FR3103655A1 - Switching module and power converter comprising such a module - Google Patents

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Abstract

Module de commutation et convertisseur de puissance comportant un tel module La présente description concerne un module de commutation comportant N interrupteurs (Qc1, Qc2 ; Qc3) connectés en parallèle, avec N entier supérieur ou égal à 2, et un circuit de commande (500) configuré pour appliquer aux N interrupteurs respectivement N signaux de commande périodiques déphasés deux à deux de 2π/N. Figure pour l'abrégé : Fig. 5Switching module and power converter comprising such a module The present description relates to a switching module comprising N switches (Qc1, Qc2; Qc3) connected in parallel, with N integer greater than or equal to 2, and a control circuit (500) configured to apply to the N switches respectively N periodic control signals phase-shifted two by two by 2π / N. Figure for the abstract: Fig. 5

Description

Module de commutation et convertisseur de puissance comportant un tel moduleSwitching module and power converter comprising such a module

La présente description concerne de façon générale les circuits électroniques. Elle vise plus particulièrement un module de commutation, et un convertisseur de puissance comportant un tel module.This description relates generally to electronic circuits. It relates more particularly to a switching module, and a power converter comprising such a module.

Diverses topologies de convertisseurs de puissance ont déjà été proposées, basées sur l’utilisation d’interrupteurs commandés en commutation à des fréquences relativement élevées, typiquement de plusieurs dizaines de kHz à plusieurs centaines de kHz. Ces convertisseurs sont généralement appelés convertisseurs à découpage.Various power converter topologies have already been proposed, based on the use of switching-controlled switches at relatively high frequencies, typically from several tens of kHz to several hundreds of kHz. These converters are generally called switching converters.

Par exemple, les convertisseurs de type CFFB (de l’anglais «Current Fed Full Bridge» - convertisseur à pont complet à entrée en courant) sont des convertisseurs continu-continu (DC/DC) particulièrement bien adaptés aux applications nécessitant un rapport de conversion de tension élevé et sensibles aux ondulations du courant d’entrée, par exemple des applications de conversion de la puissance de sortie de panneaux photovoltaïques ou de piles à combustible vers une tension plus élevée destinée à être appliquée en entrée d’un onduleur.For example, CFFB type converters (Current Fed Full Bridge) are direct-to-direct (DC/DC) converters particularly well suited to applications requiring a conversion ratio high voltage and sensitive to input current ripples, for example applications for converting the output power of photovoltaic panels or fuel cells to a higher voltage intended to be applied at the input of an inverter.

Un convertisseur DC/DC CFFB comporte typiquement un étage primaire comportant un pont en H commandé en série avec une inductance d'entrée, modulant la puissance d’entrée à une fréquence relativement élevée, suivi d’un transformateur adapté à transmettre la puissance modulée par l’étage primaire, suivi d’un étage secondaire redressant la puissance transmise par le transformateur et fournissant la puissance de sortie du convertisseur.A CFFB DC/DC converter typically comprises a primary stage comprising an H-bridge controlled in series with an input inductor, modulating the input power at a relatively high frequency, followed by a transformer adapted to transmit the modulated power by the primary stage, followed by a secondary stage rectifying the power transmitted by the transformer and supplying the output power of the converter.

Des exemples de convertisseurs DC/DC CFFB sont décrits dans l’article intitulé «Study and Implementation of a Current-Fed Full-Bridge Boost DC–DC Converter With Zero-Current Switching for High-Voltage Applications» de Ren-Yi Chen et al. (IEEE Transactions on Industry Applications (Volume: 44 , Issue: 4 , July-aug. 2008)) et dans l’article intitulé «Current-fed full-bridge DC-DC converter with nonlinear control scheme» de M. Phattanasak et al. (2014 14th International Conference on Environment and Electrical Engineering).Examples of CFFB DC/DC converters are described in the article “Study and Implementation of a Current-Fed Full-Bridge Boost DC–DC Converter With Zero-Current Switching for High-Voltage Applications” by Ren-Yi Chen et al. . (IEEE Transactions on Industry Applications (Volume: 44 , Issue: 4 , July-aug. 2008)) and in the article entitled “Current-fed full-bridge DC-DC converter with nonlinear control scheme” by M. Phattanasak et al . (2014 14th International Conference on Environment and Electrical Engineering).

L’article intitulé «Analysis and Design of Zero-Voltage-Switching Current-Fed Isolated Full-Bridge Dc/Dc Converter» de U R Prananna et al. (2011 IEEE Ninth International Conference on Power Electronics and Drive Systems) propose une topologie de convertisseur CFFB dans laquelle une branche comportant un condensateur en série avec un interrupteur de commutation active ou interrupteur de blocage ("active clamp") est placée en parallèle du pont en H de l’étage primaire. L’interrupteur de commutation est commandé de façon synchrone avec les interrupteurs du pont en H, de façon à ce que les commutations des interrupteurs du pont en H de l’état ouvert (non passant) à l’état fermé (passant) soient réalisées lors de passages à zéro de la tension à leurs bornes. Ceci permet de limiter les pertes de commutation du convertisseur. Toutefois, une limitation de cette topologie est que l'interrupteur de blocage doit commuter une fréquence deux fois plus élevée que celle des interrupteurs du pont en H de l'étage primaire.The article “Analysis and Design of Zero-Voltage-Switching Current-Fed Isolated Full-Bridge Dc/Dc Converter” by U R Prananna et al. (2011 IEEE Ninth International Conference on Power Electronics and Drive Systems) proposes a CFFB converter topology in which a branch comprising a capacitor in series with an active switching switch or blocking switch ("active clamp") is placed in parallel with the bridge in H of the primary stage. The switching switch is controlled synchronously with the H-bridge switches, so that the switching of the H-bridge switches from the open (off) state to the closed (on) state is carried out during zero crossings of the voltage at their terminals. This makes it possible to limit the switching losses of the converter. However, a limitation of this topology is that the blocking switch must switch at twice the frequency of the primary stage H-bridge switches.

Il serait souhaitable d’améliorer au moins en partie certains aspects des convertisseurs à découpage connus, et en particulier des convertisseurs CFFB munis d’un interrupteur de blocage en série avec un condensateur en parallèle du pont en H de l’étage primaire du convertisseur.It would be desirable to improve at least in part certain aspects of known switching converters, and in particular CFFB converters provided with a blocking switch in series with a capacitor in parallel with the H-bridge of the primary stage of the converter.

Plus généralement, il serait souhaitable de pouvoir disposer d’un module de commutation palliant tout ou partie des inconvénients des modules de commutation connus.More generally, it would be desirable to be able to have a switching module that overcomes all or part of the drawbacks of known switching modules.

Pour cela, un mode de réalisation prévoit un module de commutation comportant N interrupteurs connectés en parallèle, avec N entier supérieur ou égal à 2, et un circuit de commande configuré pour appliquer aux N interrupteurs respectivement N signaux de commande périodiques déphasés deux à deux de 2π/N.For this, one embodiment provides a switching module comprising N switches connected in parallel, with N integer greater than or equal to 2, and a control circuit configured to apply to the N switches respectively N periodic control signals phase-shifted two by two by 2π/N.

Selon un mode de réalisation, les N signaux de commande ont une même fréquence et un même rapport cyclique.According to one embodiment, the N control signals have the same frequency and the same duty cycle.

Selon un mode de réalisation, les N signaux de commande ont un rapport cyclique inférieur à 1/N.According to one embodiment, the N control signals have a duty cycle less than 1/N.

Selon un mode de réalisation, les N interrupteurs sont des transistors au nitrure de gallium.According to one embodiment, the N switches are gallium nitride transistors.

Un autre mode de réalisation prévoit un convertisseur à découpage comportant une branche de commutation active comportant un module de commutation tel que défini ci-dessus.Another embodiment provides a switching converter comprising an active switching branch comprising a switching module as defined above.

Selon un mode de réalisation, le nombre N d’interrupteurs du module de commutation est égal à deux.According to one embodiment, the number N of switches of the switching module is equal to two.

Selon un mode de réalisation, le convertisseur comporte en outre, en parallèle de la branche de commutation active, un pont en H commandé, le circuit de commande étant configuré pour, à chaque période d’un cycle de fonctionnement du convertisseur, successivement :
a) commander des première et deuxième diagonales du pont en H simultanément à l’état fermé ;
b) commander la première diagonale à l’état fermé et la deuxième diagonale à l’état ouvert ;
c) commander les première et deuxième diagonales simultanément à l’état fermé ; et
d) commander la première diagonale à l’état ouvert et la deuxième diagonale à l’état fermé,
le circuit de commande étant en outre configuré pour :
pendant l’étape a), maintenir un premier et un second des deux interrupteurs du module de commutation simultanément ouvFerts ;
pendant l’étape b), maintenir les premier et second interrupteurs respectivement fermé et ouvert ;
pendant l’étape c), maintenir les premier et second interrupteurs simultanément ouverts ; et
pendant l’étape d), maintenir les premier et second interrupteurs respectivement ouvert et fermé.
According to one embodiment, the converter further comprises, in parallel with the active switching branch, a controlled H-bridge, the control circuit being configured for, at each period of an operating cycle of the converter, successively:
a) controlling first and second diagonals of the H-bridge simultaneously in the closed state;
b) controlling the first diagonal in the closed state and the second diagonal in the open state;
c) controlling the first and second diagonals simultaneously in the closed state; And
d) controlling the first diagonal in the open state and the second diagonal in the closed state,
the control circuit being further configured for:
during step a), maintaining a first and a second of the two switches of the switching module simultaneously open;
during step b), keeping the first and second switches respectively closed and open;
during step c), keeping the first and second switches simultaneously open; And
during step d), keeping the first and second switches respectively open and closed.

Selon un mode de réalisation, le convertisseur comporte en outre une inductance d’entrée en série avec le pont en H.According to one embodiment, the converter further comprises an input inductance in series with the H bridge.

Selon un mode de réalisation, l’ensemble comportant la branche de commutation active et le pont en H forme un étage primaire du convertisseur, le convertisseur comprenant en outre un transformateur agencé pour transmettre une puissance modulée fournie par l’étage primaire et un étage secondaire agencé pour démoduler la puissance transmise par le transformateur.According to one embodiment, the assembly comprising the active switching branch and the H-bridge forms a primary stage of the converter, the converter further comprising a transformer arranged to transmit a modulated power supplied by the primary stage and a secondary stage arranged to demodulate the power transmitted by the transformer.

Selon un mode de réalisation, la branche de commutation active comprend en outre un condensateur en série avec les N interrupteurs du module de commutation.According to one embodiment, the active switching branch further comprises a capacitor in series with the N switches of the switching module.

Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles:These characteristics and advantages, as well as others, will be set out in detail in the following description of particular embodiments made on a non-limiting basis in relation to the attached figures, among which:

la figure 1 est un schéma électrique simplifié d’un exemple d’un convertisseur CFFB muni d’un interrupteur de commutation active; Figure 1 is a simplified electrical diagram of an example of a CFFB converter provided with an active switching switch;

la figure 2 représente de façon schématique un exemple de signaux de commande du convertisseur de la figure 1 ; FIG. 2 schematically represents an example of control signals from the converter of FIG. 1;

la figure 3 est un schéma électrique simplifié d’un exemple d’un convertisseur CFFB selon un mode de réalisation ; FIG. 3 is a simplified electrical diagram of an example of a CFFB converter according to one embodiment;

la figure 4 représente de façon schématique un exemple de signaux de commande du convertisseur de la figure 3 ; FIG. 4 schematically represents an example of control signals from the converter of FIG. 3;

la figure 5 est un schéma électrique d’un exemple d’un module de commutation selon un mode de réalisation; et Figure 5 is an electrical diagram of an example of a switching module according to one embodiment; And

la figure 6 représente de façon schématique un exemple de signaux de commande du module de commutation de la figure 5. FIG. 6 schematically represents an example of control signals from the switching module of FIG. 5.

De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.The same elements have been designated by the same references in the various figures. In particular, the structural and/or functional elements common to the various embodiments may have the same references and may have identical structural, dimensional and material properties.

Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les circuits de commande des interrupteurs des convertisseurs ou modules de commutation décrits ne sont pas détaillés, la réalisation de ces circuits de commande étant à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles de la présente description.For the sake of clarity, only the steps and elements useful for understanding the embodiments described have been represented and are detailed. In particular, the control circuits of the switches of the converters or switching modules described are not detailed, the realization of these control circuits being within the reach of those skilled in the art based on the functional indications of the present description.

Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés ou couplés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés ou couplés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.Unless otherwise specified, when reference is made to two elements connected together, it means directly connected without intermediate elements other than conductors, and when reference is made to two elements connected or coupled together, it means that these two elements can be connected or be linked or coupled through one or more other elements.

Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10% près, de préférence à 5% près.Unless specified otherwise, the expressions “about”, “approximately”, “substantially”, and “of the order of” mean to within 10%, preferably within 5%.

La figure 1 est un schéma électrique simplifié d’un exemple d’un convertisseur de type CFFB muni d’un interrupteur de commutation active.Figure 1 is a simplified electrical diagram of an example of a CFFB type converter provided with an active switching switch.

Le convertisseur de la figure 1 comprend un étage primaire 110, suivi d’un transformateur T, suivi d’un étage secondaire 130.The converter of figure 1 comprises a primary stage 110, followed by a transformer T, followed by a secondary stage 130.

Dans cet exemple, l’étage primaire 110 comprend un pont en H commandé H1, ou pont primaire. Le pont H1 comprend quatre interrupteurs commandés Q1, Q2, Q3 et Q4, par exemple identiques aux dispersions de fabrication près, comportant chacun deux noeuds de conduction principaux, et un noeud de commande. Les interrupteurs Q1 et Q2 sont reliés en série, par leurs noeuds de conduction, entre des noeuds d'entrée A et B du pont. Les interrupteurs Q3 et Q4 sont reliés en série, par leurs noeuds de conduction, entre les noeuds A et B, en parallèle de la branche comprenant les interrupteurs Q1 et Q2. Le point milieu C entre les interrupteurs Q1 et Q2 définit un premier noeud de sortie du pont, et le point milieu D entre les interrupteurs Q3 et Q4 définit un deuxième noeud de sortie du pont. Plus particulièrement, dans l'exemple représenté, l'interrupteur Q1 a un premier noeud de conduction connecté au noeud A et un deuxième noeud de conduction connecté au noeud C, l'interrupteur Q2 a un premier noeud de conduction connecté au noeud C et un deuxième noeud de conduction connecté au noeud B, l'interrupteur Q3 a un premier noeud de conduction connecté au noeud A et un deuxième noeud de conduction connecté au noeud D, et l'interrupteur Q4 a un premier noeud de conduction connecté au noeud D et un deuxième noeud de conduction connecté au noeud B.In this example, the primary stage 110 comprises a controlled H-bridge H1, or primary bridge. The bridge H1 comprises four controlled switches Q1, Q2, Q3 and Q4, for example identical except for manufacturing dispersions, each comprising two main conduction nodes, and a control node. The switches Q1 and Q2 are connected in series, by their conduction nodes, between input nodes A and B of the bridge. Switches Q3 and Q4 are connected in series, via their conduction nodes, between nodes A and B, in parallel with the branch comprising switches Q1 and Q2. Midpoint C between switches Q1 and Q2 defines a first output node of the bridge, and midpoint D between switches Q3 and Q4 defines a second output node of the bridge. More particularly, in the example shown, switch Q1 has a first conduction node connected to node A and a second conduction node connected to node C, switch Q2 has a first conduction node connected to node C and a second conduction node connected to node B, switch Q3 has a first conduction node connected to node A and a second conduction node connected to node D, and switch Q4 has a first conduction node connected to node D and a second conduction node connected to node B.

Dans l’exemple de la figure 1, le pont H1 comprend en outre quatre diodes D1, D2, D3 et D4 connectées respectivement en parallèle des interrupteurs Q1, Q2, Q3 et Q4. Plus particulièrement, dans cet exemple, la diode D1 a son anode reliée, par exemple connectée, au noeud C et sa cathode reliée, par exemple connectée, au noeud A, la diode D2 a son anode reliée, par exemple connectée, au noeud B et sa cathode reliée, par exemple connectée, au noeud C, la diode D3 a son anode reliée, par exemple connectée, au noeud D et sa cathode reliée, par exemple connectée, au noeud A, et la diode D4 a son anode reliée, par exemple connectée, au noeud B et sa cathode reliée, par exemple connectée, au noeud D.In the example of figure 1, the bridge H1 also comprises four diodes D1, D2, D3 and D4 connected respectively in parallel with the switches Q1, Q2, Q3 and Q4. More specifically, in this example, diode D1 has its anode connected, for example connected, to node C and its cathode connected, for example connected, to node A, diode D2 has its anode connected, for example connected, to node B and its cathode connected, for example connected, to node C, diode D3 has its anode connected, for example connected, to node D and its cathode connected, for example connected, to node A, and diode D4 has its anode connected, for example connected, to node B and its cathode connected, for example connected, to node D.

Les interrupteurs Q1, Q2, Q3 et Q4 sont par exemple des transistors à effet de champ, par exemple des transistors au nitrure de gallium, des transistors au carbure de silicium, ou des transistors silicium, les noeuds de conduction des interrupteurs correspondant par exemple respectivement à des noeuds de source et de drain des transistors, et les noeuds de commande des interrupteurs correspondant à des noeuds de grille des transistors. Les diodes D1, D2, D3 et D4 correspondent par exemple à des diodes de corps intrinsèques aux transistors Q1, respectivement Q2, respectivement Q3, respectivement Q4. A titre de variante, les diodes D1, D2, D3 et D4 peuvent être des composants spécifiques distincts des transistors Q1, Q2, Q3 et Q4. Plus généralement, d'autres types d'interrupteurs commandables peuvent être utilisés pour réaliser les interrupteurs Q1, Q2, Q3 et Q4.The switches Q1, Q2, Q3 and Q4 are for example field effect transistors, for example gallium nitride transistors, silicon carbide transistors, or silicon transistors, the conduction nodes of the switches corresponding for example respectively to source and drain nodes of the transistors, and the control nodes of the switches corresponding to gate nodes of the transistors. The diodes D1, D2, D3 and D4 correspond for example to body diodes intrinsic to the transistors Q1, respectively Q2, respectively Q3, respectively Q4. As a variant, the diodes D1, D2, D3 and D4 can be specific components separate from the transistors Q1, Q2, Q3 and Q4. More generally, other types of controllable switches can be used to produce switches Q1, Q2, Q3 and Q4.

L’étage primaire 110 comprend en outre une inductance d’entrée L1 reliée en série avec le pont H1, entre des bornes E1 et E2 d’application d’une tension continue d’entrée VIN du convertisseur. Plus particulièrement, dans cet exemple, l’inductance L1 a une première extrémité reliée, par exemple connectée, au noeud A, et une deuxième extrémité reliée, par exemple connectée, à la borne E1. De plus, dans cet exemple, le noeud B est relié, par exemple connecté, à la borne E2.The primary stage 110 further comprises an input inductance L1 connected in series with the bridge H1, between terminals E1 and E2 for applying a DC input voltage VIN of the converter. More specifically, in this example, inductance L1 has a first end connected, for example connected, to node A, and a second end connected, for example connected, to terminal E1. Moreover, in this example, the node B is connected, for example connected, to the terminal E2.

L’étage primaire 110 comprend en outre un condensateur d’entrée C1 ayant une première électrode reliée, par exemple connectée, à la borne E1, et une deuxième électrode reliée, par exemple connectée, à la borne E2.The primary stage 110 further comprises an input capacitor C1 having a first electrode connected, for example connected, to the terminal E1, and a second electrode connected, for example connected, to the terminal E2.

L’étage primaire 110 comprend de plus, en parallèle du pont H1, une branche de commutation active 112 comportant un interrupteur de commutation active Qc en série avec un condensateur Cc. Plus particulièrement, dans cet exemple, l’interrupteur Qc a un premier noeud de conduction relié, par exemple connecté, au noeud A, et un deuxième noeud de conduction reliée, par exemple connecté, à un noeud intermédiaire E de la branche 112, et le condensateur Cc a une première électrode reliée, par exemple connectée, au noeud E et une deuxième électrode reliée, par exemple connectée, au noeud B. Dans l’exemple de la figure 1, la branche de commutation active 112 comprend en outre une diode Dc connectée en parallèle de l’interrupteur Qc. Plus particulièrement, dans cet exemple, la diode Dc a son anode reliée, par exemple connectée, au noeud A et sa cathode reliée, par exemple connectée, au noeud E. L’interrupteur Qc est par exemple un transistor du même type que les transistors Q1, Q2, Q3 et Q4. La diode Dc correspond par exemple à une diode de corps intrinsèque au transistor Qc.The primary stage 110 further comprises, in parallel with the bridge H1, an active switching branch 112 comprising an active switching switch Qc in series with a capacitor Cc. More particularly, in this example, the switch Qc has a first conduction node connected, for example connected, to node A, and a second conduction node connected, for example connected, to an intermediate node E of branch 112, and the capacitor Cc has a first electrode connected, for example connected, to the node E and a second electrode connected, for example connected, to the node B. In the example of FIG. 1, the active switching branch 112 further comprises a diode Dc connected in parallel with switch Qc. More particularly, in this example, diode Dc has its anode connected, for example connected, to node A and its cathode connected, for example connected, to node E. Switch Qc is for example a transistor of the same type as transistors Q1, Q2, Q3 and Q4. The diode Dc corresponds for example to a body diode intrinsic to the transistor Qc.

Le transformateur T comprend un enroulement primaire w1 et un enroulement secondaire w2 couplés magnétiquement l’un à l’autre.The transformer T comprises a primary winding w1 and a secondary winding w2 magnetically coupled to each other.

Les extrémités de l'enroulement primaire w1 sont reliées respectivement aux noeuds C et D de sortie du pont H1. Plus particulièrement, dans l'exemple représenté, l’enroulement primaire w1 a une première extrémité connectée au noeud C et une deuxième extrémité connectée au noeud D.The ends of primary winding w1 are respectively connected to output nodes C and D of bridge H1. More specifically, in the example shown, the primary winding w1 has a first end connected to node C and a second end connected to node D.

Dans l’exemple de la figure 1, l’étage secondaire 130 comprend une première branche ou branche de redressement comportant deux diodes D5 et D6 reliées en série entre des noeuds F et G de sortie du convertisseur, formant des noeuds de fourniture d’une tension continue de sortie VOUT et destinés à être reliés, par exemple connectés, aux bornes d’une charge LD à alimenter. Plus particulièrement, dans l’exemple représenté, la diode D5 a sa cathode reliée, par exemple connectée, au noeud F et son anode reliée, par exemple connectée, à un noeud intermédiaire H de la branche de redressement. De plus, dans cet exemple, la diode D6 a son anode reliée, par exemple connectée, au noeud G et sa cathode reliée, par exemple connectée, au noeud H.In the example of FIG. 1, the secondary stage 130 comprises a first branch or rectifying branch comprising two diodes D5 and D6 connected in series between output nodes F and G of the converter, forming nodes for supplying a DC output voltage VOUT and intended to be connected, for example connected, to the terminals of a load LD to be supplied. More particularly, in the example shown, diode D5 has its cathode connected, for example connected, to node F and its anode connected, for example connected, to an intermediate node H of the rectifying branch. Moreover, in this example, diode D6 has its anode connected, for example connected, to node G and its cathode connected, for example connected, to node H.

L’étage secondaire 130 du convertisseur de la figure 1 comprend de plus, en parallèle de la branche de redressement, une deuxième branche ou branche capacitive comportant deux condensateur C2 et C3 reliés en série entre les noeuds F et G. Plus particulièrement, dans l’exemple représenté, le condensateur C2 a une première électrode reliée, par exemple connectée, au noeud F et une deuxième électrode reliée, par exemple connectée, à un noeud intermédiaire I de la branche capacitive. De plus, dans cet exemple, le condensateur C3 a une première électrode reliée, par exemple connectée, au noeud G, et une deuxième électrode reliée, par exemple connectée, au noeud I.The secondary stage 130 of the converter of FIG. 1 further comprises, in parallel with the rectifying branch, a second branch or capacitive branch comprising two capacitors C2 and C3 connected in series between the nodes F and G. More particularly, in the In the example shown, capacitor C2 has a first electrode connected, for example connected, to node F and a second electrode connected, for example connected, to an intermediate node I of the capacitive branch. Moreover, in this example, the capacitor C3 has a first electrode connected, for example connected, to the node G, and a second electrode connected, for example connected, to the node I.

Les extrémités de l'enroulement secondaire w2 du transformateur T sont reliées respectivement aux noeuds H et I de l’étage secondaire 130. Plus particulièrement, dans l'exemple représenté, l’enroulement secondaire w2 a une première extrémité connectée au noeud H et une deuxième extrémité connectée au noeud I.The ends of secondary winding w2 of transformer T are respectively connected to nodes H and I of secondary stage 130. More particularly, in the example shown, secondary winding w2 has a first end connected to node H and a second end connected to node I.

Dans l'exemple de la figure 1, le convertisseur comprend un circuit de contrôle 140 (CTRL) adapté à commander les interrupteurs Q1, Q2, Q3, Q4 et Qc de l’étage primaire 110.In the example of Figure 1, the converter comprises a control circuit 140 (CTRL) adapted to control the switches Q1, Q2, Q3, Q4 and Qc of the primary stage 110.

La figure 2 illustre de façon schématique un exemple d’un mode de fonctionnement du convertisseur de la figure 1. La figure 2 représente plus particulièrement l’évolution, en fonction du temps, d’un signal de commande S14 appliqué sur les noeuds de commande des interrupteurs Q1 et Q4, d’un signal de commande S23 appliqué sur les noeuds de commande des transistors Q2 et Q3, et d’un signal Sc appliqué sur le noeud de commande du transistor Qc. Les signaux S14, S23 et Sc sont par exemple des tensions appliquées respectivement:
entre la grille et la source du transistor Q1 et entre la grille et la source du transistor Q2;
entre la grille et la source du transistor Q2 et entre la grille et la source du transistor Q3; et
entre la grille et la source du transistor Qc.
FIG. 2 schematically illustrates an example of an operating mode of the converter of FIG. 1. FIG. 2 more particularly represents the evolution, as a function of time, of a control signal S14 applied to the control nodes switches Q1 and Q4, a control signal S23 applied to the control nodes of transistors Q2 and Q3, and a signal Sc applied to the control node of transistor Qc. The signals S14, S23 and Sc are by example of the voltages applied respectively:
between the gate and the source of the transistor Q1 and between the gate and the source of the transistor Q2;
between the gate and the source of the transistor Q2 and between the gate and the source of the transistor Q3; And
between the gate and the source of the transistor Qc.

Les signaux S14, S23 et Sc sont par exemple générés par le circuit de contrôle 140 et/ou par des circuits de commande rapprochée (non détaillés) connectés aux noeuds de commande des interrupteurs Q1, Q2, Q3, Q4 et Qc.The signals S14, S23 and Sc are for example generated by the control circuit 140 and/or by close control circuits (not detailed) connected to the control nodes of the switches Q1, Q2, Q3, Q4 and Qc.

Dans cet exemple, chacun des interrupteurs Q1, Q2, Q3, Q4 et Qc est commandé à l’état fermé (passant) lorsque le signal S14, S23 ou Sc appliqué sur son noeud de commande est à l’état haut, et est commandé à l’état ouvert (non passant) lorsque le signal S14, S23 ou Sc appliqué sur son noeud de commande est à l’état bas.In this example, each of the switches Q1, Q2, Q3, Q4 and Qc is controlled in the closed state (on) when the signal S14, S23 or Sc applied to its control node is in the high state, and is controlled in the open state (off) when the signal S14, S23 or Sc applied to its control node is in the low state.

Dans cet exemple, les interrupteurs Q1 et Q4 sont commandés alternativement à l’état fermé puis à l’état ouvert, selon un cycle de commutation périodique de fréquence f, appelée fréquence de découpage. De façon similaire, les interrupteurs Q2 et Q3 sont commandés alternativement à l’état fermé puis à l’état ouvert, selon un cycle de commutation périodique de même fréquence f, de même rapport cyclique que le cycle de commande des interrupteurs Q1 et Q4 et en opposition de phase avec le cycle de commande des interrupteurs Q1 et Q4.In this example, switches Q1 and Q4 are controlled alternately in the closed state then in the open state, according to a periodic switching cycle of frequency f, called switching frequency. Similarly, switches Q2 and Q3 are controlled alternately in the closed state then in the open state, according to a periodic switching cycle of the same frequency f, of the same duty cycle as the control cycle of switches Q1 and Q4 and in phase opposition with the control cycle of switches Q1 and Q4.

Dans cet exemple, le rapport cyclique de commutation des interrupteurs Q1 et Q4, c'est-à-dire le rapport, dans une même période T=1/f du cycle de commutation, entre la durée Ton de la phase de commande des interrupteurs Q1 et Q4 à l’état fermé et la durée totale de la période T, est supérieur à 1/2. De façon similaire, le rapport de commutation des interrupteurs Q2 et Q3 est supérieur à 1/2. A titre d’exemple, le rapport cyclique de commutation des interrupteurs Q1 et Q4 est sensiblement égal au rapport cyclique de commutation des interrupteurs Q2 et Q3.In this example, the cyclic switching ratio of switches Q1 and Q4, i.e. the ratio, in the same period T=1/f of the switching cycle, between the duration Ton of the control phase of the switches Q1 and Q4 in the closed state and the total duration of the period T, is greater than 1/2. Similarly, the switching ratio of switches Q2 and Q3 is greater than 1/2. For example, the duty cycle switching ratio of switches Q1 and Q4 is substantially equal to the duty cycle switching ratio of switches Q2 and Q3.

Il résulte de ce qui précède qu’à chaque période de durée T=1/f du cycle de fonctionnement du convertisseur:
- les interrupteurs Q1, Q2, Q3 et Q4 sont simultanément passants pendant une phase allant d’un instant t1 de fermeture des interrupteurs Q1 et Q4 (transition du signal S14 de l’état bas à l’état haut) à un instant t2 d’ouverture des interrupteurs Q2 et Q3 (transition du signal S23 de l’état haut à l’état bas);
- les interrupteurs Q1 et Q4 sont passants et les interrupteurs Q2 et Q3 sont non passants pendant une phase allant de l’instant t2 à un instant t3 de fermeture des interrupteurs Q2 et Q3 (transition du signal S23 de l’état bas à l’état haut);
- les interrupteurs Q1, Q2, Q3 et Q4 sont simultanément passants pendant une phase allant de l’instant t3 à un instant t4 d’ouverture des interrupteurs Q1 et Q4 (transition du signal S14 de l’état haut à l’état bas); et
- les interrupteurs Q1 et Q4 sont non passants et les interrupteurs Q2 et Q3 sont passants pendant une phase allant de l’instant t4 à un instant t5 de fermeture des interrupteurs Q1 et Q4 (transition du signal S14 de l’état bas à l’état haut), l’instant t5 correspondant à l’instant t1 de la période T suivante du cycle.
It follows from the above that at each period of duration T=1/f of the converter operating cycle:
- the switches Q1, Q2, Q3 and Q4 are simultaneously on during a phase ranging from a time t1 of closing of the switches Q1 and Q4 (transition of the signal S14 from the low state to the high state) to a time t2 d opening of switches Q2 and Q3 (transition of signal S23 from the high state to the low state);
- switches Q1 and Q4 are on and switches Q2 and Q3 are off during a phase going from time t2 to time t3 of closure of switches Q2 and Q3 (transition of signal S23 from the low state to the high state);
- switches Q1, Q2, Q3 and Q4 are simultaneously on during a phase going from time t3 to time t4 of opening of switches Q1 and Q4 (transition of signal S14 from the high state to the low state) ; And
- switches Q1 and Q4 are off and switches Q2 and Q3 are on during a phase ranging from time t4 to time t5 of closure of switches Q1 and Q4 (transition of signal S14 from the low state to the high state), instant t5 corresponding to instant t1 of the next period T of the cycle.

L’interrupteur Qc est quant à lui maintenu ouvert pendant toute la durée des phases de fermeture simultanée des interrupteurs Q1, Q2, Q3 et Q4, c'est-à-dire entre les instants t1 et t2 d’une part, et entre les instants t3 et t4 d’autre part. L’interrupteur Qc est en revanche maintenu fermé pendant au moins une partie de la phase de fermeture des interrupteurs Q1 et Q4 et d’ouverture des interrupteurs Q2 et Q3, c'est-à-dire entre les instants t2 et t3, et pendant au moins une partie de la phase de fermeture des interrupteurs Q2 et Q3 et d’ouverture des interrupteurs Q1 et Q4, c'est-à-dire entre les instants t4 et t5.The switch Qc is for its part kept open throughout the duration of the phases of simultaneous closing of the switches Q1, Q2, Q3 and Q4, that is to say between the instants t1 and t2 on the one hand, and between the instants t3 and t4 on the other hand. On the other hand, switch Qc is kept closed during at least part of the phase of closing switches Q1 and Q4 and opening of switches Q2 and Q3, that is to say between times t2 and t3, and during at least part of the phase of closing switches Q2 and Q3 and opening of switches Q1 and Q4, that is to say between times t4 and t5.

Ainsi, l’interrupteur Qc est commandé en commutation à une fréquence Fc deux fois plus élevée que la fréquence de découpage f du convertisseur.Thus, the switch Qc is controlled in switching at a frequency Fc twice as high as the switching frequency f of the converter.

Le mode de commande décrit en relation avec la figure 2 permet d’obtenir que les commutations des interrupteurs Q1, Q2, Q3 et Q4 du pont H1 de l’état ouvert à l’état fermé soient réalisées lors de passages à zéro de la tension à leurs bornes. Ceci permet de limiter les pertes de commutation du convertisseur par rapport à un convertisseur CFFB ne comportant pas de branche de commutation active en parallèle du pont primaire.The control mode described in relation to FIG. 2 makes it possible to obtain that the switchings of the switches Q1, Q2, Q3 and Q4 of the bridge H1 from the open state to the closed state are carried out during zero crossings of the voltage at their terminals. This makes it possible to limit the switching losses of the converter compared to a CFFB converter having no active switching branch in parallel with the primary bridge.

Toutefois, une limitation du convertisseur décrit en relation avec les figures 1 et 2 est lié à la fréquence de commutation élevée de l’interrupteur Qc, qui induit un échauffement important de ce dernier pouvant conduire à une dégradation du convertisseur et induisant des problèmes de fiabilité.However, a limitation of the converter described in relation to Figures 1 and 2 is linked to the high switching frequency of the switch Qc, which induces significant heating of the latter which can lead to a degradation of the converter and induce reliability problems. .

Par exemple, dans le cas où les interrupteurs Q1, Q2, Q3, Q4 et Qc sont des transistors au nitrure de gallium, et pour une fréquence de découpage de 300 kHz et une utilisation du convertisseur à une température ambiante de 70°C (correspondant à une température typique d’utilisation dans des applications de conversion de puissance de sortie de panneaux photovoltaïques), la température interne des interrupteurs Q1, Q2, Q3 et Q4 atteint environ 90°C, ce qui reste acceptable pour ce type de transistors, tandis que la température interne de l’interrupteur Qc (commandé en commutation à 600 kHz) atteint environ 120°C, ce qui est proche du point critique de dégradation du transistor. On notera de plus qu’à haute température, les pertes de commutation sont accrues par rapport à un fonctionnement à plus basse température.For example, in the case where switches Q1, Q2, Q3, Q4 and Qc are gallium nitride transistors, and for a switching frequency of 300 kHz and use of the converter at an ambient temperature of 70°C (corresponding to at a typical temperature of use in photovoltaic panel output power conversion applications), the internal temperature of switches Q1, Q2, Q3 and Q4 reaches approximately 90°C, which remains acceptable for this type of transistors, while that the internal temperature of the switch Qc (controlled in switching at 600 kHz) reaches approximately 120° C., which is close to the critical point of degradation of the transistor. It should also be noted that at high temperature, the switching losses are increased compared to operation at lower temperature.

Ainsi, la fréquence de découpage maximale pouvant être appliquée au convertisseur de la figure 1 est limitée par le fait qu’une fréquence égale au double de la fréquence de découpage est appliquée à l’interrupteur de commutation active Qc.Thus, the maximum switching frequency that can be applied to the converter of Figure 1 is limited by the fact that a frequency equal to twice the switching frequency is applied to the active switching switch Qc.

La figure 3 est un schéma électrique simplifié d’un exemple d’un convertisseur CFFB selon un mode de réalisation.Figure 3 is a simplified electrical diagram of an example of a CFFB converter according to one embodiment.

Le convertisseur de la figure 3 comprend des éléments communs avec le convertisseur de la figure 1. Ces éléments ne seront pas décrits à nouveau ci-après. Dans la suite, seules les différences par rapport au convertisseur de la figure 1 seront détaillées.The converter of FIG. 3 comprises elements common with the converter of FIG. 1. These elements will not be described again below. In the following, only the differences with respect to the converter of FIG. 1 will be detailed.

Le convertisseur de la figure 3 diffère de celui de la figure 1 principalement en ce que, dans le mode de réalisation de la figure 3, l’interrupteur de commutation active Qc a été remplacé par un module de commutation active 300 comportant deux interrupteurs de commutation Qc1 et Qc2 connectés en parallèle. Les interrupteurs Qc1 et Qc2 sont par exemple identiques aux dispersions de fabrication près.The converter of figure 3 differs from that of figure 1 mainly in that, in the embodiment of figure 3, the active switching switch Qc has been replaced by an active switching module 300 comprising two switching switches Qc1 and Qc2 connected in parallel. The switches Qc1 and Qc2 are for example identical except for manufacturing dispersions.

Plus particulièrement, dans cet exemple, l’interrupteur Qc1 a un premier noeud de conduction connecté à un premier noeud de conduction de l’interrupteur Qc2 et un deuxième noeud de conduction connecté à un deuxième noeud de conduction de l’interrupteur Qc2. Dans l’exemple représenté, les premiers noeuds de conduction des interrupteurs Qc1 et Qc2 sont reliés, par exemple connectés, au noeud A, et les deuxièmes noeuds de conduction des interrupeurs Qc1 et Qc2 sont reliés, par exemple connectés, au noeud E.More specifically, in this example, switch Qc1 has a first conduction node connected to a first conduction node of switch Qc2 and a second conduction node connected to a second conduction node of switch Qc2. In the example shown, the first conduction nodes of switches Qc1 and Qc2 are connected, for example connected, to node A, and the second conduction nodes of switches Qc1 and Qc2 are connected, for example connected, to node E.

Dans l’exemple de la figure 3, la branche de commutation active 112 comprend en outre, en remplacement de la diode Dc de la figure 1, deux diodes Dc1 et Dc2 connectées respectivement en parallèle de l’interrupteur Qc1 et en parallèle de l’interrupteur Qc2. Plus particulièrement, dans cet exemple, la diode Dc1 a son anode reliée, par exemple connectée, au noeud A et sa cathode reliée, par exemple connectée, au noeud E, et la diode Dc2 a son anode reliée, par exemple connectée, au noeud A et sa cathode reliée, par exemple connectée, au noeud E.In the example of Figure 3, the active switching branch 112 further comprises, replacing the diode Dc of Figure 1, two diodes Dc1 and Dc2 respectively connected in parallel with the switch Qc1 and in parallel with the Qc2 switch. More particularly, in this example, diode Dc1 has its anode connected, for example connected, to node A and its cathode connected, for example connected, to node E, and diode Dc2 has its anode connected, for example connected, to node A and its cathode connected, for example connected, to the node E.

Les interrupteurs Qc1 et Qc2 sont par exemple des transistors du même type que les transistors Q1, Q2, Q3 et Q4. Les diodes Dc1 et Dc2 correspondent par exemple respectivement à des diodes de corps intrinsèques aux transistors Qc1 et Qc2. A titre de variante, une diode Dc unique, distincte des transistors Qc1 et Qc2, peut être prévue en remplacement des diodes Dc1 et Dc2, la diode Dc étant connectée de façon similaire à ce qui a été décrit en relation avec la figure 1.The switches Qc1 and Qc2 are for example transistors of the same type as the transistors Q1, Q2, Q3 and Q4. The diodes Dc1 and Dc2 correspond for example respectively to body diodes intrinsic to the transistors Qc1 and Qc2. As a variant, a single diode Dc, distinct from transistors Qc1 and Qc2, can be provided to replace diodes Dc1 and Dc2, diode Dc being connected in a manner similar to what has been described in relation to FIG. 1.

Dans l'exemple de la figure 3, le circuit de contrôle 140 est adapté à commander les interrupteurs Q1, Q2, Q3, Q4, Qc1 et Qc2 de l’étage primaire.In the example of Figure 3, the control circuit 140 is adapted to control the switches Q1, Q2, Q3, Q4, Qc1 and Qc2 of the primary stage.

La figure 4 illustre de façon schématique un exemple d’un mode de fonctionnement du convertisseur de la figure 3. La figure 3 représente plus particulièrement l’évolution, en fonction du temps, d’un signal de commande S14 appliqué sur les noeuds de commande des interrupteurs Q1 et Q4, d’un signal de commande S23 appliqué sur les noeuds de commande des transistors Q2 et Q3, d’un signal Sc1 appliqué sur le noeud de commande du transistor Qc1, et d’un signal Sc2 appliqué sur le noeud de commande du transistor Qc2. Les signaux S14, S23 sont par exemple identiques ou similaires à ce qui a été décrit précédemment en relation avec la figure 2. Les signaux Sc1 et Sc2 sont par exemple des tensions appliquées respectivement entre la grille et la source du transistor Qc1 et entre la grille et la source du transistor Qc2.FIG. 4 schematically illustrates an example of an operating mode of the converter of FIG. 3. FIG. 3 more particularly represents the evolution, as a function of time, of a control signal S14 applied to the control nodes switches Q1 and Q4, a control signal S23 applied to the control nodes of transistors Q2 and Q3, a signal Sc1 applied to the control node of transistor Qc1, and a signal Sc2 applied to the node control of transistor Qc2. The signals S14, S23 are for example identical or similar to what was previously described in relation to FIG. 2. The signals Sc1 and Sc2 are for example voltages applied respectively between the gate and the source of the transistor Qc1 and between the gate and the source of transistor Qc2.

Les signaux S14, S23, Sc1 et Sc2 sont par exemple générés par le circuit de contrôle 140 et/ou par des circuits de commande rapprochée (non détaillés) connectés aux noeuds de commande des interrupteurs Q1, Q2, Q3, Q4, Qc1 et Qc2.The signals S14, S23, Sc1 and Sc2 are for example generated by the control circuit 140 and/or by close control circuits (not detailed) connected to the control nodes of the switches Q1, Q2, Q3, Q4, Qc1 and Qc2 .

Dans cet exemple, chacun des interrupteurs Q1, Q2, Q3, Q4, Qc1 et Qc2 est commandé à l’état fermé (passant) lorsque le signal S14, S23, Sc1 ou Sc2 appliqué sur son noeud de commande est à l’état haut, et est commandé à l’état ouvert (non passant) lorsque le signal S14, S23, Sc1 ou Sc2 appliqué sur son noeud de commande est à l’état bas.In this example, each of the switches Q1, Q2, Q3, Q4, Qc1 and Qc2 is controlled in the closed state (on) when the signal S14, S23, Sc1 or Sc2 applied to its control node is in the high state. , and is controlled in the open state (off) when the signal S14, S23, Sc1 or Sc2 applied to its control node is in the low state.

Dans l’exemple de la figure 3, la commande des interrupteurs Q1 et Q4 d’une part (signal S14), et Q2 et Q3 d’autre part (signal S23), est identique ou similaire à ce qui a été décrit en relation avec la figure 2.In the example of FIG. 3, the control of switches Q1 and Q4 on the one hand (signal S14), and Q2 and Q3 on the other hand (signal S23), is identical or similar to what has been described in relation with Figure 2.

Les interrupteurs Qc1 et Qc2 sont maintenus ouverts pendant toute la durée des phases de fermeture simultanée des interrupteurs Q1, Q2, Q3 et Q4, c'est-à-dire entre les instants t1 et t2 d’une part, et entre les instants t3 et t4 d’autre part.Switches Qc1 and Qc2 are kept open throughout the duration of the simultaneous closing phases of switches Q1, Q2, Q3 and Q4, that is to say between times t1 and t2 on the one hand, and between times t3 and t4 on the other hand.

L’interrupteur Qc1 est maintenu fermé pendant au moins une partie de la phase de fermeture des interrupteurs Q1 et Q4 et d’ouverture des interrupteurs Q2 et Q3, c'est-à-dire entre les instants t2 et t3. L’interrupteur Qc2 est quant à lui maintenu ouvert pendant toute la durée de la phase de fermeture des interrupteurs Q1 et Q4 et d’ouverture des interrupteurs Q2 et Q3, c'est-à-dire entre les instants t2 et t3.Switch Qc1 is kept closed for at least part of the closing phase of switches Q1 and Q4 and opening of switches Q2 and Q3, i.e. between times t2 and t3. Switch Qc2 is kept open for the entire duration of the closing phase of switches Q1 and Q4 and opening of switches Q2 and Q3, that is to say between times t2 and t3.

L’interrupteur Qc2 est maintenu fermé pendant au moins une partie de la phase de fermeture des interrupteurs Q2 et Q3 et d’ouverture des interrupteurs Q1 et Q4, c'est-à-dire entre les instants t4 et t5. L’interrupteur Qc1 est quant à lui maintenu ouvert pendant toute la durée de la phase de fermeture des interrupteurs Q2 et Q3 et d’ouverture des interrupteurs Q1 et Q4, c'est-à-dire entre les instants t4 et t5.Switch Qc2 is kept closed for at least part of the closing phase of switches Q2 and Q3 and opening of switches Q1 and Q4, i.e. between times t4 and t5. Switch Qc1 is kept open for the entire duration of the closing phase of switches Q2 and Q3 and opening of switches Q1 and Q4, i.e. between times t4 and t5.

Ainsi, chacun des interrupteurs Qc1 et Qc2 est commandé en commutation à une fréquence égale à la fréquence de découpage f du convertisseur. A titre d'exemple, le signal Sc2 est complémentaire du signal S14, et le signal Sc1 est complémentaire du signal S23.Thus, each of the switches Qc1 and Qc2 is controlled in switching at a frequency equal to the chopping frequency f of the converter. By way of example, signal Sc2 is complementary to signal S14, and signal Sc1 is complementary to signal S23.

Ainsi, dans le mode de réalisation des figures 3 et 4, par rapport à l’exemple de réalisation des figures 1 et 2, l’interrupteur Qc commandé en commutation de façon périodique à une fréquence Fc=2*f avec un rapport cyclique de commutation Rc, a été remplacé par deux interrupteurs Qc1 et Qc2 commandés chacun de façon périodique à une même fréquence Fc1c2=Fc/2 avec un même rapport cyclique de commutation Rc1c2=Rc/2, les commandes des interrupteurs Qc1 et Qc2 étant en opposition de phase.Thus, in the embodiment of Figures 3 and 4, compared to the embodiment of Figures 1 and 2, the switch Qc controlled in switching periodically at a frequency Fc=2*f with a duty cycle of switching Rc, has been replaced by two switches Qc1 and Qc2 each controlled periodically at the same frequency Fc1c2=Fc/2 with the same switching duty cycle Rc1c2=Rc/2, the commands of the switches Qc1 and Qc2 being in opposition to phase.

Ceci permet, comme dans l’exemple des figures 1 et2, que les commutations des interrupteurs Q1, Q2, Q3 et Q4 du pont H1 de l’état ouvert à l’état fermé soient réalisées lors de passages à zéro de la tension à leurs bornes, limitant ainsi les pertes de commutation dans le pont H1.This allows, as in the example of Figures 1 and 2, that the switching of the switches Q1, Q2, Q3 and Q4 of the bridge H1 from the open state to the closed state are carried out during zero crossings of the voltage at their terminals, thus limiting the switching losses in the H1 bridge.

De plus, un avantage du mode de réalisation des figures 3 et 4 par rapport à l’exemple des figures 1 et 2 est que la vitesse de commutation des interrupteurs Qc1 et Qc2 est égale à la fréquence de découpage f du convertisseur, c'est-à-dire deux fois moins élevée que la fréquence de commutation de l’interrupteur Qc du convertisseur de la figure 1. Il en résulte que l’échauffement des interrupteurs Qc1 et Qc2 est limité par rapport à celui de l’interrupteur Qc. Ceci permet un fonctionnement à une fréquence de découpage plus élevée, par exemple supérieure à 300 kHz, ce qui permet notamment de réduire les dimensions du transformateur T et de l'inductance d'entrée L1.In addition, an advantage of the embodiment of Figures 3 and 4 compared to the example of Figures 1 and 2 is that the switching speed of the switches Qc1 and Qc2 is equal to the chopping frequency f of the converter, that is that is to say half as high as the switching frequency of the switch Qc of the converter of FIG. 1. As a result, the heating of the switches Qc1 and Qc2 is limited compared to that of the switch Qc. This allows operation at a higher switching frequency, for example greater than 300 kHz, which in particular makes it possible to reduce the dimensions of the transformer T and of the input inductor L1.

A titre d’exemple, dans le cas où les interrupteurs Q1, Q2, Q3, Q4, Qc1 et Qc2 sont des transistors au nitrure de gallium, et pour une fréquence de découpage de 400 kHz et une utilisation du convertisseur à une température ambiante de 70°C, la température interne des interrupteurs Q1, Q2, Q3 et Q4 atteint environ 96°C, et la température interne des transistors Qc1 et Qc2 atteint environ 101°C, ce qui reste acceptable pour ce type de transistors.By way of example, in the case where the switches Q1, Q2, Q3, Q4, Qc1 and Qc2 are gallium nitride transistors, and for a switching frequency of 400 kHz and use of the converter at an ambient temperature of 70°C, the internal temperature of switches Q1, Q2, Q3 and Q4 reaches approximately 96°C, and the internal temperature of transistors Qc1 and Qc2 reaches approximately 101°C, which remains acceptable for this type of transistor.

A fréquences de découpage identiques, la diminution de la température interne des transistors Qc1 et Qc2 permet en outre de réduire les pertes de commutation par rapport à l’exemple des figures 1 et 2.At identical switching frequencies, the reduction in the internal temperature of transistors Qc1 and Qc2 also makes it possible to reduce switching losses compared to the example of figures 1 and 2.

Un autre avantage de l’exemple de réalisation décrit en relation avec les figures 3 et 4 est que les signaux de commande Sc1 et Sc2 des interrupteurs Qc1 et Qc2 sont en pratique plus simples à générer que le signal de commande Sc de l’interrupteur Qc de l’exemple des figures 1 et 2. En effet, en pratique, dans l’exemple des figures 3 et 4, les signaux de commande Sc1 et Sc2 peuvent être complémentaires des signaux de commande S23 et S14 respectivement, et sont alors relativement simples à générer, tandis que, dans l’exemple des figures 1 et 2, la génération du signal Sc nécessite la mise en oeuvre d’une fonction XOR sur les compléments des signaux S23 et S14, fonction qui peut être relativement complexe à implémenter.Another advantage of the example embodiment described in relation to FIGS. 3 and 4 is that the control signals Sc1 and Sc2 of the switches Qc1 and Qc2 are in practice simpler to generate than the control signal Sc of the switch Qc of the example of Figures 1 and 2. Indeed, in practice, in the example of Figures 3 and 4, the control signals Sc1 and Sc2 can be complementary to the control signals S23 and S14 respectively, and are then relatively simple to be generated, whereas, in the example of FIGS. 1 and 2, the generation of the signal Sc requires the implementation of an XOR function on the complements of the signals S23 and S14, a function which can be relatively complex to implement.

On notera que la solution proposée consistant à remplacer un interrupteur destiné à être commandé en commutation à une fréquence Fc avec un rapport cyclique Rc par deux interrupteurs connectés en parallèle commandés en commutation à une fréquence Fc/2 avec un rapport cyclique Rc/2, avec un déphasage de π entre les signaux de commande des deux interrupteurs, peut s’appliquer plus généralement à tout dispositif de commutation pouvant tirer profit d’une diminution de la fréquence de commutation des interrupteurs, par exemple dans un convertisseur à découpage, ou, plus généralement, dans tout dispositif électronique comportant un dispositif de commutation périodique de courant et/ou de tension. Par exemple, dans le convertisseur de la figure 3, chacun des interrupteurs Q1, Q2, Q3 et Q4 peut être remplacé par deux interrupteurs connectés en parallèle et commandés en opposition de phase à une fréquence f/2 avec un rapport cyclique R/2. Cette solution permet en outre, pour une fréquence de commutation des interrupteurs donnée, d'augmenter la fréquence de découpage du système, ce qui permet de réduire la taille des composants passifs du système, par exemple l'inductance d'entrée et le transformateur.It will be noted that the proposed solution consisting in replacing a switch intended to be controlled in switching at a frequency Fc with a duty cycle Rc by two switches connected in parallel controlled in switching at a frequency Fc/2 with a duty cycle Rc/2, with a phase shift of π between the control signals of the two switches, can apply more generally to any switching device that can benefit from a reduction in the switching frequency of the switches, for example in a switching converter, or, more generally, in any electronic device comprising a periodic current and/or voltage switching device. For example, in the converter of FIG. 3, each of the switches Q1, Q2, Q3 and Q4 can be replaced by two switches connected in parallel and controlled in phase opposition at a frequency f/2 with a duty cycle R/2. This solution also makes it possible, for a given switching frequency of the switches, to increase the chopping frequency of the system, which makes it possible to reduce the size of the passive components of the system, for example the input inductance and the transformer.

Par ailleurs, la fréquence de commutation des interrupteurs peut être réduite encore davantage en augmentant le nombre d’interrupteurs connectés en parallèle, comme expliqué plus en détail ci-après en relation avec les figures 5 et 6.Furthermore, the switching frequency of the switches can be reduced even further by increasing the number of switches connected in parallel, as explained in more detail below in relation to figures 5 and 6.

La figure 5 est un schéma électrique d’un autre exemple d’un module de commutation selon un mode de réalisation.Figure 5 is an electrical diagram of another example of a switching module according to one embodiment.

Le module de commutation de la figure 5 comprend trois interrupteurs Qc1, Qc2, Qc3 connectés en parallèle entre des noeuds de conduction NA et NB du module. Dans cet exemple, chacun des interrupteurs Qc1, Qc2, Qc3 a un premier noeud de conduction connecté au noeud NA du module et un deuxième noeud de conduction connecté au noeud NB du module. Les interrupteurs Qc1, Qc2, Qc3 comprennent chacun un noeud de commande spécifique relié à un circuit de commande 500 (CTRL) du module.The switching module of FIG. 5 comprises three switches Qc1, Qc2, Qc3 connected in parallel between conduction nodes NA and NB of the module. In this example, each of the switches Qc1, Qc2, Qc3 has a first conduction node connected to the node NA of the module and a second conduction node connected to the node NB of the module. The switches Qc1, Qc2, Qc3 each comprise a specific control node connected to a control circuit 500 (CTRL) of the module.

La figure 6 représente de façon schématique un exemple de signaux de commande du module de commutation de la figure 5. La figure 6 représente plus particulièrement l’évolution en fonction du temps de signaux Sc1, Sc2, Sc3 appliqué respectivement sur les noeuds de commande des interrupteurs Qc1, Qc2, Qc3. Dans cet exemple, chaque interrupteur est fermé lorsque le signal appliqué sur son noeud de commande est à l’état haut et est ouvert lorsque le signal appliqué sur son noeud de commande est à l’état bas.FIG. 6 schematically represents an example of control signals of the switching module of FIG. 5. FIG. 6 more particularly represents the evolution as a function of time of signals Sc1, Sc2, Sc3 applied respectively to the control nodes of switches Qc1, Qc2, Qc3. In this example, each switch is closed when the signal applied to its control node is high and is open when the signal applied to its control node is low.

Dans cet exemple, les interrupteurs Qc1, Qc2, Qc3 sont commandés en commutation de façon périodique à une même fréquence Fc, avec un même rapport cyclique de commutation Rc, de préférence inférieure à 1/3, et avec un déphasage de 2π/3 entre les commandes des différents interrupteurs. De préférence, le rapport cyclique de commutation Rc de chacun des interrupteurs Qc1, Qc2, Qc3 est inférieur à 1/3.In this example, the switches Qc1, Qc2, Qc3 are switched periodically at the same frequency Fc, with the same switching duty cycle Rc, preferably less than 1/3, and with a phase shift of 2π/3 between the commands of the various switches. Preferably, the cyclic switching ratio Rc of each of the switches Qc1, Qc2, Qc3 is less than 1/3.

Ainsi, le module de commutation de la figure 5 permet, en utilisant uniquement des interrupteurs commandés à une fréquence de commutation Fc, d’obtenir un fonctionnement équivalent à celui d’un interrupteur unique commandé en commutation à un fréquence égale à 3*Fc avec un rapport cyclique de commutation égal à 3*Rc.Thus, the switching module of FIG. 5 makes it possible, by using only switches controlled at a switching frequency Fc, to obtain an operation equivalent to that of a single switch controlled in switching at a frequency equal to 3*Fc with a cyclical switching ratio equal to 3*Rc.

Plus généralement, ce fonctionnement peut être adapté quel que soit le nombre N d’interrupteurs connectés en parallèle, avec N entier supérieur ou égal à 2. Les N interrupteurs Qc1, ... QcN sont alors commandés en commutation de façon périodique à une même fréquence Fc, avec un même rapport cyclique de commutation Rc, de préférence inférieur à 1/N, et avec un déphasage de l’ordre de 2π/N entre les commandes des différents interrupteurs (c'est-à-dire que les signaux de commande respectifs Sc1, ... ScN des interrupteurs Qc1, ... QcN sont déphasés deux à deux d’environ 2π/N, ou, dit autrement, que chacun des signaux de commande Sc1, ... ScN est déphasé de +2π/N par rapport à un et un seul autre des signaux de commande Sc1, ... ScN).More generally, this operation can be adapted whatever the number N of switches connected in parallel, with N an integer greater than or equal to 2. The N switches Qc1, ... QcN are then controlled in switching periodically at the same frequency Fc, with the same cyclic switching ratio Rc, preferably less than 1/N, and with a phase shift of the order of 2π/N between the commands of the various switches (that is to say that the signals of respective control Sc1, ... ScN of switches Qc1, ... QcN are phase shifted two by two by approximately 2π/N, or, in other words, that each of the control signals Sc1, ... ScN is phase shifted by +2π /N with respect to one and only one other of the control signals Sc1, ... ScN).

Ceci permet, en utilisant uniquement des interrupteurs commandés à une fréquence de commutation Fc, d’obtenir un fonctionnement équivalent à celui d’un interrupteur unique commandé en commutation à un fréquence égale à N*Fc avec un rapport cyclique de commutation égal à N*Rc.This makes it possible, by using only switches controlled at a switching frequency Fc, to obtain an operation equivalent to that of a single switch controlled in switching at a frequency equal to N*Fc with a switching duty cycle equal to N* RC.

Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L’homme de l’art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaitront à l’homme de l’art. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples décrits ci-dessus dans lesquels les interrupteurs du module de commutation sont des transistors au nitrure de gallium. Plus généralement, les modes de réalisation décrits peuvent s’appliquer à tout type d’interrupteurs, par exemple des transistors MOS à base de silicium ou de carbure de silicium, des transistors bipolaires, mais aussi à interrupteurs autres que des transistors, par exemple des relais électromécaniques.Various embodiments and variants have been described. Those skilled in the art will understand that certain features of these various embodiments and variations could be combined, and other variations will occur to those skilled in the art. In particular, the embodiments described are not limited to the examples described above in which the switches of the switching module are gallium nitride transistors. More generally, the embodiments described can apply to any type of switch, for example MOS transistors based on silicon or silicon carbide, bipolar transistors, but also to switches other than transistors, for example electromechanical relays.

Claims (10)

Module de commutation comportant N interrupteurs (Qc1, Qc2; Qc3) connectés en parallèle, avec N entier supérieur ou égal à 2, et un circuit de commande (140; 500) configuré pour appliquer aux N interrupteurs respectivement N signaux de commande (Sc1, Sc2; Sc3) périodiques déphasés deux à deux de 2π/N.Switching module comprising N switches (Qc1, Qc2; Qc3) connected in parallel, with N integer greater than or equal to 2, and a control circuit (140; 500) configured to apply to the N switches respectively N control signals (Sc1, Sc2; Sc3) periodic phase-shifted two by two by 2π/N. Module selon la revendication 1, dans lequel les N signaux de commande (Sc1, Sc2; Sc3) ont une même fréquence et un même rapport cyclique.Module according to Claim 1, in which the N control signals (Sc1, Sc2; Sc3) have the same frequency and the same duty cycle. Module selon la revendication 2, dans lequel les N signaux de commande (Sc1, Sc2, Sc3) ont un rapport cyclique inférieur à 1/N.Module according to Claim 2, in which the N control signals (Sc1, Sc2, Sc3) have a duty cycle of less than 1/N. Module selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les N interrupteurs (Qc1, Qc2, Qc3) sont des transistors au nitrure de gallium.Module according to any one of Claims 1 to 3, in which the N switches (Qc1, Qc2, Qc3) are gallium nitride transistors. Convertisseur à découpage comportant une branche de commutation active (112) comportant un module de commutation selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.Switching converter comprising an active switching branch (112) comprising a switching module according to any one of claims 1 to 4. Convertisseur selon la revendication 5, dans lequel le nombre N d’interrupteurs du module de commutation est égal à deux.Converter according to claim 5, in which the number N of switches of the switching module is equal to two. Convertisseur selon la revendication 6, comportant en outre, en parallèle de la branche de commutation active (112), un pont en H commandé (H1), le circuit de commande (140) étant configuré pour, à chaque période d’un cycle de fonctionnement du convertisseur, successivement:
  1. commander des première (Q1, Q4) et deuxième (Q2, Q3) diagonales du pont en H (H1) simultanément à l’état fermé;
  2. commander la première diagonale (Q1, Q4) à l’état fermé et la deuxième diagonale (Q2, Q3) à l’état ouvert;
  3. commander les première (Q1, Q4) et deuxième (Q2, Q3) diagonales simultanément à l’état fermé; et
  4. commander la première diagonale (Q1, Q4) à l’état ouvert et la deuxième diagonale (Q2, Q3) à l’état fermé,
le circuit de commande (140) étant en outre configuré pour:
  • pendant l’étape a), maintenir un premier (Qc1) et un second (Qc2) des deux interrupteurs du module de commutation simultanément ouverts;
  • pendant l’étape b), maintenir les premier (Qc1) et second (Qc2) interrupteurs respectivement fermé et ouvert;
  • pendant l’étape c), maintenir les premier (Qc1) et second (Qc2) interrupteurs simultanément ouverts; et
  • pendant l’étape d), maintenir les premier (Qc1) et second (Qc2) interrupteurs respectivement ouvert et fermé.
Converter according to claim 6, further comprising, in parallel with the active switching branch (112), a controlled H-bridge (H1), the control circuit (140) being configured for, at each period of a cycle of operation of the converter, successively:
  1. controlling first (Q1, Q4) and second (Q2, Q3) diagonals of the H-bridge (H1) simultaneously in the closed state;
  2. controlling the first diagonal (Q1, Q4) in the closed state and the second diagonal (Q2, Q3) in the open state;
  3. driving the first (Q1, Q4) and second (Q2, Q3) diagonals simultaneously to the closed state; And
  4. controlling the first diagonal (Q1, Q4) in the open state and the second diagonal (Q2, Q3) in the closed state,
the control circuit (140) being further configured to:
  • during step a), maintaining a first (Qc1) and a second (Qc2) of the two switches of the switching module simultaneously open;
  • during step b), keeping the first (Qc1) and second (Qc2) switches respectively closed and open;
  • during step c), keeping the first (Qc1) and second (Qc2) switches simultaneously open; And
  • during step d), keeping the first (Qc1) and second (Qc2) switches respectively open and closed.
Convertisseur selon la revendication 7, comportant en outre une inductance d’entrée (L1) en série avec le pont en H (H1).Converter according to claim 7, further comprising an input inductor (L1) in series with the H-bridge (H1). Convertisseur selon la revendication 7 ou 8, dans lequel l’ensemble comportant la branche de commutation active (112) et le pont en H (H1) forme un étage primaire (110) du convertisseur, le convertisseur comprenant en outre un transformateur (T) agencé pour transmettre une puissance modulée fournie par l’étage primaire et un étage secondaire (130) agencé pour démoduler la puissance transmise par le transformateur.Converter according to Claim 7 or 8, in which the assembly comprising the active switching branch (112) and the H-bridge (H1) forms a primary stage (110) of the converter, the converter further comprising a transformer (T) arranged to transmit modulated power supplied by the primary stage and a secondary stage (130) arranged to demodulate the power transmitted by the transformer. Convertisseur selon l’une quelconque des revendications 5 à 9, dans lequel la branche de commutation active (112) comprend en outre un condensateur (Cc) en série avec les N interrupteurs du module de commutation.A converter according to any one of claims 5 to 9, wherein the active switching branch (112) further comprises a capacitor (Cc) in series with the N switches of the switching module.
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