FR3129543A1 - Procede de commande d’un convertisseur de tension - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé de commande d’un convertisseur de tension (1000) consistant à commuter les interrupteurs (Q1-Q4) des bras d’onduleur (110, 210) des circuits primaire (100) et secondaire (200) pour délivrer une tension de sortie (Vout), caractérisé en ce que lorsque la puissance absorbée entre les bornes d’entrée (B1, B2) du circuit primaire (100) est comprise en entre deux seuils prédéterminés, les interrupteurs (Q1, Q2) du circuit primaire (100) sont commandés pour effectuer deux fois plus de commutations que les interrupteurs (Q3, Q4) du circuit secondaire (200) sur une période donnée. Figure pour brevet : Figure 1

Description

PROCEDE DE COMMANDE D’UN CONVERTISSEUR DE TENSION
L’invention se rapporte au domaine des convertisseurs de puissance électrique, permettant de délivrer une tension continue.
L’invention concerne plus particulièrement un convertisseur de tension permettant de limiter les pertes énergétiques lors de la commutation des interrupteurs, notamment pour des puissances inférieures à un seuil prédéterminé.
ETAT DE LA TECHNIQUE
De manière classique, les convertisseurs de tension continu/continu permettent de convertir une énergie électrique continue, présentant un niveau de tension donné, en une énergie continue présentant un autre niveau de tension, qu’il soit supérieur ou inférieur.
Les applications sont nombreuses. On peut par exemple citer la conversion continue/continue au sein de réseaux embarqués avioniques ou ferroviaires ou encore les chargeurs de batterie des appareils électroniques ou des véhicules électriques.
L’invention concerne plus particulièrement les convertisseurs «Dual Active Bridge» (DAB) dans la littérature anglosaxonne. Ces convertisseurs présentent une structure électronique particulière reposant sur un élément inductif central, tel qu’un transformateur. Un premier enroulement du transformateur est relié à un circuit primaire comportant deux bornes destinées à être reliées directement ou indirectement à une source de tension alternative ou continue. Le circuit primaire comporte en outre un bras d’onduleur comportant deux interrupteurs, formant ainsi une structure dite en «demi-pont» ou en «pont complet» lorsque deux bras d’onduleur sont présents. Le second enroulement de l’élément inductif est relié à un circuit secondaire fournissant une tension continue de sortie. Le circuit primaire comporte également un bras d’onduleur comportant deux interrupteurs, formant ainsi une structure en demi-pont ou en pont complet lorsque deux bras d’onduleur sont présents.
Un exemple de convertisseur de type DAB alimenté par une source de tension alternative est illustré dans le document FR3099663.
En faisant commuter les interrupteurs des circuits primaire et secondaire à des fréquences prédéterminées, qui peuvent d’ailleurs varier au cours du temps, il est possible de moduler la tension de sortie du convertisseur.
Cependant, en dehors de certaines plages de puissance prédéterminées, les composants du convertisseur chauffent de manière excessive, ce qui peut conduire à la diminution des performances du convertisseur, voire à la diminution de sa durée de vie.
Ainsi, il est recherché de limiter ces échauffements en faisant commuter les interrupteurs des bras d’onduleur du convertisseur lorsque la tension à leurs bornes est nulle. La commutation en «Zero Voltage Switching» (ZVS) dans la littérature anglosaxonne peut s’obtenir en utilisant le courant présent dans l’élément inductif du convertisseur pour décharger les capacités parasites présentes aux bornes des interrupteurs des bras d’onduleur. Lorsque la capacité parasite est déchargée, la tension est alors égale à zéro et la mise en conduction de l'interrupteur peut être provoquée avec un minimum d’énergie dissipée sous forme de chaleur. Cependant, cette solution nécessite généralement de connaitre la valeur du courant instantané. Or la détection instantanée d’une grandeur, et sa prise en compte sans délai pour une action quasi immédiate est très complexe à mettre en œuvre au sein d’un convertisseur de tension.
En outre, le fonctionnement actuel des convertisseurs de type DAB ne permet pas de maintenir les conditions de commutation en ZVS sur toute la plage de puissance transmise. En effet, lorsque la puissance transmise diminue et passe en dessous d’un seuil prédéterminé, le courant traversant l’élément inductif central est trop faible pour permettre de réaliser des commutations en ZVS.
Le problème technique que se propose de résoudre l’invention est de mettre au point un procédé de commande d’un convertisseur de tension permettant de limiter les pertes énergétiques lors de la commutation des interrupteurs, notamment pour des puissances inférieures à un seuil prédéterminé.
Pour résoudre ce problème, le Demandeur a mis au point un procédé de commande de deux catégories principales de convertisseurs de tension. Une première catégorie concerne les convertisseurs directement alimentés par une source de tension continue, telle qu’une batterie. La seconde catégorie concerne les convertisseurs alimentés par une source de tension alternative.
Ainsi, selon un premier aspect, l’invention porte sur un procédé de commande d’un convertisseur de tension comprenant :
un circuit primaire comportant :
deux bornes principales destinées à être connectées à une source délivrant une tension d’entrée continue,
au moins un premier bras d’onduleur comportant deux interrupteurs, le bras premier d’onduleur étant connecté auxdites bornes d’entrée,
un premier bras capacitif comportant au moins deux éléments capacitifs, le premier bras capacitif étant monté en parallèle avec le premier bras d’onduleur, et
un premier enroulement d’un transformateur, connecté entre un premier point d’interconnexion situé entre les interrupteurs du premier bras d’onduleur et un second point d’interconnexion situé entre des éléments capacitifs du premier bras capacitif, et
un circuit secondaire comportant :
au moins un second bras d’onduleur comportant deux interrupteurs,
un second bras capacitif comportant au moins deux éléments capacitifs, le second bras capacitif étant monté en parallèle avec le second bras d’onduleur, et
un second enroulement dudit transformateur, connecté entre un troisième point d’interconnexion situé entre les interrupteurs du second bras d’onduleur et un quatrième point d’interconnexion situé entre des éléments capacitifs du second bras capacitif.
Le procédé met en œuvre la commutation des interrupteurs des bras d’onduleur des circuits primaire et secondaire pour délivrer une tension de sortie.
Le procédé est caractérisé en ce que lorsque la puissance absorbée entre les bornes d’entrée par la source de tension continue du circuit primaire est comprise en entre deux seuils prédéterminés, les interrupteurs du circuit primaire sont commandés pour effectuer deux fois plus de commutations que les interrupteurs du circuit secondaire sur une période donnée.
Autrement formulé, si on appelle A la tension fournie par la source de tension continue et B la tension présente sur le second bras capacitif, la commutation des interrupteurs des bras d’onduleur des circuits primaire et secondaire permet ainsi de contrôler les échanges d'énergie entre la source de tension A et la source de tension B.
Selon un second aspect, l’invention porte également sur un procédé de commande d’un convertisseur de tension comprenant :
un circuit primaire comportant :
deux bornes principales destinées à être reliées à une source de tension alternative,
un étage redresseur délivrant une tension continue, une des bornes d’entrée de l’étage redresseur étant reliée à l’une des bornes d’entrée principale,
au moins un premier bras d’onduleur comportant deux interrupteurs le premier bras d’onduleur étant connecté entre les bornes de sortie de l’étage redresseur,
un premier bras capacitif comportant au moins deux éléments capacitifs, le premier bras capacitif étant également connecté entre les bornes de sortie de l’étage redresseur, et
un premier enroulement d’un transformateur, connecté entre un premier point d’interconnexion situé entre les interrupteurs du premier bras d’onduleur et un second point d’interconnexion connecté à l’autre borne principale, ledit second point d’interconnexion étant situé entre des éléments capacitifs du premier bras capacitif, et
un circuit secondaire comportant :
au moins un second bras d’onduleur comportant deux interrupteurs,
un second bras capacitif comportant au moins deux éléments capacitifs, le second bras capacitif étant monté en parallèle avec le second bras d’onduleur, et
un second enroulement dudit transformateur, connecté entre un troisième point d’interconnexion situé entre les interrupteurs du second bras d’onduleur et un second point d’interconnexion situé entre les éléments capacitifs du second bras capacitif.
Le procédé met en œuvre la commutation des interrupteurs des bras d’onduleur des circuits primaire et secondaire pour délivrer une tension de sortie.
Il se caractérise en ce que, lorsque la puissance absorbée entre les bornes d’entrée du circuit primaire est comprise en entre deux seuils prédéterminés, les interrupteurs du circuit primaire sont commandés pour effectuer deux fois plus de commutations que les interrupteurs du circuit secondaire sur une période donnée.
Ainsi, en réalisant deux fois plus de commutations des interrupteurs du circuit primaire, le courant dans l’élément inductif est maintenu à un niveau suffisant pour permettre de maintenir la commutation en ZVS dans le circuit primaire, pour des puissances transmises comprises entre les deux seuils prédéterminés. La détermination des temps nécessaires à la réalisation de la commutation en ZVS est par exemple obtenue par la résolution numérique en temps réel d’un système d’équations ou encore par le biais d’une table de correspondance.
Grâce à la commutation en ZVS, les composants du convertisseur ne s’échauffent quasiment pas, ce qui permet de prolonger la durée de vie du convertisseur et d’augmenter son rendement énergétique.
Selon l’invention, la période donnée correspond à un intervalle de temps spécifique, qui ne se reproduit pas forcément à l’identique au cours du temps. En particulier, la durée de la période peut être variable au cours du temps en fonction de la puissance délivrée par le convertisseur. A titre d’exemple, la période a une durée de l’ordre de quelques microsecondes.
En pratique, le second enroulement dudit transformateur est relié au premier point d’interconnexion par l’intermédiaire d’un élément inductif, qui peut être constitué de l’inductance de fuite du transformateur, ou inclure l’inductance de fuite et en série avec un autre élément inductif. De même, l’étage redresseur délivrant une tension continue comporte en pratique un bras d’onduleur comportant deux interrupteurs et un condensateur en sortie, monté en parallèle du bras d’onduleur.
Dans un mode de réalisation avantageux, il est également recherché de faire commuter les interrupteurs lorsque le courant qui les traverse est nul afin de limiter les pertes énergétiques par effet Joule. La commutation à courant nul, ou «Zero Current Switching» (ZCS) dans la littérature anglosaxonne, est appliquée aux interrupteurs du circuit secondaire. Ainsi, sur la période donnée, les commutations des interrupteurs du circuit secondaire sont effectuées à chaque passage par une valeur nulle du courant dans l’inductance du second enroulement, et pour un sens de variation du courant donné.
Ainsi, on ne génère pas systématiquement des commutations au passage à zéro du courant. Le courant peut donc changer de signe sans changer la polarité de la tension de sortie. Une certaine quantité d’énergie peut alors revenir au circuit primaire. Ce faisant, la plage de puissance transmise, pour laquelle les commutations en ZVS et ZCS sont maintenues, présente une borne inférieure abaissée en comparaison des procédés de commande de l’art antérieur. Ainsi, la plage de fonctionnement pour laquelle les pertes sont réduites est élargie.
En pratique, sur la période donnée, après la commutation des interrupteurs du circuit primaire, on génère une commutation supplémentaire des interrupteurs du circuit primaire après que le courant dans le second enroulement du transformateur a changé de sens, de manière à provoquer un nouveau passage par zéro dudit courant, et de manière synchrone audit nouveau passage par zéro, on génère une commutation des interrupteurs du circuit secondaire.
Selon l’invention, les interrupteurs des bras d’onduleurs du circuit primaire commutent par paire. C’est-à-dire que lorsque la tension dans le circuit primaire passe d’un état haut à un état bas ou d’un état bas à un état haut, les interrupteurs du bras d’onduleur commutent sensiblement simultanément de sorte qu’un premier interrupteur passe d’un état fermé à un état ouvert et que le second interrupteur passe d’un état ouvert à un état fermé, sans pour autant n'être jamais conducteurs en même temps. Ce fonctionnement s’applique également aux interrupteurs du circuit secondaire.
En ce qui concerne la structure électronique du convertisseur alimenté par une source de tension continue, le circuit primaire peut comporter deux bras d’onduleur de sorte à former une structure dite en pont complet.
En principe, les interrupteurs sont des interrupteurs unidirectionnels. Toutefois, dans certaines applications, les interrupteurs du circuit primaire peuvent être des interrupteurs bidirectionnels rendant ainsi possible l'application d'une tension alternative en lieu et place de la tension continue. Ces derniers sont généralement formés de deux interrupteurs en série, et peuvent permettre le contrôle du passage d'un courant dans les deux sens. Par exemple, les interrupteurs bidirectionnels peuvent être formés de deux transistors en série et reliés par leur source.
Description des figures
La manière de réaliser l’invention, ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l’appui des figures annexées dans lesquelles :
La est un schéma électrique d’un convertisseur de tension selon un premier mode de réalisation de l’invention,
La est un schéma électrique d’un convertisseur de tension selon un deuxième mode de réalisation de l’invention,
La est un diagramme illustrant l’évolution de la tension dans les circuits primaire et secondaire et du courant dans l’inductance au cours d’une période donnée pour le convertisseur de tension de la , et
La est un système d’équations permettant de déterminer les instants de commutation des interrupteurs du convertisseur de la .
Description détaillée des modes de réalisation
Dans la suite de cette description, on considère un transformateur idéal de rapport 1. Autrement dit, le rapport m=Ns/Npentre le nombre de spiresNsdu second enroulementE2,E12, et le nombre de spiresNpdu premier enroulementE1,E11est égal à 1. Cette hypothèse permet de simplifier les exemples qui suivent, mais l’invention s’applique également pour toute valeur m. Ainsi, avec m=1, le courantIstraversant le circuit secondaire du transformateur et le courantIptraversant le circuit primaire du transformateur sont tels queIs=Ip.
En outre, pour simplifier la représentation de l'état d'un interrupteurQ1-Q4,Q11-Q14, notamment sur la , un état ouvert est noté « 0 » et un état fermé est noté « 1 ».
Tel qu’illustré sur les figures 1 et 2, un convertisseur de tension1000,2000comporte un transformateur20,40monté en série avec une inductanceL1,L11, qui peut être constituée de l’inductance de fuite du transformateur, ou inclure cette dernière en série avec un élément inductif spécifique. Le transformateur20,40comporte un premier enroulementE1,E11, connecté au circuit primaire100,300et un second enroulementE2,E12, connecté au circuit secondaire200,400.
Au sein du circuit primaire100,300, une première borneP1,P11du premier enroulementE1,E11est connectée entre deux interrupteursQ1,Q2,Q11,Q12d’un bras d’onduleur110,310par l’intermédiaire de l’inductanceL1, L11, ou bien directement si cette inductance est comprise dans le transformateur20,40.
Tel qu’illustré sur la , dans un premier mode de réalisation, la seconde borneP2du premier enroulement E1 est connectée entre deux condensateurs C1, C2 d’un bras capacitif 120. La tension d’entrée Vin est mesurée entre les bornes principales B1 et B2, reliées aux bornes du bras capacitif 120. Les bornes principales B1, B2 sont alimentées par une source de tension continue 10.
Tel qu’illustré sur la , dans un second mode de réalisation, la seconde borneP12du premier enroulement E11 est connectée à une borne principale B4, alimentée par une source de tension alternative 30, provenant typiquement du réseau électrique. Cette dernière est également connectée à une seconde borne principale B3, elle-même connectée à un étage redresseur 50. La tension d’entrée Vin est mesurée entre les bornes principales B3 et B4.
En variante, l’inductanceL1,L11et le transformateur20,40peuvent être permutés, c’est-à-dire que la seconde borneP2du premier enroulementE1peut être connectée, par l’intermédiaire de l’inductanceL1, entre les deux condensateursC1,C2d’un bras capacitif120et la seconde borneP12du premier enroulementE11peut être connectée, par l’intermédiaire de l’inductanceL11, à la borne principaleB4.
L’étage redresseur50comporte un bras d’onduleur muni de deux interrupteursQ15,Q16entre lesquels la borne principaleB3est connectée. L’étage redresseur50comporte en outre un bras capacitif comportant un condensateurC15, relié aux bornes du bras d’onduleur. Les bornes de sortie de l’étage redresseur50sont connectées aux bornes du bras d’onduleur310. En outre, le bras d’onduleur310est lui-même connecté à un bras capacitif320comportant au moins deux condensateursC11, C12.
Sur les deux figures 1 et 2, au sein du circuit secondaire200,400, une première borneP3,P13du second enroulementE2,E12est connectée entre deux interrupteursQ3,Q4,Q13,Q14d’un bras d’onduleur210,410. La seconde borneP4,P14du second enroulementE2,E12est connectée entre deux condensateursC3,C4,C13,C14d’un bras capacitif220,420. La tension de sortieVoutest obtenue aux bornes du bras capacitif220,420.
Les interrupteursQ1-Q4,Q11-Q14sont commandés par un circuit de commande500,600configuré pour mettre en œuvre le procédé de commande de l’invention. Pour ce faire, le circuit de commande500,600ouvre et/ou ferme les interrupteursQ1-Q4,Q11-Q14des bras d’onduleur110,210des circuits primaire100et secondaire200pour délivrer la tension de sortie demandéeVout, quel que soit le niveau de puissance.
En pratique, le procédé de l’invention est appliqué lorsque la puissance absorbée entre les bornes d’entréeB1-B4est comprise en entre deux seuils de puissance prédéterminés.
Les interrupteursQ1,Q2,Q11,Q12du circuit primaire100,300sont alors commandés pour effectuer deux fois plus de commutations que les interrupteursQ3,Q4,Q13,Q14du circuit secondaire200,400, sur une périodePdonnée.
Les seuils de puissance prédéterminés entre lesquels l’invention s’applique sont dépendants des paramètres du convertisseur. A titre d’exemple, les seuils peuvent dépendre de la taille ou de l’âge des composants constitutifs du convertisseur, ou encore de la puissance demandée et des tensions et courants mis en jeu en sortie du convertisseur.
Le seuil supérieur est déterminé en fonction de l’intérêt de réaliser deux fois plus de commutations pour les interrupteurs du circuit primaire. En effet, à partir de ce seuil, la valeur du courant est généralement suffisante pour provoquer systématiquement le fonctionnement en ZVS. Le principe des commutations supplémentaires prévues par l’invention peut alors ne plus trouver d’intérêt.
Le seuil inférieur est déterminé en fonction du ratio des pertes énergétiques engendrées par les commutations. En effet, pour des puissances inférieures à ce seuil, effectuer deux fois plus de commutations pour les interrupteurs du circuit primaire occasionne plus de pertes énergétiques que les méthodes de commutation classiques, telles que la commutation dure ou d’impulsion par impulsion, «pulse by pulse» dans la littérature anglosaxonne. En dessous de ce seuil, il convient donc de commander les interrupteurs par l’une de ces méthodes classiques.
En pratique, le diagramme de la illustre l’évolution de la tensionUpaux bornes de l’ensemble formé par l’inductance L1 et le premier enroulement E1, et de la tension Us aux bornes du second enroulement E2, ainsi que le courant Is dans le second enroulement E2 du transformateur 20, sur une période P donnée dans un circuit correspondant à la . La description ci-dessous peut également s’appliquer au circuit de la .
Sur une première phase d’une duréedt1, les interrupteursQ1du circuit primaire etQ3du circuit secondaire sont fermés tandis que les interrupteursQ2du circuit primaire etQ4du circuit secondaire sont ouverts.
En première approximation, la tensionUpet la tensionUssont des signaux pouvant adopter deux valeurs : un état haut et un état bas. Sur la première phasedt1, la tensionUpet la tensionUssont dans un état haut. Le courantIsest croissant et sa pente proportionnelle à la valeur de l’inductance et à la différence de tension entreUpetUs.
Sur une deuxième phase d’une duréeTi1, les interrupteursQ2du circuit primaire etQ3du circuit secondaire sont fermés tandis que les interrupteursQ1du circuit primaire etQ4du circuit secondaire sont ouverts. Autrement formulé, l’interrupteurQ1passe de l’état fermé à l’état ouvert tandis que l’interrupteurQ2est refermé.
La tensionUppasse donc de l’état haut à l’état bas et la tensionUsreste inchangée. Le courantIsest alors décroissant, sa pente étant toujours proportionnelle à la différence de tension entreUpetUs. La variation du courantIsa donc changé de sens par rapport à la phase séquence précédente.
Sur une troisième phaseTr1, les interrupteursQ1du circuit primaire etQ3du circuit secondaire sont fermés tandis que les interrupteursQ2du circuit primaire etQ4du circuit secondaire sont ouverts. Autrement formulé, l’interrupteurQ1est refermé tandis que l’interrupteurQ2est à nouveau ouvert. La tension de sortieVoutne change pas car les interrupteurs Q3, Q4 du circuit secondaire n'ont pas changé d'état.
La tensionUppasse donc à nouveau à l’état haut et la tensionUsreste toujours inchangée. Le courantIsest alors de nouveau croissant et sa pente est identique à la pente de la phasedt1. Ceci permet au courant de repasser par une valeur nulle à l’instantT4, ce qui correspond à la condition de ZCS, et de déclencher la quatrième phase pour commuter les interrupteursQ3etQ4avec des pertes de commutation minimales.
Sur cette quatrième phaseTr2, les interrupteursQ1du circuit primaire etQ4du circuit secondaire sont fermés tandis que les interrupteursQ2du circuit primaire etQ3du circuit secondaire sont ouverts.
La tensionUpreste donc inchangée tandis que la tensionUspasse de l’état haut à l’état bas. Le courantIsreste croissant mais avec une pente proportionnelle à la différence de tension entreUpetUs, c’est-à-dire plus importante que pour les phasesdt1etTr1.
Sur une cinquième phaseTc2, les interrupteursQ2du circuit primaire etQ4du circuit secondaire sont fermés tandis que les interrupteursQ1du circuit primaire etQ3du circuit secondaire sont ouverts.
La tensionUppasse de l’état haut à l’état bas, tandis que la tensionUsreste à l’état bas. Le courantIsdans le second enroulementE12du transformateur est alors décroissant et passe d'une valeur positive à une valeur négative.
Sur une sixième phasedt2, les interrupteursQ1du circuit primaire etQ4du circuit secondaire sont fermés tandis que les interrupteursQ2du circuit primaire etQ3du circuit secondaire sont ouverts.
La tensionUppasse de l’état bas à l’état haut, tandis que la tensionUsreste à l’état bas. Le courantIsdans le second enroulementE2du transformateur est alors croissant avec une pente égale à celle de la phaseTr2.
La phase suivante, correspondant à la septième phase, est identique à la première phase, la période P vient d'être complètement décrite. Les interrupteursQ1du circuit primaire etQ3du circuit secondaire sont donc de nouveau fermés tandis que les interrupteursQ2du circuit primaire etQ4du circuit secondaire sont de nouveau ouverts. La tensionUpet la tensionUssont toutes deux à l’état haut et le courantIsest de nouveau croissant avec une pente égale à celle des phasesdt1etTr1. C'est le début d'une nouvelle période P.
Afin de déterminer les instants de commutation des interrupteursQ1-Q4, un système comportant 8 équations et 8 inconnues peut être établi et résolu numériquement en temps réel. En variante, une table de correspondance peut être utilisée. Les équations du système sont obtenues par la mise en œuvre de plusieurs conditions liant les paramètres électriques du schéma et leur évolution dans le temps.
La première condition concerne la commutation en ZVS des interrupteursQ1-Q2. Pour rappel, ces commutations permettent à la tension aux bornes d'un interrupteur de devenir nulle, et donc de pouvoir fermer ce dernier en limitant les pertes énergétiques. Ces commutations provoquent le changement d'état de la tensionUp. L'invention permet ainsi d'ajouter deux commutations supplémentaires, et ces deux commutations se faisant aussi en ZVS.
Sur la , ces commutations correspondent aux pointsT1et T2 des phases Tr1 et Tr2. Pour ces deux points, le courant Is vaut respectivement -Ir1 et Ir2. On obtient ainsi les équations (1) et (2) illustrées sur la .
La deuxième condition concerne la commutation en ZCS des interrupteursQ3-Q4. Pour mémoire, ces commutations ont lieu à des instants choisis où le courantIspasse par zéro. Sur la , ces commutations correspondent aux pointsT3et T4. Afin d’établir les équations, on sait que l'accroissement total du courant doit être égal à son décroissement sur une période P. Ainsi, l'accroissement du courant a lieu pendant que la tension Us est positive, c’est-à-dire pendant la durée P1-Ti1 sur la période P1 et pendant la durée P2-Tc2 sur la période P2. On obtient ainsi les équations (3) et (4) illustrées sur la .
La troisième condition concerne la tension de sortieVout, mesurée aux bornes du bras capacitif220. Ainsi, la tension de sortieVoutest la somme des tensions des condensateurC3,C4du bras capacitif, soitUc1+Uc2sur la . On obtient ainsi l’équation (5) illustrée sur la .
La quatrième condition concerne la périodePdécrite sur la . La périodePest égale à la somme de la période P1 où la tension Us est dans l’état haut et de la période P2 où la tension Us est dans l’état bas. On obtient ainsi l’équation (6) illustrée sur la .
La cinquième condition reflète le fait que la tension moyenne est nulle aux bornes du premier enroulementE1du transformateur20. Ainsi, la tension aux bornes des condensateursC1etC2est fixée. L’équation (7) illustrée sur la permet de lier les duréesTi1, Tc2, P1 et P2 en fonction du rapport souhaité entre la tension aux bornes du bras d'onduleur 310 du circuit primaire et la tension d'entrée Vin. Dans le cas de d'une source de tension d'entrée continue, correspondant à la , le rapport Uc/Vin est égal à 1/2. Dans le cas d'une source de tension alternative, correspondant à la , le rapport Uc/Vin peut varier et est choisi par le concepteur du convertisseur en fonction de la tenue en tension des composants.
La sixième condition concerne l’obtention d’une tension stable au point milieu des deux condensateursC3etC4du circuit secondaire200. Si cette tension n’est pas stabilisée, lorsque le courant présente une composante continue, la tension du point milieu entre les condensateursC3etC4peut tendre vers l’infini, ce qui risque d’endommager le convertisseur. En régime établi,C3etC4sont en série et alimentés à tour de rôle. Afin de stabiliser le point milieu, il faut répartir la tension de manière égale entre les condensateursC3etC4. La charge totale deC3doit donc être égale à la charge totale deC4sur la périodeP. Autrement dit, la différence des aires sous la courbe du courant, durant les duréesP1etP2doit être nulle. On obtient ainsi l’équation (8) illustrée sur la .
En pratique, le circuit de commande500est configuré pour mesurer la tension d’entréeVin, la tension de sortieVout, la tensionUcaux bornes du condensateurC2et le courantIsdans le second enroulementE2du transformateur20. Les variables inconnues du système sont donc les variables :Uc1,Uc2,Tr1,Tr2,P1,Ti1,P2,Tc2.
Toute méthode numérique de résolution d'équations peut permettre de déterminer numériquement la valeur de des variables. En particulier, la résolution peut être réalisée en temps réel. Avantageusement, la résolution est réalisée en quelques microsecondes.
En outre, la fréquence de fonctionnement du convertisseur n'est pas fixée, elle n'intervient donc pas dans les calculs. Les instants de commutations sont calculés directement à partir des équations de sorte qu’il est possible d'imposer des commutations ZVS aux interrupteurs du circuit primaire et des commutations ZCS aux interrupteurs du circuit secondaire afin de limiter les pertes énergétiques lors de la commutation des interrupteurs, notamment pour des puissances comprises entre deux seuils prédéterminés.

Claims (10)

  1. Procédé de commande d’un convertisseur de tension (1000) comprenant :
    - un circuit primaire (100) comportant :
    . deux bornes principales (B1, B2) destinées à être connectées à une source (10) délivrant une tension d’entrée continue (Vin),
    . au moins un premier bras d’onduleur (110) comportant deux interrupteurs (Q1,Q2) , le bras premier d’onduleur (110) étant connecté auxdites bornes d’entrée
    . un premier bras capacitif (120) comportant au moins deux éléments capacitifs (C1, C2), le premier bras capacitif (120) étant monté en parallèle avec le premier bras d’onduleur (110), et
    . un premier enroulement (E1) d’un transformateur (20), connecté entre un premier point d’interconnexion (P1) situé entre les interrupteurs (Q1, Q2) du premier bras d’onduleur (110) et un second point d’interconnexion (P2) situé entre des éléments capacitifs (C1, C2) du premier bras capacitif (120), et
    - un circuit secondaire (200) comportant :
    . au moins un second bras d’onduleur (210) comportant deux interrupteurs (Q3, Q4),
    . un second bras capacitif (220) comportant au moins deux éléments capacitifs (C3, C4), le second bras capacitif (220) étant monté en parallèle avec le second bras d’onduleur (210), et
    . un second enroulement (E2) dudit transformateur (20), connecté entre un troisième point d’interconnexion (P3) situé entre les interrupteurs (Q3, Q4) du second bras d’onduleur (210) et un quatrième point d’interconnexion (P4) situé entre des éléments capacitifs (C3, C4) du second bras capacitif (220),
    le procédé met en œuvre la commutation des interrupteurs (Q1-Q4) des bras d’onduleur (110, 210) des circuits primaire (100) et secondaire (200) pour délivrer une tension de sortie (Vout), caractérisé en ce que lorsque la puissance absorbée entre les bornes principales (B1, B2) par la source de tension continue (10) du circuit primaire (100) est comprise en entre deux seuils prédéterminés, les interrupteurs (Q1, Q2) du circuit primaire (100) sont commandés pour effectuer deux fois plus de commutations que les interrupteurs (Q3, Q4) du circuit secondaire (200) sur une période (P) donnée.
  2. Procédé de commande d’un convertisseur de tension (2000) comprenant :
    - un circuit primaire (300) comportant :
    . deux bornes principales (B3, B4) destinées à être reliées à une source de tension alternative (30),
    .un étage redresseur (50) délivrant une tension continue, une des bornes d’entrée de l’étage redresseur étant reliée à l’une des bornes d’entrée principale (B3, B4),
    . au moins un premier bras d’onduleur (310) comportant deux interrupteurs (Q11, Q12), le premier bras d’onduleur (310) étant connecté entre les bornes de sortie de l’étage redresseur (50),
    . un premier bras capacitif (320) comportant au moins deux éléments capacitifs (C11, C12), le premier bras capacitif (320) étant également connecté entre les bornes de sortie de l’étage redresseur (50), et
    . un premier enroulement (E1) d’un transformateur (40), connecté entre un premier point d’interconnexion (P11) situé entre les interrupteurs du premier bras d’onduleur (310) et un second point d’interconnexion (P12) connecté à l’autre borne principale (B3, B4), ledit second point d’interconnexion (P12) étant situé entre des éléments capacitifs (C11, C12) du premier bras capacitif (320) et
    - un circuit secondaire (400) comportant :
    . au moins un second bras d’onduleur (410) comportant deux interrupteurs (Q13, Q14),
    . un second bras capacitif (420) comportant au moins deux éléments capacitifs (C13, C14), le second bras capacitif (420) étant monté en parallèle avec le second bras d’onduleur (410), et
    . un second enroulement (E2) dudit transformateur (40), connecté entre un troisième point d’interconnexion (P13) situé entre les interrupteurs (Q13, Q14) du second bras d’onduleur (410) et un second point d’interconnexion (P14) situé entre les éléments capacitifs (C13, C14) du second bras capacitif (420),
    le procédé mettant en œuvre la commutation des interrupteurs (Q11-Q14) des bras d’onduleur (310, 410) des circuits primaire (300) et secondaire (400) pour délivrer une tension de sortie (Vout), caractérisé en ce que lorsque la puissance absorbée entre les bornes principales (B3, B4) du circuit primaire (300) est comprise en entre deux seuils prédéterminés, les interrupteurs (Q11, Q12) du circuit primaire (300) sont commandés pour effectuer deux fois plus de commutations que les interrupteurs (Q13, Q14) du circuit secondaire (400) sur une période (P) donnée.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier enroulement (E1, E11) dudit transformateur (20, 40) est relié au premier point d’interconnexion (P1, P11) par l’intermédiaire d’un élément inductif (L1, L11).
  4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’étage redresseur (50) inclut un condensateur (C15) en sortie.
  5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la durée de la période (P) est variable au cours du temps.
  6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit primaire (100) comporte deux bras d’onduleur (110).
  7. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les interrupteurs (Q1-Q4, Q11-Q14) sont des interrupteurs unidirectionnels.
  8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les interrupteurs (Q1-Q2) du circuit primaire (100) sont des interrupteurs bidirectionnels.
  9. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que sur la période (P) donnée, les commutations des interrupteurs (Q1-Q2, Q11-Q12) du circuit secondaire (200, 400) sont effectuées à chaque passage par une valeur nulle du courant (Is) dans l’inductance du second enroulement (E2, E12), et pour un sens de variation du courant (Is) donné.
  10. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que sur la période (P) donnée, après la commutation des interrupteurs (Q11, Q12, Q1, Q2) du circuit primaire (100, 300), on génère une commutation supplémentaire des interrupteurs (Q11, Q12, Q1, Q2) du circuit primaire (100, 300) après que le courant (Is) dans le second enroulement (E2, E12) du transformateur a changé de sens, de manière à provoquer un nouveau passage par zéro dudit courant (Is), et de manière synchrone audit nouveau passage par zéro, on génère une commutation des interrupteurs (Q13, Q14, Q3, Q4) du circuit secondaire (200, 400).
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