d'énergie ont tous une capacité de stockage identique.
Selon une autre particularité, les dispositifs de stockage d'énergie sont tous identiques et sont choisis parmi un condensateur, une batterie, une pile à combustible.
Selon une autre particularité, chaque cellule de commutation de la première structure de commutation et de la deuxième structure de commutation est de type N PC.
Selon une autre particularité, chaque interrupteur de puissance du premier étage de conversion est de type IGBT.
Selon une autre particularité, chaque interrupteur de puissance de chaque cellule de commutation de la première structure de commutation et de la deuxième structure de commutation est de type à effet de champ, réalisé en matériau semiconducteur à large bande interdite.
Selon une autre particularité, le système comporte une unité de commande configurée pour commander chaque interrupteur de puissance des cellules de commutation.
Selon une autre particularité, l'unité de commande comporte un module de commande des deux cellules de conversion du premier étage de conversion, configuré pour appliquer un mode de commande de type symétrique dans lequel les deux tensions de sortie générées par chaque cellule de conversion sont symétriques par rapport à un axe horizontal, ou dans un mode de commande asymétrique dans lequel lesdites deux tensions de sortie sont déphasées.
L'invention concerne également l'utilisation du convertisseur tel que défini cidessus dans un variateur de vitesse moyenne tension destiné à la commande d'un moteur électrique, ledit convertisseur étant agencé comme onduleur pour convertir une tension continue en une tension variable destinée au dit moteur électrique.
L'invention concerne également l'utilisation du convertisseur tel que défini cidessus dans un variateur de vitesse moyenne tension destiné à la commande d'un moteur électrique, ledit convertisseur étant agencé comme redresseur actif pour convertir une tension fournie par un réseau électrique en une tension continue.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 représente de manière schématique le principe de réalisation d'un convertisseur multiniveaux conforme à l'invention.
La figure 2 représente un schéma général du convertisseur multiniveaux de l'invention.
La figure 3 représente, de manière schématique, une première variante de réalisation du convertisseur multiniveaux de l'invention.
La figure 4A représente, de manière schématique, une autre variante de réalisation du convertisseur multiniveaux de l'invention.
La figure 4B illustre deux modes de contrôle possible des deux cellules de conversion placés en entrée du convertisseur multiniveaux de l'invention.
La figure 5 illustre différentes variantes de réalisation du convertisseur multiniveaux de l'invention.
Les figures 6A et 6B représentent respectivement une structure de commutation employée dans le convertisseur et son principe de commande. La figure 7 représente une variante particulière de réalisation du convertisseur multiniveaux de l'invention, intégrant deux structures de commutation.
La figure 8 représente une autre variante de réalisation du convertisseur multiniveaux de l'invention, intégrant un dispositif d'équilibrage du bus.
Les figures 9A et 9B représentent respectivement une autre variante du convertisseur multiniveaux de l'invention, à six sources de tension en entrée, et le principe de commande de sa cellule de conversion.
Les figures 10 et 11 illustrent, respectivement de manière schématique et de manière plus concrète, une autre variante de réalisation du convertisseur multiniveaux de l'invention.
La figure 12 représente une autre variante de réalisation du convertisseur multiniveaux de l'invention, utilisant huit sources de tension en entrée.
La figure 13 représente une variante de réalisation du convertisseur multiniveaux de l'invention, employé en mode redresseur.
La figure 14 représente une réalisation employant un premier convertisseur conforme à l'invention côté redresseur et un deuxième convertisseur conforme à l'invention côté onduleur.
La figure 15 représente, de manière schématique, une autre variante de réalisation du convertisseur multiniveaux de l'invention.
La figure 16 illustre les profils des tensions de référence à générer par le convertisseur, en fonction du temps t.
Description détaillée d'au moins un mode de réalisation
L'invention vise un convertisseur multiniveaux destiné à être connecté entre une source de tension (référencée VDC sur les figures annexées) et une source de courant (Charge Ch sur les figures annexées).
L'invention s'applique à un convertisseur à trois phases ou plus, qui fonctionne avec des tensions qui peuvent être supérieures à 800 Volts. Il pourra être employé dans des applications de type UPS, onduleur pour installation photovoltaïque, convertisseur pour variateur de vitesse, côté redresseur et/ou onduleur. Le convertisseur est destiné à convertir des tensions DC pouvant aller au-delà de 1000 Volts, jusqu'à 15kV.
L'invention vise un convertisseur qui présente :
Plusieurs sources de tension en entrée (au moins quatre, comme on le verra ci-après) ;
Une structure à deux étages de conversion, un premier étage de conversion qui comporte au moins deux cellules de conversion de type DC/DC et un deuxième étage de conversion qui comporte une cellule de conversion de type DC/AC ;
Chaque cellule de conversion de type DC/DC disposant d'une topologie particulière permettant d'assurer un nombre suffisant de niveaux de tension en sortie et qui intègre une solution d'équilibrage de son bus interne, sans nécessiter un nombre important d'interrupteurs de puissance, limitant ainsi l'encombrement et réduisant le coût de la cellule ;
La possibilité d'employer des interrupteurs de puissance de différentes technologies et de différents dimensionnements en tension ;
Une solution de contrôle améliorée permettant de réduire les contraintes en tension sur le deuxième étage de conversion ainsi que de limiter les pertes par commutation ;
Une solution de contrôle du deuxième étage de conversion qui est adaptée selon que le premier étage de conversion est commandé selon un mode symétrique ou un mode asymétrique sur le bus à courant continu du convertisseur (voir ci-après).
Le convertisseur de l'invention permet de gérer les échanges d’énergie entre une source AC inductive ou rendue inductive par ajout d’une inductance série assimilable à une source de courant pour les temps courts (temps de commutation des semiconducteurs) et une source DC capacitive ou rendue capacitive par l'ajout d’un condensateur en parallèle assimilable à une source de tension. Il peut fonctionner en mode DC/AC, c'est-à-dire comme un onduleur ou en mode AC/DC, c'est-à-dire comme un redresseur.
Dans le cas d'un convertisseur de type DC/AC, l’énergie circule principalement de la source DC vers la source AC, la source de courant AC peut être un moteur électrique et la source de tension DC peut être par exemple un bus d'alimentation à courant continu branché en sortie d'un redresseur (actif ou non).
Dans le cas d'un convertisseur de type AC/DC, la source de courant AC peut être par exemple le réseau électrique et la source de tension DC peut être matérialisée par un ou plusieurs dispositifs de stockage d'énergie tels que condensateur, batterie ou pile à combustible.
Les figures 1 à 12 concernent l'utilisation du convertisseur en mode onduleur DC/AC. La figure 13 montre l'application du convertisseur en mode redresseur AC/DC. La figure 14 montre l'utilisation de deux convertisseurs conformes à l'invention dans une même architecture, l'un fonctionnant comme redresseur et l'autre fonctionnant comme onduleur.
En référence à la figure 1, le convertisseur comporte deux étages de conversion ET 1 et ET2. Le premier étage de conversion ET 1 est destiné à être connecté à la source de tension VDC qui est continue et le deuxième étage ET2 est destiné à être connecté à la source de courant AC (la charge Ch).
Le premier étage de conversion ET 1 comporte deux ensembles de connexion. Un premier ensemble de connexion comporte deux bornes de connexion B1, B2 entre lesquelles est appliquée la tension VDC fournie en entrée et un deuxième ensemble de connexion comporte deux autres bornes de connexion B10, B20.
Le convertisseur comporte également un bus d'alimentation à courant continu comprenant deux lignes d'alimentation. Une première ligne d'alimentation L1 est connectée sur la première borne B10 du deuxième ensemble de connexion. Une deuxième ligne d'alimentation L2 est connectée sur la deuxième borne B20 du deuxième ensemble de connexion. La première ligne d'alimentation L1 peut être à un potentiel électrique positif et la deuxième ligne d'alimentation L2 peut être à un potentiel électrique négatif.
En référence à la figure 2, le premier étage de conversion ET1 comporte au moins deux structures de commutation de type hacheur reliées entre elles par un point de liaison M1.
La première structure de commutation S1 comporte :
Un premier point de connexion C1_1 connecté à la borne de connexion B1 ;
Un deuxième point de connexion C1_2 relié au point M1 pouvant être relié à la terre ;
Un troisième point de connexion C1_3 connecté à la borne de connexion B10.
La deuxième structure de commutation S2 comporte :
Un premier point de connexion C2_1 connecté à la borne de connexion B2 ;
Un deuxième point de connexion C2_2 relié au point M1 pouvant être relié à la terre ;
Un troisième point de connexion C2_3 connecté à la borne de connexion B20.
On verra ci-après que chacune de ces structures de commutation S1, S2 peut être réalisée selon des topologies différentes.
Les deux structures de commutation S1, S2 présentent avantageusement une topologie identique. D'une structure à l'autre, les composants sont avantageusement réalisés dans des technologies identiques et présentent un dimensionnement équivalent.
On peut voir sur la figure 2 que la tension VDC appliquée en entrée du premier étage de conversion ET 1 est scindée en n tensions égales associées en série (Vdc1, Vdc2, Vdcn). Chaque structure de commutation comporte un pont diviseur capacitif qui matérialise une source de tension. Le pont diviseur capacitif génère ainsi deux tensions distinctes référencées Vdc_k_1, Vdc_k_2 pour chaque cellule de conversion cellk telle que décrite ci-après. Les deux structures de commutation S1, S2 sont ainsi commandées pour distribuer les différents niveaux de tension créés par les ponts diviseurs capacitifs sur les deux lignes d'alimentation L1, L2 du bus à courant continu. On verra aussi qu'un équilibrage des tensions capacitives peut également être prévu.
La figure 2 montre également la présence dans le premier étage de conversion ET1 d'une structure de commutation intermédiaire SJnt connectée entre les deux structures de commutation S1 et S2. Cette structure de commutation intermédiaire SJnt est cependant optionnelle. Sa topologie sera explicitée ci-après en liaison avec les figures 10 et 11.
Le deuxième étage de conversion ET2 comporte pour sa part une première borne de connexion B100 connectée à la première ligne d'alimentation L1 du bus d'alimentation à courant continu et une deuxième borne de connexion B200 connectée à la deuxième ligne d'alimentation L2 du bus d'alimentation à courant continu.
Entre ses deux bornes de connexion B100, B200, le deuxième étage de conversion ET2 comporte un convertisseur de type DC/AC incluant plusieurs cellules de commutation connectées en parallèle.
Chaque cellule de commutation du convertisseur DC/AC du deuxième étage de conversion ET2 comporte au moins deux interrupteurs de puissance connectés en série et définissant entre eux un point milieu. Chaque point milieu est destiné à être relié à la source de courant par une phase distincte. On verra ci-après que chacune de ces cellules de commutation peut être réalisée selon des topologies diverses.
Dans le deuxième étage de conversion ET2, le point M2 peut être connecté ou non au point milieu M1 de la source DC d'entrée (VDC), ce point M1 pouvant être relié à la terre. La structure de commutation intermédiaire SJnt évoquée ci-dessus peut venir s'intercaler entre les points M1 et M2.
La figure 3 représente un premier cas de réalisation du convertisseur multiniveaux de l'invention représenté aussi sur la figure 2. Cette architecture n'intègre notamment pas la structure de commutation intermédiaire SJnt.
Pour la suite de de la description, il faut comprendre que la topologie finale du convertisseur peut résulter de différentes combinaisons entre le premier étage de conversion Et1 et le deuxième étage de conversion ET2.
Certaines de ces topologies sont décrites ci-dessous mais elles sont à considérer de manière non limitative. Chaque topologie décrite et représentée sur les figures annexées pourra notamment différer dans le nombre d'interrupteurs de puissance qui sont employés.
Le convertisseur peut intégrer une unité de commande des interrupteurs de puissance employés dans les deux étages de conversion. Les commutations sont avantageusement réalisées :
- Au zéro de tension, ou
Dans certains cas moins favorables, à une tension égale à une fraction de la tension VDC, ou
Dans le pire des cas lorsque la tension est égale à la tension VDC.
En référence à la figure 4A, de manière non limitative, on peut voir que le premier étage de conversion ET1 peut également comporter une ou plusieurs cellules capacitives cell_cap reliant le deuxième point de connexion C1_2 de la première structure de commutation S1 au deuxième point de connexion C2_2 de la deuxième structure de commutation S2. Chaque cellule capacitive cell_cap peut comporter un ou plusieurs dispositifs de stockage d'énergie. Sur la figure 4A, le premier étage de conversion ET1 est représenté avec deux condensateurs définissant entre eux un point milieu relié à la terre. Chaque cellule capacitive ajoutée permet de soulager en tension les deux structures de commutation S1, S2.
Selon un aspect particulier de l'invention, dans cette topologie à plusieurs cellules capacitives intermédiaires, il est possible de prévoir un mode de contrôle spécifique des cellules du premier étage de conversion ET 1 pour réduire les contraintes en tension sur le convertisseur DC/AC du deuxième étage de conversion, permettant ainsi de réduire les pertes par commutation. Les deux cellules de conversion cell1, cell2 du premier étage de conversion ET1 peuvent être commandées selon un mode symétrique M1 ou selon un mode asymétrique M2.
En référence à la figure 4B, dans le mode symétrique, les deux tensions de sortie V_cell1, V_cell2 générées par chaque cellule sont symétriques par rapport à un axe horizontal.
Dans le mode asymétrique M2, les deux tensions de sortie V_cell1, V_cell2 sont déphasées d'une demi-période.
De manière plus générale, lorsque le neutre de la source triphasé est isolé, le fonctionnement du convertisseur n’est pas affecté si l’on ajoute aux deux tensions V_cell1 et V_cell2 une même composante qui peut varier de façon quelconque avec le temps. En effet le bon fonctionnement du système exige simplement de respecter le profil d’évolution temporelle de la différence V_cell1-V_cell2. Il existe donc une infinité de motifs de commande possibles.
Pour une valeur donnée de la tension VDC de la source DC, le fonctionnement en mode symétrique M1 a l’avantage d’autoriser une plus grande plage de variation de la tension appliquée à la source de courant, et ce de façon analogue aux modulations dites avec injection d’harmonique 3 dans les onduleurs de tension triphasés classiques.
De manière générale, en référence à la figure 6A, chaque structure de commutation Sk du premier étage de conversion peut comporter :
Un pont diviseur capacitif à au moins deux dispositifs de stockage d'énergie C1, C2 connectés en série entre son premier point de connexion Ck_1 et son deuxième point de connexion Ck_2 et définissant entre eux un premier point milieu P1 et fournissant chacun respectivement une tension Vdc_k_1, Vdc_k_2,
Une cellule de conversion cellk de type DC/DC comportant une première cellule de commutation d'entrée (interrupteurs T1, T2) connectée entre ledit premier point de connexion Ck_1 et ledit point milieu P1 et une deuxième cellule de commutation d'entrée (interrupteurs T3, T4) connectée entre ledit deuxième point de connexion Ck_2 et ledit point milieu P1,
Chaque cellule de commutation d'entrée comportant au moins deux interrupteurs de puissance connectés en série et définissant entre eux un point milieu P2, P3,
La cellule de conversion cellk comportant une troisième cellule de commutation de sortie (interrupteurs T5, T6) connectée au point milieu P2 de la première cellule de commutation et au point milieu P3 de la deuxième cellule de commutation, ladite troisième cellule de commutation de sortie comportant au moins deux interrupteurs de puissance en série définissant entre eux un point milieu P4 connecté à son troisième point de connexion Ck_3,
Un circuit de type LC connecté au point milieu P2 de la première cellule de commutation et au point milieu P3 de la deuxième cellule de commutation et comprenant au moins une inductance Lr et un condensateur Cr connectés en série. Ce circuit LC permet un équilibrage desdites tensions Vdc_k_1 et Vdc_k_2.
La figure 5 illustre, de manière plus précise mais non limitative, différentes topologies que peut prendre chaque structure de commutation Sk du convertisseur (les deux cellules de commutation d'entrée d'une même structure de commutation étant préférentiellement identiques) :
Dans la première topologie TP1, le pont diviseur capacitif comporte deux dispositifs de stockage d'énergie uniquement. Chaque cellule de commutation d'entrée de la cellule de conversion comporte uniquement deux interrupteurs de puissance en série connectés en parallèle d'un dispositif de stockage d'énergie. Dans cette première topologie, les deux interrupteurs de puissance de la cellule de commutation d'entrée peuvent être de type IGBT, dimensionné chacun à 3.3kV.
Dans la deuxième topologie TP2, la cellule de commutation d'entrée de la cellule de conversion est à quatre interrupteurs de puissance en série définissant entre eux le point milieu. Dans cette topologie, les interrupteurs de puissance peuvent être de type IGBT, dimensionnés chacun à 1.7kV.
Dans la troisième topologie TP3, la cellule de commutation d'entrée de la cellule de conversion est de type NPC. Le pont diviseur capacitif comporte ainsi quatre dispositifs de stockage d'énergie (deux pour chaque cellule de commutation). Chaque cellule de commutation comporte deux séries de deux interrupteurs de puissance, entre lesquelles est définie le point milieu. Deux diodes sont connectées en série entre les points milieux de chaque série de deux interrupteurs. Le point milieu entre les deux diodes est connecté au point milieu de deux dispositifs de stockage d'énergie. Les interrupteurs de puissance peuvent être de type IGBT, dimensionnés chacun à 1.7kV. Les diodes sont également dimensionnées chacune à 1.7kV.
Dans la quatrième topologie TP4, chaque cellule de commutation d'entrée de la cellule de conversion comporte deux interrupteurs de puissance uniquement, définissant entre eux le point milieu. Les interrupteurs de puissance peuvent être de type MOSFET réalisés dans un matériau semiconducteur à large bande interdite telle que le Carbure de silicium et dimensionnés chacun à 3.3kV.
Les dispositifs de stockage d'énergie employés dans le convertisseur, notamment dans le premier étage de conversion ET1, peuvent être réalisés par tout dispositif capable de stocker de l'énergie électrique et de la restituer sous la forme d'une tension. Ces dispositifs peuvent prendre la forme d'au moins un condensateur, d'au moins une batterie et/ou d'au moins une pile à combustible.
De manière non limitative, une structure de commutation Sk présentant la première topologie TP1 définie ci-dessus et reprise sur la figure 6A, peut être commandée comme illustrée par la figure 6B. Cette figure 6B montre la variation des rapports cycliques RC (rapport α1, a2) appliqués aux deux cellules de commutation d'entrée d'une même structure. La structure Sk permet de fournir un potentiel de sortie V_cellk compris entre le potentiel V+ et le potentiel V- selon le rapport cyclique appliqué à chaque cellule de commutation de la structure. Bien entendu, d'autres commandes sont également possibles, cette dernière étant intéressante car elle permet d'avoir a1=50% dans une très large plage de fonctionnement, minimisant ainsi le courant dans le circuit LC. Il serait aussi possible, par exemple, de maintenir a1=a2=RC sur toute la plage de fonctionnement ou toute autre loi de variation telle que a1+ a2=2*RC.
De manière non limitative, la figure 7 montre un exemple de convertisseur conforme à l'invention, qui présente un premier étage de conversion ET1 à deux structures de commutation S1, S2 en entrée reliées directement entre elles par leur deuxième point de connexion respectif via le point M1 qui est par exemple relié à la terre, et un deuxième étage de conversion ET2 générique.
La topologie particulière de chaque structure de commutation Sk permet d'augmenter le nombre de niveaux de tension disponibles en sortie et de proposer une solution qui intègre un convertisseur et une solution d'équilibrage de la tension du bus (par le circuit résonant présent dans la structure), sans nécessiter l'emploi d'interrupteurs supplémentaires.
Selon un aspect particulier de l'invention, dans la configuration de la figure 4A où plusieurs cellules capacitives intermédiaires cell_cap sont intégrées dans le premier étage de conversion, il peut également être utile d'intégrer un dispositif d'équilibrage D_eq du bus d'alimentation à courant continu pour équilibrer la tension Vdif entre les deux lignes d'alimentation L1, L2 du bus d'alimentation à courant continu. C'est par exemple le cas lorsque six sources de tension DC sont matérialisées par six dispositifs de stockage d'énergie.
En référence à la figure 8, ce dispositif d'équilibrage D_eq de la tension du bus d'alimentation à courant continu peut comporter :
Deux bornes extrêmes 01, 02,
Un pont diviseur capacitif comportant au moins deux dispositifs de stockage d'énergie connectés entre ses deux bornes extrêmes et définissant entre eux un point milieu P5 (=M1) pouvant être connecté à la terre,
Une première cellule de commutation (interrupteurs T13, T14) connecté entre sa première borne extrême 01 et ledit point milieu P5,
Une deuxième cellule de commutation (interrupteurs T15, T16) connecté entre sa deuxième borne extrême 02 et ledit point milieu P5, chaque cellule de commutation comprenant au moins deux interrupteurs de puissance connectés en série et définissant entre eux un point milieu P6, P7,
Un premier circuit LC connecté entre le point milieu P6 de la première cellule de commutation et le point milieu P8 de la première ou de la deuxième cellule de commutation de la première cellule de conversion cell1,
Un deuxième circuit LC connecté entre le point milieu P7 de la deuxième cellule de commutation et le point milieu P9 de la première ou de la deuxième cellule de commutation de la deuxième cellule de conversion cell2.
Par ailleurs, on peut noter qu'un convertisseur qui utilise des interrupteurs de puissance de type IGBT dimensionnés chacun à 3.3kV au niveau du premier étage de conversion ET1 et à 4.5kV au niveau du deuxième étage de conversion ET2, permet de supporter une tension d'entrée VDC de 10 kV.
Pour permettre un fonctionnement de type ZVS (Zero Voltage Switching) au niveau du deuxième étage de conversion ET2 et pour améliorer les performances du convertisseur (efficacité et capacité de refroidissement), il est possible de modifier l'architecture présentée en figure 7. Pour cela, on ajoute quatre interrupteurs de puissance dans le premier étage de conversion ET1. La figure 9A permet d'illustrer cette modification. Ce convertisseur, conforme à l'invention, présente un premier étage de conversion ET1 à deux structures de commutation S1, S2 en entrée reliées directement entre elles et à la terre par leur deuxième point de connexion respectif. Chaque structure de commutation S1, S2 comporte pour sa part trois dispositifs de stockage d'énergie en entrée (La tension VDC est donc découpée en six sur l'ensemble de l'étage de conversion) et une cellule de conversion à trois cellules de commutation d'entrée (trois couples d'interrupteurs T1, T2 ; T3, T4 ; T5, T6), associée chacune à un dispositif de stockage d'énergie distinct. Chaque cellule de commutation d'entrée comporte deux interrupteurs de puissance en série définissant entre eux un point milieu P10, P11, P12. La cellule de conversion comporte également une cellule de commutation de sortie à quatre interrupteurs de puissance (T7, T8, T9, T10) connectés en série. La cellule de commutation de sortie est connectée entre le point milieu P10 de la première cellule de commutation d'entrée et le point milieu P12 de la troisième cellule de commutation d'entrée. La cellule de conversion comporte en outre deux circuits résonants de type LC composés chacun d'une inductance et d'un condensateur en série. Le premier circuit LC est connecté entre le point milieu P10 de la première cellule de commutation d'entrée et le point milieu P11 de la deuxième cellule de commutation d'entrée et le deuxième circuit LC est connecté entre le point milieu P12 de la troisième cellule de commutation d'entrée et le point milieu P11 de la deuxième cellule de commutation d'entrée.
Dans ce convertisseur, le deuxième étage de conversion ET2 est représenté avec un convertisseur DC/AC à trois cellules de commutation à huit interrupteurs de puissance chacune.
La figure 9B montre la variation du potentiel de sortie de la première cellule de conversion à courant continu en fonction du rapport cyclique RC (rapports cri, a2) appliqué au niveau des cellules de commutation de cette première cellule de conversion. Le potentiel de sortie peut varier entre 0 et V+ et prendre les différents niveaux intermédiaires.
En référence à la figure 10, on peut voir que le premier étage de conversion peut également comporter une structure de commutation intermédiaire SJnt. En ajoutant une structure de commutation intermédiaire, il est ainsi possible d'augmenter le nombre de niveaux de tension disponibles au point M2 ce qui permet donc d’augmenter aussi le nombre de niveaux sur la charge ou sur la source. Cette solution permet ainsi de mieux régler la tension de sortie et de réduire le dimensionnement des filtres d'entrée du convertisseur.
Sur la figure 10, la structure de commutation intermédiaire SJnt comporte un pont diviseur capacitif à deux dispositifs de stockage d'énergie définissant entre eux un point milieu relié à la terre. Le pont diviseur capacitif est connecté entre le deuxième point de connexion C1_2 de la première structure de commutation S1 et le deuxième point de connexion C2_2 de la deuxième structure de commutation S2. La structure de commutation intermédiaire SJnt comporte une cellule de conversion intermédiaire celljnt de type DC/DC connectée en parallèle du pont diviseur capacitif. Cette cellule de conversion intermédiaire peut être réalisée selon des topologies différentes.
En référence à la figure 11, de manière plus précise, la structure de commutation intermédiaire SJnt est de type NPC et comporte une cellule de conversion celljnt à deux groupes de deux interrupteurs de puissance (T17 à T20) définissant entre eux un point milieu P13 connecté au deuxième étage de conversion ET2 du convertisseur. La structure de commutation intermédiaire SJnt comporte également au moins une diode connectée en parallèle de chaque groupe de deux interrupteurs de puissance. Les deux diodes définissent un point milieu P14 connecté à la terre. Sur la figure 11, de manière non limitative, le deuxième étage de conversion ET2 est représenté avec trois cellules de commutation de type NPC en parallèle, le point milieu P13 de la structure de commutation intermédiaire est relié à chaque cellule de commutation du deuxième étage de conversion, plus précisément au point milieu formé entre les deux diodes de chaque cellule de commutation de type NPC.
Dans cette solution, comme représenté sur la figure 11, le dispositif d'équilibrage de bus D_eq déjà décrit ci-dessus peut également être intégré.
La figure 12 représente une solution de convertisseur conforme à l'invention, intégrant huit sources de tension en entrée. Ce convertisseur reprend les caractéristiques des solutions décrites ci-dessus, notamment deux structures de commutation S1, S2 telles que celles de la figure 9A et un dispositif d'équilibrage du bus, comme décrit en liaison avec la figure 8. Les principes de connexion évoqués ci-dessus restent identiques.
La figure 13 permet d'illustrer l'utilisation d'un convertisseur conforme à l'invention, dans une fonction de redresseur actif. Son architecture et son principe de fonctionnement sont identiques à ce qui a été décrit ci-dessus dans le fonctionnement onduleur.
La figure 14 représente pour sa part une architecture fonctionnant dans les quatre quadrants, entre un réseau électrique R et une charge électrique Ch. En se référant à cette figure 14, on a ainsi représenté un variateur de vitesse qui comporte en cascade un convertisseur conforme à l'invention fonctionnant en redresseur AC/DC et un convertisseur également conforme à l'invention fonctionnant en onduleur DC/AC. Dans cette architecture, les deux convertisseurs sont donc connectés tête-bêche et les dispositifs de stockage d'énergie matérialisant les sources de tension DC sont mutualisés entre les deux convertisseurs. Le redresseur est destiné à être connecté en entrée à un réseau électrique R alternatif assimilable à une source de courant. L'onduleur est destiné à être connecté en sortie à un système utilisateur assimilable à une source de courant, telle qu'un moteur électrique à courant alternatif (charge Ch).
Le redresseur emploie un dispositif d'équilibrage D_eq de la tension de son bus à courant continu, conforme à celui décrit ci-dessus en liaison avec la figure 8. L'onduleur ne nécessite pas forcément un tel dispositif. Au niveau des deux étages de conversion de type AC/DC et DC/AC, on peut utiliser des cellules de commutation de type NPC identiques à huit interrupteurs de puissance chacune. Les interrupteurs de puissance peuvent être des IGBT dimensionnés chacun à 4.5 kV. Au niveau des cellules de conversion DC/DC, on peut utiliser des interrupteurs de puissance de type IGBT en série dimensionnés chacun à 3.3kV ou dimensionnés à 1.7kV.
En référence à la figure 15, la solution proposée permet également un partage du bus à courant continu par la charge Ch et par le réseau d'alimentation électrique R. Dans l'architecture proposée sur la figure 15, le convertisseur conforme à l'invention comporte le premier étage de conversion ET1 tel que déjà décrit ci-dessus, incluant au moins deux structures de commutation S1, S2, un bus à courant continu connecté au premier étage de conversion ET1, un deuxième étage de conversion ET20 de type DC/AC connecté au bus et à une charge électrique Ch et un troisième étage de conversion ET30 également de type DC/AC et également connecté au bus et au réseau électrique R, en parallèle du deuxième étage de conversion E20. Dans cette architecture, le deuxième étage ET20 et le troisième étage ET30 peuvent présenter une topologie identique ou différente. La topologie choisie pourra être l'une de celle déjà décrite ci-dessus pour le deuxième étage de conversion ET2 décrit ci-dessus.
Selon un aspect particulier de l'invention, en référence à la figure 16, un principe de commande d'un convertisseur conforme à l'invention peut consister à générer plusieurs tensions DC par le premier étage de conversion, celles-ci étant partagées par les trois phases du deuxième étage de conversion ET2. Le nombre de cellules de conversion présentes dans le premier étage de conversion ET 1 permet de déterminer le nombre de niveaux de tension. Le deuxième étage de conversion ET2 permet de connecter chaque phase de sortie aux différents potentiels générés par le premier étage de conversion ET1. En référence à la figure 16, les calottes hautes et basses des tensions de référence Vref sont générées directement par le premier étage de conversion ET1 et les deux cellules de conversion cell1, cell2 de cet étage, si bien que deux cellules de commutation du deuxième étage sont saturées. La cellule de commutation restante du deuxième étage de conversion est commandée pour générer les parties centrales des tensions de référence (partie grisée sur la figure 16). Dans cet exemple, les trois tensions de référence sont sinusoïdales mais il faut comprendre qu'elles peuvent aussi avoir une composante homopolaire, par exemple une composante harmonique de rang 3, si la charge est du type trois fils (sans neutre), ce qui est typiquement le cas pour une alimentation d'un moteur.
Un convertisseur conforme à l'invention, réalisé selon l'une des topologies présentées ci-dessus, permet d'obtenir les avantages suivants :
Le premier étage de conversion ET1 comporte deux cellules découpant chacune la moitié de la tension, ce qui est appréciable pour traiter des tensions élevées.
Le premier étage de conversion ET1 est commun à toutes les phases du dispositif de conversion et cette mutualisation permet donc de réduire le nombre total de semiconducteurs.
- Avec une commande adaptée, le premier étage de conversion permet de réduire la tension aux instants de commutation de l’onduleur, donc de réduire les pertes par commutation et éventuellement d'augmenter la fréquence de commutation, sans trop impacter l'efficacité du convertisseur, puisque les interrupteurs peuvent commuter sous une faible tension ou même selon un mode ZVS.
L'augmentation de la fréquence de commutation au niveau des interrupteurs de puissance permet d'employer une solution de filtrage en entrée de dimensionnement réduit.
Commuter à une faible tension permet l'emploi d'interrupteurs de puissance ayant un dimensionnement en tension moins élevé, limitant ainsi leur coût et leur encombrement.
La solution proposée à plusieurs sources de tension en entrée (au moins quatre) permet d'optimiser les contraintes sur les cellules de conversion DC/DC du premier étage de conversion.
Une efficacité et une densité de puissance élevées.
Claims (14)
1. Convertisseur de puissance multi-niveaux destiné à être connecté entre une source de tension (VDC) et une source de courant (I) à plusieurs phases, caractérisé en ce qu'il comporte :
Un premier étage de conversion (ET1) comprenant un premier ensemble de connexion à au moins deux bornes de connexion (B1, B2) destiné à être connecté à la source de tension (VDC) et un deuxième ensemble de connexion à au moins deux bornes de connexion (B10, B20),
Un bus d'alimentation à courant continu comprenant au moins deux lignes d'alimentation (L1, L2), une première ligne d'alimentation (L1) connectée à une première borne de connexion (B10) du deuxième ensemble de connexion du premier étage de conversion et une deuxième ligne d'alimentation (L2) connectée à une deuxième borne de connexion (B20) du deuxième ensemble de connexion du premier étage de conversion (ET1),
Un deuxième étage de conversion (ET2) comportant plusieurs cellules de commutation, connectées chacune entre les deux lignes d'alimentation du bus, chaque cellule de commutation comprenant un point milieu destiné à être relié à une phase distincte de la source de courant,
Le premier étage de conversion (ET1) comprenant au moins deux structures de commutation (S1, S2),
Chaque structure de commutation (S1, S2) comportant un premier point de connexion (C1_1, C2_1), un deuxième point de connexion (C1_2, C2_2) et un troisième point de connexion (C1_3, C2_3),
La première structure de commutation étant reliée par son premier point de connexion (C1_1) à la première borne de connexion (B1) du premier ensemble de connexion du premier étage de conversion (ET1), par son deuxième point de connexion (C1_2) à un point de liaison (M1) et par son troisième point de connexion (C1_3) à la première borne de connexion (B10) du deuxième ensemble de connexion du premier étage de conversion (ET1),
La deuxième structure de commutation étant reliée par son premier point de connexion (C2_1) à la deuxième borne de connexion (B2) du premier ensemble de connexion du premier étage de conversion, par son deuxième point de connexion (C2_2) audit point de liaison (M1) et par son troisième point de connexion (C2_3) à la deuxième borne de connexion (B20) du deuxième ensemble de connexion du premier étage de conversion, Chaque structure de commutation comporte un pont diviseur capacitif à au moins deux dispositifs de stockage d'énergie connectés en série entre son premier point de connexion et son deuxième point de connexion et définissant entre eux un premier point milieu, une cellule de conversion (celll, cell2) comportant une première cellule de commutation connectée entre ledit premier point de connexion et ledit point milieu et une deuxième cellule de commutation connectée entre ledit deuxième point de connexion et ledit point milieu,
Chaque cellule de commutation comportant au moins deux interrupteurs de puissance connectés en série et définissant entre eux un point milieu, Chaque structure de commutation comportant une troisième cellule de commutation connectée au point milieu de sa première cellule de commutation et au point milieu de sa deuxième cellule de commutation, ladite troisième cellule de commutation comportant au moins deux interrupteurs de puissance en série définissant entre eux un point milieu connecté à son troisième point de connexion,
Chaque structure de commutation comportant également un circuit de type LC connecté au point milieu de sa première cellule de commutation et au point milieu de sa deuxième cellule de commutation et comprenant au moins une inductance et un condensateur connectés en série.
2. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux structures de commutation (S1, S2) sont reliées au point de liaison (M1) via au moins une cellule capacitive (cell_cap) comprenant au moins deux dispositifs de stockage d'énergie définissant entre eux un point milieu connecté à la terre.
3. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux structures de commutation sont reliées audit point de liaison (M1) via au moins un dispositif d'équilibrage (D_eq) du bus d'alimentation à courant continu.
4. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'équilibrage (D_eq) comporte :
Deux bornes extrêmes (01, 02),
Un pont diviseur capacitif comportant au moins deux dispositifs de stockage d'énergie connectés entre ses deux bornes extrêmes (01,02) et définissant entre eux un point milieu (P5),
- Au moins une première cellule de commutation connectée entre sa première borne extrême (01) et ledit point milieu (P5),
- Au moins une deuxième cellule de commutation connectée entre sa deuxième borne extrême (02) et ledit point milieu (P5), chaque cellule de commutation comprenant au moins deux interrupteurs de puissance connectés en série et définissant entre eux un point milieu,
- Au moins un premier circuit LC connecté entre le point milieu de la première cellule de commutation et le point milieu de la première ou de la deuxième cellule de commutation de la première structure de commutation (S1),
- Au moins un deuxième circuit LC connecté entre le point milieu de la deuxième cellule de commutation et le point milieu de la première ou de la deuxième cellule de commutation de la deuxième structure de commutation (S2).
5. Convertisseur de puissance selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une structure de commutation intermédiaire (SJnt) qui comporte :
Un pont diviseur capacitif à deux dispositifs de stockage d'énergie définissant entre eux un point milieu relié à la terre, le pont diviseur capacitif étant connecté entre le deuxième point de connexion (C1_2) de la première structure de commutation (S1) et le deuxième point de connexion (C2_2) de la deuxième structure de commutation (S2),
Une cellule de conversion intermédiaire (celljnt) de type DC/DC connectée en parallèle du pont diviseur capacitif.
6. Convertisseur de puissance selon la revendication 5, caractérisé en ce que les dispositifs de stockage d'énergie ont tous une capacité de stockage identique.
7. Convertisseur de puissance selon la revendication 6, caractérisé en ce que les dispositifs de stockage d'énergie sont tous identiques et sont choisis parmi un condensateur, une batterie, une pile à combustible.
8. Convertisseur de puissance selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque cellule de commutation de la première structure de commutation (S1) et de la deuxième structure de commutation (S2) est de type N PC.
9. Convertisseur de puissance selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque interrupteur de puissance du premier étage de conversion (Et1) est de type IGBT.
10. Convertisseur de puissance selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque interrupteur de puissance de chaque cellule de commutation de la première structure de commutation (S1) et de la deuxième structure de commutation (S2) est de type à effet de champ, réalisé en matériau semiconducteur à large bande interdite.
11. Convertisseur de puissance selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte une unité de commande configurée pour commander chaque interrupteur de puissance des cellules de commutation.
12. Convertisseur selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'unité de commande comporte un module de commande des deux cellules de conversion (cell1, cell2) du premier étage de conversion, configuré pour appliquer un mode de commande de type symétrique dans lequel les deux tensions de sortie (V_cell1, V_cell2) générées par chaque cellule de conversion sont symétriques par rapport à un axe horizontal, ou dans un mode de commande asymétrique dans lequel lesdites deux tensions de sortie sont déphasées.
13. Utilisation du convertisseur tel que défini dans l'une des revendications 1 à 12 dans un variateur de vitesse moyenne tension destiné à la commande d'un moteur électrique, ledit convertisseur étant agencé comme onduleur pour convertir une tension continue en une tension variable destinée au dit moteur électrique.
14. Utilisation du convertisseur tel que défini dans l'une des revendications 1 à 12 dans un variateur de vitesse moyenne tension destiné à la commande d'un moteur électrique, ledit convertisseur étant agencé comme redresseur actif pour convertir une tension fournie par un réseau électrique en une tension continue.
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|---|---|---|---|---|
| US11581821B2 (en) | 2019-06-06 | 2023-02-14 | Schneider Electric It Corporation | Multi-level inverter topologies for medium- and high-voltage applications |
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- 2018-08-03 FR FR1857287A patent/FR3084798B1/fr active Active
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