FR3104343A1 - Dispositif de correction de facteur de puissance et système électrique comportant un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif comporte : une masse électrique (GND1) ; une borne d’entrée (BE) ; une borne de sortie (BS) ; une inductance principale (Lm) présentant des première et deuxième bornes (A, M) entre lesquelles l’inductance principale (Lm) présente une tension d’inductance (uLm), la première borne (A) de l’inductance principale (Lm) étant connectée à la borne d’entrée (BE) ; un interrupteur commandable (Q1) présentant des première et deuxième bornes (D, S) respectivement connectées à la deuxième borne (M) de l’inductance principale (Lm) et à la masse électrique (GND1) ; et un dispositif (116) de commande de l’interrupteur commandable (Q1) pour chacun d’une pluralité de cycles successifs comportant chacun une phase de charge et une phase de décharge. Le dispositif (108) comporte en outre un dispositif de génération de tension placé à la suite de l’inductance (Lm) et conçu pour générer, lors de la phase de décharge mais pas lors de la phase de charge, une tension supplémentaire (u) de même sens que la tension d’inductance (uL m). Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention concerne un dispositif de correction de facteur de puissance et un système électrique comportant un tel dispositif.
L'invention s’applique particulièrement dans le domaine des véhicules automobiles, en particulier ceux à propulsion électrique ou bien hybride.
On connait de l’état de la technique un dispositif de correction de facteur de puissance, du type comportant:
- une masse électrique;
- une borne d’entrée destinée à se voir appliquer une tension d’entrée par rapport à la masse électrique et à recevoir un courant d’entrée;
- une borne de sortie destinée à présenter une tension de sortie par rapport à la masse électrique;
- une inductance principale présentant des première et deuxième bornes entre lesquelles l’inductance principale présente une tension d’inductance, la première borne de l’inductance principale étant connectée à la borne d’entrée de manière à recevoir un courant d’inductance formé d’au moins une partie du courant d’entrée; et
- un interrupteur commandable présentant des première et deuxième bornes respectivement connectées à la deuxième borne de l’inductance principale et à la masse électrique; et
- un dispositif de commande de l’interrupteur commandable, conçu, pour chacun d’une pluralité de cycles successifs comportant chacun une phase de charge et une phase de décharge, pour:
- déterminer un rapport cyclique de la phase de charge,
- pendant la phase de charge, fermer l’interrupteur commandable pour connecter la deuxième borne de l’inductance principale à la masse électrique pour faire augmenter le courant d’inductance, et
- pendant la phase de décharge, ouvrir l’interrupteur commandable pour connecter la deuxième borne de l’inductance principale à la borne de sortie pour faire diminuer le courant d’inductance;
L’inductance principale peut être une inductance magnétisante.
Lorsqu’il conduit, l’interrupteur commandable perd de l’énergie. Ces pertes sont appelées «pertes par conduction».
Il peut ainsi être souhaité de prévoir un dispositif de correction de facteur de puissance qui permette de réduire ces pertes par conduction.
Il est donc proposé un dispositif de correction de facteur de puissance du type précité, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un dispositif de génération de tension placé à la suite de l’inductance et conçu pour générer, lors de la phase de décharge mais pas lors de la phase de charge, une tension supplémentaire de même sens que la tension d’inductance.
Ainsi, la tension supplémentaire vient réduire, en valeur absolue, la vitesse de variation du courant d’inductance pendant la phase de décharge. Pour que le courant d’inductance atteigne à la fin du cycle la valeur souhaité, la présence de la tension supplémentaire u oblige le dispositif de commande à allonger la durée de la phase de décharge par rapport à la durée de la phase de charge, c’est-à-dire à diminuer le rapport cyclique. Ainsi, l’interrupteur commandable est moins de temps à l’état fermé avec la tension complémentaire, que sans cette tension complémentaire, de sorte que les pertes par conduction sont diminuées.
De façon optionnelle, la tension supplémentaire est proportionnelle à la tension d’inductance selon un coefficient de proportionnalité prédéfini.
De façon optionnelle également, le dispositif comporte en outre une inductance couplée comportant un enroulement primaire présentant l’inductance principale, un enroulement secondaire fournissant la tension complémentaire et un circuit de couplage magnétique des enroulements. L’inductance couplée peut être assimilée à un transformateur.
De façon optionnelle également, le dispositif comporte une inductance de prise formant au moins en partie les enroulements et le circuit de couplage magnétique.
De façon optionnelle également, l’interrupteur commandable présente une capacité entre ses bornes, et le dispositif comporte en outre une inductance secondaire au travers de laquelle la première borne de l’interrupteur commandable est connectée à la deuxième borne de l’inductance.
De façon optionnelle également, l’inductance secondaire est formée au moins en partie par une inductance parasite de l’inductance de prise. L’inductance secondaire peut être une inductance de résonance.
De façon optionnelle également, la capacité secondaire est formée au moins en partie par une capacité parasite de l’interrupteur commandable.
De façon optionnelle également, la capacité secondaire comporte en outre une capacité ajoutée entre les bornes de l’interrupteur commandable.
De façon optionnelle également, la capacité (Cr) est supérieure ou égale à , où Lr est l’inductance secondaire (Lr), iQ1est un courant traversant l’interrupteur commandable (Q1) et VCrest une tension entre les bornes (D, S) de l’interrupteur commandable (Q1).
Il est également proposé un système électrique comportant:
- un redresseur conçu pour fournir une tension redressée à partir d’une tension alternative, et
- un dispositif de correction de facteur de puissance selon l’invention, dans lequel la tension d’entrée est la tension redressée.
L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels:
La figure 1 illustre un système électrique 100 comportant une source de tension 102, une batterie BT1 et un système 104 de charge de la batterie BT1 à partir de la source de tension 102.
Plus précisément, la source de tension 102 est conçue pour fournir une tension alternative Va. La source de tension 102 comporte par exemple un réseau de distribution d’électricité.
La batterie BT1 est par exemple embarquée dans un véhicule automobile à propulsion électrique ou bien hybride (thermique et électrique) et utilisée pour alimenter électriquement un moteur électrique d’entraînement de roues de ce véhicule automobile.
Le système de charge 104 comporte tout d’abord un redresseur 106 conçu pour fournir une tension redressée VEà partir de la tension alternative Va. Dans l’exemple décrit, le redresseur 106 est un redresseur double alternance comportant un pont de diodes D1, D2, D3 et D4.
Le système de charge 104 comporte en outre un dispositif de correction de facteur de puissance 108 (de l’anglais «Power Factor Correction» ou PFC).
Le dispositif PFC 108 comporte tout d’abord une masse électrique GND1.
Le dispositif PFC 108 comporte en outre une borne d’entrée BE. Le dispositif PFC 108 est connecté au redresseur 106 de sorte que la tension redressée VEsoit appliquée sur la borne d’entrée BEpar rapport à la masse électrique GND1 et de sorte que la borne d’entrée BEreçoive un courant d’entrée iE. La tension redressée VEforme donc une tension d’entrée du dispositif PFC 108.
Le dispositif PFC 108 comporte en outre une borne de sortie BSdestinée à présenter une tension de sortie VSpar rapport à la masse électrique GND1.
Le dispositif PFC 108 comporte en outre une capacité C1 connectée entre la borne de sortie BSet la masse électrique GND1. La capacité C1 est conçue pour maintenir la tension de sortie VSsensiblement continue.
Le dispositif PFC 108 comporte en outre une inductance de prise 110 (de l’anglais «tapped inductor»). L’inductance de prise 110 comporte un enroulement primaire N1, un enroulement secondaire N2 et un circuit (ou noyau) 112 de couplage magnétique des deux enroulements N1, N2. Ainsi, il existe un rapport de couplage m= n2/n1 entre les deux enroulements N1, N2, où n1 est le nombre de spires de l’enroulement primaire N1 et n2 est le nombre de spires de l’enroulement secondaire N2.
Les enroulements N1, N2 sont connectés l’un à l’autre en un point milieu M. Ainsi, l’enroulement primaire N1 présente une première borne A connectée à la borne d’entrée BEet une deuxième borne correspondant au point milieu M, tandis que l’enroulement secondaire N2 présente une première borne B et une deuxième borne correspondant également au point milieu M.
L’inductance de prise 110 présente une inductance principale Lm entre les bornes A, M de l’enroulement primaire N1. Ainsi, les bornes A, M constituent également des bornes de cette inductance principale Lm.
L’inductance de prise 110 présente en outre une inductance parasite Lr sur la borne M. Ainsi, dans le modèle de l’inductance de prise 110 illustré sur la figure 1, l’inductance parasite Lr est connectée à la borne M et présente une deuxième borne C.
Ainsi, l’inductance de prise 110 présente les trois bornes A, B, C, la borne A permettant de connecter l’enroulement primaire N1, la borne B permettant de connecter l’enroulement secondaire N2 et la borne C permettant de connecter le point milieu M (au travers de l’inductance parasite Lr).
Le dispositif PFC 108 comporte en outre un dispositif 114 de charge/décharge de l’inductance principale Lm.
Le dispositif de charge/décharge 114 comporte tout d’abord une diode D5 connectée entre la borne B de l’inductance de prise 110 et la borne de sortie BS. La diode D5 est passante en direction de la borne de sortie BS. Le courant passant dans la diode D5 est appelé iD5.
Le dispositif de charge/décharge 114 comporte en outre un interrupteur commandable Q1 destiné à être traversé par un courant iQ1.
L’interrupteur commandable Q1 présente une borne d’entrée de courant D, une borne de sortie de courant S et une borne de commande G. L’interrupteur commandable Q1 présente une capacité parasite Cr1entre ses bornes D et S, ainsi qu’une diode de roue libre D10, passante en direction de la borne D.
Dans l’exemple décrit, l’interrupteur commandable Q1 est un MOSFET (de l’anglais «Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor» soit: Transistor à effet de champ métal-oxyde).
Le dispositif de charge/décharge 114 comporte en outre une capacité Cr2ajoutée entre les bornes D, S de l’interrupteur commandable Q1. La capacité Cr2 est donc en parallèle de la capacité parasité, de sorte que l’interrupteur commandable Q1 présente, entre ses bornes D, S, une capacité Cr = Cr1+ Cr2. Une tension VC rest présente entre les bornes D, S de l’interrupteur commandable Q1, et donc également aux bornes de la capacité Cr.
Le dispositif de charge/décharge 114 comporte en outre un dispositif 116 de commande de l’interrupteur commandable Q1 qui sera décrit plus en détail ci-dessous, en référence à la figure 2.
Le dispositif de charge 104 comporte en outre un convertisseur de tension continue – continue 118 conçu pour fournir une tension de batterie VBAT1continue, appliquée à la batterie BT1, à partir de la tension de sortie VSdu dispositif PFC 108.
En référence à la figure 2, le dispositif de commande 116 va à présent être décrit plus en détail.
Le dispositif de commande 116 comporte tout d’abord un capteur 202 de la tension d’entrée VE, un capteur 204 du courant d’inductance iLmet un capteur 206 de la tension de sortie VS.
Le dispositif de commande 116 comporte en outre un premier bloc 208 de détermination, à partir de la tension d’entrée VE, d’une forme F de la tension d’entrée VE.
Le dispositif de commande 116 comporte en outre un deuxième bloc 210 de détermination, à partir de la tension de sortie VS, d’une amplitude souhaitée A du courant d’inductance iLm.
Le dispositif de commande 116 comporte en outre un dispositif de multiplication 212 de la forme F avec l’amplitude souhaitée A afin de donner un courant de référence iref.
Le dispositif de commande 116 comporte en outre un dispositif de soustraction 214 afin de donner une erreur de courant ε.
Le dispositif de commande 116 comporte en outre un troisième bloc 216 de détermination d’un rapport cyclique RC à partir de l’erreur de courant ε.
Le dispositif de commande 116 comporte en outre un quatrième bloc 218 de détermination d’un signal de commande CQ1à modulation de largeur d’impulsion (de l’anglais «Pulse Width Modulation» ou PWM) partir du rapport cyclique RC et d’application du signal de commande CQ1à l’interrupteur commandable Q1.
En référence à la figure 3, un procédé 300 de correction de facteur de puissance va à présent être décrit.
Au cours de ce procédé, le dispositif de commande 116 agit sur l’interrupteur commandable Q1 de manière à réaliser une suite de cycles de charge/décharge de l’inductance principale Lm. Chaque cycle s’étend sur une durée T (de préférence la même pour tous les cycles) et comporte successivement une phase de charge et une phase de décharge de l’inductance principale Lm. Le rapport cyclique RC définit la durée RC x T de la phase de charge. Ainsi, la durée de la phase de charge est (1-RC) x T, où (1-RC) est le rapport cyclique de la phase de décharge, également noté RC’ par la suite.
Ainsi, les étapes 302 à 306 suivantes sont réalisées pour chaque cycle.
Au cours d’une étape 302, le dispositif de commande 116 détermine le rapport cyclique RC souhaité pour le cycle afin que le courant d’inductance iLmsuive la forme de la tension d’entrée VE.
Au cours d’une étape 304 correspondant à la phase de charge, le dispositif de commande 116 ferme l’interrupteur commandable Q1 pour connecter la borne M de l’inductance principale Lm à la masse électrique GND1. Ainsi, la tension d’inductance uLmest égale à la tension d’entrée VE, de sorte que le courant d’inductance iLmvarie selon l’équation suivante:
Comme la tension d’entrée VEest toujours positive, le courant d’inductance iLmaugmente.
Au cours d’une étape 306 correspondant à la phase de décharge, le dispositif de commande 116 ouvre l’interrupteur commandable Q1 pour connecter la borne M de l’inductance principale Lm à la borne de sortie BS. La variation du courant d’inductance iLmest alors donnée par l’équation suivante:
Or, en régime établi du dispositif PFC 108, la tension de sortie VSest plus grande que la tension d’entrée VE, de sorte que la tension d’inductance uLm= VE– VS– u est négative et que le courant d’inductance iLmdiminue.
Par ailleurs, comme la tension d’inductance uLmest négative, la tension supplémentaire u est également négative, de sorte que la tension supplémentaire u réduit, en valeur absolue, la vitesse de variation du courant d’inductance iLm, comme cela est apparent d’après la réécriture ci-dessous de l’équation 2 précédente:
Ainsi, pour que le courant d’inductance atteigne à la fin du cycle la valeur souhaité, la présence de la tension supplémentaire u oblige le dispositif de commande 116 à allonger la durée de la phase de décharge par rapport à la durée de la phase de charge, c’est-à-dire à diminuer le rapport cyclique RC. Ainsi, l’interrupteur commandable Q1 est moins de temps à l’état fermé avec la tension complémentaire u, que sans cette tension complémentaire u, de sorte que les pertes par conduction sont diminuées.
La figure 4 représente l’évolution au cours du temps des grandeurs électriques CQ1, iLm, iQ1, VCret iD5du dispositif PFC 108 lorsqu’une tension d’entrée VEconstante est appliquée en entrée du dispositif PFC.
Pendant la phase de charge, de l’instant t0à l’instant t1, l’interrupteur commandable Q1 est fermé, de sorte que la tension VCret le courant iD5sont nuls.
Lors de l’ouverture de l’interrupteur commandable Q1, à l’instant t1, la capacité Cr et l’inductance parasite Lr se trouvent en série et forment un circuit résonant. Ainsi, lors de la phase de l’instant t1à l’instant t3, la tension VCraugmente puis, entre les instants t3et t4, elle diminue en suivant une partie d’oscillation P. La durée DPde l’oscillation P s’étend de l’instant t1à l’instant t4.
Pendant ce temps, à l’instant t2, le courant d’inductance iLmdiminue et le courant iD5de la diode D5 commence à augmenter.
Durant la partie d’oscillation P, la diode de roue libre D10 est ouverte. Lorsque la tension VCrs’annule, à l’instant t4, la diode D10 devient passante et maintient la tension VCrnulle, de sorte que le courant iQ1est négatif.
Ainsi, lors de la fermeture à l’instant t5de l’interrupteur commandable Q1, la tension VCrest nulle de sorte que la puissance (VCrx iQ1) perdue pendant la commutation est nulle. Le courant iQ1augmente pour atteindre le courant de la charge à l’instant t6.
Le même phénomène est obtenu dans le cas de la figure 1, où la tension d’entrée VEest une tension sinusoïdale redressée.
La commutation sans perte est donc obtenue lorsque la durée de la partie d’oscillation P présente une durée DPplus petite que le rapport cyclique de décharge D’. Or, cette durée DPest reliée à l’inductance parasite Lr et la capacité Cr par l’équation suivante:
Le paramètre est égal à:
La pulsation à la résonance est donnée par:
Ainsi, la capacité ajoutée Cr2est choisie pour que, avec la capacité parasite Cr1, la capacité Cr ait la valeur Cr = Cr1+ Cr2de sorte que l’énergie accumulée dans l’inductance parasite Lr de résonance soit inférieure à celle emmagasinée dans la capacité Cr afin de satisfaire à la condition de commutation sous zéro de tension, soit:
Ainsi, la capacité Cr est de préférence égale ou supérieure à:
Il sera apprécié que, grâce à la présence de la tension complémentaire u, le rapport cyclique de décharge RC’ est allongé, de sorte que la commutation à tension nulle soit assurée.
Il apparaît clairement qu’un dispositif de décharge active tel que ceux décrits précédemment permet de limiter les pertes de conduction de l’interrupteur commandable.
La présente invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment, mais est au contraire définie par les revendications qui suivent. Il sera en effet apparent à l’homme du métier que des modifications peuvent y être apportées.
Par ailleurs, les termes utilisés dans les revendications ne doivent pas être compris comme limités aux éléments des modes de réalisation décrits précédemment, mais doivent au contraire être compris comme couvrant tous les éléments équivalents que l’homme du métier peut déduire à partir de ses connaissances générales.
Claims (10)
- Dispositif de correction de facteur de puissance (108), comportant:
- une masse électrique (GND1);
- une borne d’entrée (BE) destinée à se voir appliquer une tension d’entrée (VE) par rapport à la masse électrique (GND1) et à recevoir un courant d’entrée (iE);
- une borne de sortie (BS) destinée à présenter une tension de sortie (VS) par rapport à la masse électrique (GND1);
- une inductance principale (Lm) présentant des première et deuxième bornes (A, M) entre lesquelles l’inductance principale (Lm) présente une tension d’inductance (uLm), la première borne (A) de l’inductance principale (Lm) étant connectée à la borne d’entrée (BE) de manière à recevoir un courant d’inductance (iLm) formé d’au moins une partie du courant d’entrée (iE);
- un interrupteur commandable (Q1) présentant des première et deuxième bornes (D, S) respectivement connectées à la deuxième borne (M) de l’inductance principale (Lm) et à la masse électrique (GND1); et
- un dispositif (116) de commande de l’interrupteur commandable (Q1), conçu, pour chacun d’une pluralité de cycles successifs comportant chacun une phase de charge et une phase de décharge, pour:
- déterminer un rapport cyclique de la phase de charge,
- pendant la phase de charge, fermer l’interrupteur commandable (Q1) pour connecter la deuxième borne (M) de l’inductance principale (Lm) à la masse électrique (GND1) pour faire augmenter le courant d’inductance (iLm), et
- pendant la phase de décharge, ouvrir l’interrupteur commandable (Q1) pour connecter la deuxième borne (M) de l’inductance principale (Lm) à la borne de sortie (BS) pour faire diminuer le courant d’inductance (iLm);
caractérisé en ce qu’il comporte en outre un dispositif de génération de tension placé à la suite de l’inductance (Lm) et conçu pour générer, lors de la phase de décharge mais pas lors de la phase de charge, une tension supplémentaire (u) de même sens que la tension d’inductance (uL m). - Dispositif (108) selon la revendication 1, dans lequel la tension supplémentaire (u) est proportionnelle à la tension d’inductance (uLm) selon un coefficient de proportionnalité prédéfini.
- Dispositif (108) selon la revendication 2, comportant en outre une inductance couplée comportant un enroulement primaire (N1) présentant l’inductance principale (Lm), un enroulement secondaire (N2) fournissant la tension complémentaire (u) et un circuit (112) de couplage magnétique des enroulements (N1, N2).
- Dispositif (108) selon la revendication 2 ou 3, comportant une inductance de prise (110) formant au moins en partie les enroulements (N1, N2) et le circuit de couplage magnétique (112).
- Dispositif (108) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’interrupteur commandable (Q1) présente une capacité (Cr) entre ses bornes (D, S), et comportant en outre une inductance secondaire (Lr) au travers de laquelle la première borne (D) de l’interrupteur commandable (Q1) est connectée à la deuxième borne (M) de l’inductance principale (Lm).
- Dispositif (108) selon les revendications 4 et 5 prises ensemble, dans lequel l’inductance secondaire (Lr) est formée au moins en partie par une inductance parasite de l’inductance de prise (110).
- Dispositif (108) selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la capacité secondaire (Cr) est formée au moins en partie par une capacité parasite (Cr1) de l’interrupteur commandable (Q1).
- Dispositif (108) selon la revendication 7, dans lequel la capacité secondaire (Cr) comporte en outre une capacité (Cr2) ajoutée entre les bornes (D, S) de l’interrupteur commandable (Q1).
- Dispositif (108) selon l’une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel la capacité (Cr) est supérieure ou égale à
- Système électrique (100) comportant:
- un redresseur (106) conçu pour fournir une tension redressée à partir d’une tension alternative (Va), et
- un dispositif de correction de facteur de puissance (108) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la tension d’entrée (VE) est la tension redressée.
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