FR3132997A1 - Dispositif à capacités flottantes et procédé de précharge des capacités d’un tel dispositif. - Google Patents
Dispositif à capacités flottantes et procédé de précharge des capacités d’un tel dispositif. Download PDFInfo
- Publication number
- FR3132997A1 FR3132997A1 FR2201646A FR2201646A FR3132997A1 FR 3132997 A1 FR3132997 A1 FR 3132997A1 FR 2201646 A FR2201646 A FR 2201646A FR 2201646 A FR2201646 A FR 2201646A FR 3132997 A1 FR3132997 A1 FR 3132997A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- cell
- transistors
- voltage
- floating
- switch
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims abstract description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 6
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 64
- 210000004460 N cell Anatomy 0.000 claims description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000011017 operating method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/4837—Flying capacitor converters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/36—Means for starting or stopping converters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
- H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/4833—Capacitor voltage balancing
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
- H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
- H03K17/0814—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Dispositif (1, 1’) à capacités flottantes, tel qu’un bras d’onduleur (1) ou un convertisseur continu-continu élévateur de tension (1’), comprenant une pluralité de N cellules de commutations (2, 2’) imbriquées les unes dans les autres et un circuit d’équilibrage (50) adapté pour présenter une fréquence de résonance égale à la fréquence de commutation des transistors, ledit circuit d’équilibrage (50) étant monté d’une part audit point milieu (70) et à ladite borne (71) de la capacité de la dernière cellule (2’). figure de l’abrégé : Figure 5a
Description
La présente invention se rapporte à un dispositif à capacités flottantes, tel qu’un onduleur ou un convertisseur continu-continu élévateur de tension, aussi appeléBoost.
Dans le domaine des véhicules automobiles électriques, il est connu que les systèmes de traction électrique à 800 V imposent des contraintes sur les semi-conducteurs qui sont usuellement dimensionnés à 1200V de tension de blocage.
Toutefois, on sait que l’utilisation en série de composants 650V via une topologie multicellulaire, ou à capacité flottante, présente plusieurs avantages :
- L’utilisation de composants de plus basse tension ont un meilleur facteur de mérite pour fonctionner à haute fréquence, tel que des transistors en nitrure de gallium ;
- Ceci permet de disposer d’une tension de sortie dont le spectre harmonique est plus favorable, d’une part à cause de la plus faible amplitude des fronts de commutation et d’autre part du fait que le premier harmonique issu des commutations est repoussé à N*Fsw, où Fswest la fréquence de commutation des transistors et N le nombre de cellules de commutation, ce qui permet un gain significatif en termes de volume de filtrage et de dynamique de pilotage du courant de sortie.
Ainsi, on connait dans l’art antérieur une topologie multicellulaire. La figure 1 d’art antérieur représente, , un bras à 2 cellules et, , sa généralisation à N cellules.
Alors que la fréquence du 1er harmonique est la fréquence de commutation des transistors multipliée par le nombre de cellule.
Dans le domaine technique, ces performances sont avantageuses en particulier pour :
- Les chargeurs monophasés embarqués pour les systèmes boost de compensation de fluctuation de puissance instantanée, en augmentant la dynamique de régulation du courant et en adressant le réseau 800V avec des composants 650V ;
- Les convertisseurs DC/DCB oostpour l’alimentation du réseau par plusieurs sources en parallèle de tension différente. Typiquement une pile à combustible et une batterie. En effet le gain en volume de filtrage est significatif, de même qu’en rendement avec l’utilisation de transistors à grandgaptels des transistors en Nitrure de Gallium par exemple ; ainsi que
- Les onduleurs pour piloter des machines innovantes où une large bande passante est nécessaire pour délivrer des tensions harmoniques multiples de la fréquence électrique fondamentale tout en pouvant filtrer le spectre issu de la commutation.
Toutefois une telle topologie présente l’inconvénient de devoir assurer la stabilité de la tension des capacités flottantes à une valeur moyenne, sur une période d’au moins 1/Fsw, de Vdc/N, 2 Vdc/N, 3 Vdc/N etc. (ce qu’on peut remarquer sur la figure 1 d’art antérieur).
Cet équilibrage se fait de façon naturelle en laissant circuler des harmoniques de courant à la fréquence de commutation des transistors et ses (N-1) multiples (N étant le nombre de cellules de commutation imbriquées).
Toutefois cet équilibrage est insuffisant voire inexistant dans 2 cas :
- La précharge du circuit haute tension, préalable à la connexion de la batterie. Dans ce cas, la 1è recapacité se charge alors que le bras multiniveaux ne débite pas de courant : l’équilibrage naturel ne peut pas se faire et seule la 1erecapacité est chargée imposant de fait la tension Vdcsur les transistors de la 1erecellule, avec un fort risque de destruction par surtension.
- En cours de fonctionnement. Si l’impédance de charge est insuffisante, le rééquilibrage des tensions des capacités flottantes est trop lent voire inexistant.
Aussi, il existe le besoin d’une solution pour assurer l’équilibrage des tensions des capacités flottantes dans les deux cas exposés précédemment.
A cet effet on propose un dispositif à capacités flottantes, tel qu’un onduleur ou un convertisseur continu-continu élévateur de tension, comprenant une pluralité de N cellules de commutations imbriquées les unes dans les autres, chaque cellule comprenant entre ses bornes de connexion deux transistors commutables en série et une capacité en parallèle des deux transistors, les N cellules étant imbriquées de sorte qu’une deuxième cellule est imbriquée dans une première cellule en étant montée entre les deux transistors en série de la première cellule ; cette imbrication étant répétée pour les N cellules imbriquées, la Nième cellule imbriquée comprenant ses deux transistors montés en série directement l’un à côté de l’autre, une tension de sortie dudit dispositif étant obtenue par la différence de potentiel entre le point milieu situé entre les deux transistors de la Nième cellule imbriquée et une borne de la capacité de la première cellule.
Le dispositif à capacités flottantes comprend un circuit d’équilibrage présentant une fréquence de résonance égale à la fréquence de commutation des transistors, ledit circuit d’équilibrage étant monté d’une part audit point milieu entre les deux transistors de la Nièmecellule et à ladite borne de la capacité de la première cellule.
Avantageusement, ledit circuit d’équilibrage comprend un circuit résonant RLC en série. Autrement dit un circuit résonant comprenant une résistance électrique, une inductance et une capacité montées en série. Ainsi ce dispositif est relativement peu coûteux à fabriquer et est particulièrement fiable.
En particulier le dispositif comprend seulement deux cellules de commutation.
Avantageusement, le dispositif à capacité flottantes comprend un filtre passe-bande, et ledit circuit d’équilibrage comprend au moins une capacité partagée avec ledit filtre passe-bande. Ainsi, on peut partager les ressources entre le filtre passe-bande et le circuit d’équilibrage.
Avantageusement, le circuit d’équilibrage comprend un interrupteur monté en série du circuit RLC. Ainsi, on peut contrôler les périodes d’équilibrage forcé ou naturel des capacités flottantes.
Avantageusement, le dispositif à capacités flottantes comprend un filtre passe-bande dont la bande passante est centrée à la fréquence de commutation des transistors, le filtre passe-bande étant connecté en parallèle à l’interrupteur.
En particulier, le dispositif comprend deux cellules de commutations.
Avantageusement, le dispositif à capacités flottantes comprend en outre un filtre passe-bas, et ledit circuit d’équilibrage comprend au moins une inductance partagée avec ledit filtre passe-bas.
L’invention concerne aussi un système de conversion de puissance comprenant au moins un dispositif à capacités flottantes tel que décrit précédemment.
L’invention concerne aussi un véhicule comprenant un système de conversion de puissance tel que décrit précédemment.
L’invention concerne aussi un procédé de précharge d’un dispositif à capacités flottantes tel que décrit précédemment, en particulier lorsque le circuit d’équilibrage comprend un interrupteur monté en série dudit circuit résonant RLC, comprenant :
- une étape de fermeture de l’interrupteur ;
- une étape de précharge des capacités flottantes de façon à commuter les transistors commutables de chaque cellule à la fréquence de commutation des transistors,
- une étape de comparaison entre la tension de la capacité de la première cellule et une tension prédéterminée;
- une étape d’ouverture de l’interrupteur lorsque ladite tension de la capacité de la première cellule est sensiblement égale à la tension prédéterminée.
- une étape de mesure de la tension de l’interrupteur, dans son état ouvert, filtrée par le filtre passe-bande ;
- une étape de fermeture de l’interrupteur si la tension mesurée dépasse un seuil de déséquilibre prédéterminé;
- une étape de précharge des capacités flottantes de façon à commuter les transistors commutables de chaque cellule à la fréquence de commutation des transistors,
- une étape de comparaison entre la tension de la capacité de la première cellule et une tension prédéterminée;
- une étape d’ouverture de l’interrupteur lorsque ladite tension de la capacité de la première cellule est sensiblement égale à la tension prédéterminée.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention en référence aux figures :
Les figures 1a et 1b représentent respectivement la topologie d’un bras d’onduleur deux niveaux à cellules imbriquées (ou capacité flottante) et sa généralisation à N cellules.
Cette topologie, connue de l’homme de l’art, présente plusieurs avantages :
- Le contenu spectral de la tension fournie est beaucoup moins riche car le spectre harmonique du découpage commence à N fois la fréquence de commutation des transistors pour une amplitude N fois plus faible.
La représente la tension produite pour un bras à 2 cellules alimentée en 800V (pour une consigne de tension triangulaire allant 0,1*800 = 80V à 0,9*800V = 720V) : l’amplitude des fronts est de 400V alors que la fréquence des créneaux de tension est double de la fréquence de commutation des transistors du bras.
Cette modification du spectre par rapport à celui d’un bras à une cellule de commutation à deux niveaux, permet de réduire significativement la taille du filtrage nécessaire pour atténuer ces harmoniques liés à la commutation des transistors.
Elle permet ainsi de mettre en série plusieurs transistors tout en garantissant un équilibrage de la tension appliquée à chacun d’eux, dans la mesure où la tension de chaque capacité flottante soit stabilisée à sa tension d’équilibre (Vdc/N, 2 Vdc/N, …. (N-1) Vdc/N).
De fait, il devient possible d’utiliser sous haute tension (typiquement 800V) des composants de plus faible tension mais avec de meilleures aptitudes à commuter à haute fréquence (typiquement des composants HEMT - «High Electron Mobility Transitor» en langue anglaise - à base de GaN).
Ces avantages permettent d’améliorer significativement les convertisseurs haute tension qui requièrent une dynamique de régulation élevée du contrôle du courant délivré, les principaux sont :
- Les convertisseurs chargés de la compensation de fluctuation de puissance instantanée pour les chargeurs monophasés (où la puissance instantanée qui est pulsée à 2 fois la fréquence du réseau produit des ondulations de courant dans la batterie en charge sans compensation),
- Les convertisseurs élévateurs, typiquement pour associer en parallèle plusieurs sources de tension, une pile à combustible et une batterie par exemple.
- Des onduleurs dont on exige une large bande passante de la tension délivrée pour compenser des déformations spatiales intrinsèques à la machine à piloter. Par exemple une machine à poudre de fer.
Pour que ces avantages restent valides, il faut garantir en permanence un bon équilibrage de la tension des capacités flottantes, et notamment :
- Dans la phase de précharge, où la tension Vdccroit (lentement via un système de précharge) de 0 à 800V par exemple, le véhicule est à l’arrêt et les convertisseurs multiniveaux ne débitent pas de courant ce qui compromet un équilibrage naturel ; et
- En cours de fonctionnement, en cas de fort transitoire sur la tension Vdc, ou en cas de dispersion de la valeur des capacités flottantes (qui doivent être de même valeur).
Ainsi les capacités flottantes sont convenablement équilibrées lorsque leur tension est à Vdc/2 dans le cas de 2 cellules ou M*Vdc/N dans le cas de la Miè mecellule lorsqu’il y a N cellules de commutations imbriquées.
Lorsque cet équilibre est atteint, chaque transistor bloque alors la même tension égale à Vdc/N.
Lors de la phase de précharge, lorsque la tension Vdc s’accroit lentement, il est nécessaire de s’assurer que la tension des capacités flottante évolue dans le même ratio.
Sachant que dans cette phase, en référence à la et 2, le bras multicellulaire ne débite pas de courant, Icharge= 0, les capacités flottantes Ci=1 à N-1 ne peuvent pas s’équilibrer.
La montre que le courant ICMd’une capacité flottante d’indice M peut être à un instant donné soit nul soit égal à Ichargeou à -Ichargeselon l’état des transistors des cellules M et M-1 qui l’entourent.
Lorsque la charge présente une impédance trop forte, le courant ICMest insuffisant pour faire varier la tension de la capacité CMavec une dynamique suffisante au regard de celle de la précharge, donc de préserver les transistors d’une surtension destructrice.
Pour assurer en permanence l’équilibrage de la tension des capacités flottantes, un circuit résonant 50, aussi appelé circuit d’équilibrage 50, est ajouté. La fréquence de résonance du circuit d’équilibrage 50 est égale à la fréquence de commutation Fswdes transistors.
Ainsi selon le mode de réalisation principal de l’invention le dispositif 1, 1’, en référence aux figures 5a, 5b et 7a et 7b, à capacités flottantes, tel qu’un onduleur 1 ou un convertisseur continu-continu élévateur de tension 1’, comprend une pluralité de N cellules de commutations 2, 2’ imbriquées les unes dans les autres, chaque cellule 2, 2’ comprenant entre ses bornes de connexion deux transistors commutables 21, 22, 21’, 22’ en série et une capacité 23, 23’ en parallèle des deux transistors 21, 22, 21’, 22’.
Les N cellules 2, 2’ sont imbriquées de sorte qu’une deuxième cellule 2 est imbriquée dans une première cellule 2’ en étant montée entre les deux transistors en série 21’, 22’ de la première cellule 2’.
Cette imbrication est répétée pour les N cellules imbriquées, la Nièmecellule imbriquée comprenant ses deux transistors 21, 22 montés en série directement l’un à côté de l’autre.
La tension de sortie Vsortiedudit dispositif 1, 1’ est ainsi obtenue par la différence de potentiel entre le point milieu 70 situé entre les deux transistors 21, 22 de la Nièmecellule imbriquée, ici la deuxième cellule 2, et la borne 71 de la capacité de la première cellule 2’.
Ce dispositif 1, 1’ comprend un circuit d’équilibrage 50, ici un circuit résonant RLC 50, comprenant une capacité Ceq, une inductance Leq et une résistance Req connectées en série. Le circuit d’équilibrage 50 est adapté pour présenter une fréquence de résonance égale à la fréquence de commutation des transistors.
Ce circuit d’équilibrage 50 est monté d’une part au point milieu 70 entre les deux transistors de la Nièmecellule et à la borne 71 de la capacité de la première cellule 2’.
Ce circuit résonant 50 permet ainsi de contrôler l’impédance de charge à cette fréquence particulière Fswet de fait assurer l’équilibrage des capacités flottantes quel que soit l’impédance de charge utile.
Selon une mise en œuvre particulière de l’invention, ce circuit peut être connecté et déconnecté par un interrupteur.
La représente de manière schématique un circuit résonant RLC 50 selon l’invention connecté en série par un interrupteur quatre quadrants qui peut être mécanique ou à semi-conducteurs.
Ainsi, lors d’un procédé de précharge, mis en œuvre par l’invention, la tension aux bornes du circuit haute-tension croit assez lentement.
Dès le début de la phase de précharge, on procède à la commutation des transistors de sorte qu’un courant apparaisse dans le circuit d’équilibrage.
Dans un mode particulier de l’invention pour un compensateur de fluctuation de puissance pour chargeur monophasé ou un bras d’onduleur, la présente le schéma où la batterie est côté haute-tension.
Une fois la batterie connectée via la fermeture de son contacteur 75, on applique un rapport cyclique continu égal au rapport VC/Vb atoù VCest la tension à laquelle on souhaite que la capacité de stockage Cstockagesoit préchargée et Vbatla tension de la batterie au moment où se ferme le contacteur.
Dans le cas d’un convertisseur DC/DC élévateur, aussi appeléB oost, représenté en , pour un véhicule hybride ou pile à combustible, le rapport cyclique appliqué durant la précharge sera au rapport Vbat/Vdcoù Vbatest la tension de la batterie connectée coté basse tension et Vdcla tension souhaitée côté haute tension, par exemple 800V.
Dans le cas d’un onduleur, tel que représenté , un rapport cyclique identique est appliqué à chaque bras alimentant une phase du moteur.
Ainsi, seul un courant homopolaire à N fois (N étant le nombre de cellules imbriquées de chaque bras) la fréquence de commutation Fswse crée dans les phases du moteur sans créer de couple.
Le circuit d’équilibrage 50 peut être déconnecté par un interrupteur 501 (visible sur les figures 5a et 5b) électronique ou électromécanique, afin que seule l’impédance de la charge utile du convertisseur assure l’équilibrage des capacités flottantes, ce qui est illustré par la .
Lors de la phase de précharge, le circuit résonant d’équilibrage 50 est systématiquement connecté puis déconnecté dès le début du fonctionnement du bras, autrement dit dès qu’il débite du courant.
La figure 4 représente, pour un bras d’onduleur 800 V à 2 niveaux la forme de la tension Vsortielorsque les capacités flottantes sont équilibrées ( ), soit une capacité flottante à 400 V, et lorsque les capacités flottantes sont déséquilibrées ( ) ici une capacité flottante à 300 V pour une même modulante triangulaire comme représentée à la .
Outre la surtension appliquée à 2 transistors, on distingue l’apparition d’un harmonique à la fréquence de commutation Fsw, alors que le 1er harmonique est à 2*Fswen cas d’équilibre.
De fait, un circuit résonant RLC 50 accordé à cette fréquence Fswconnecté en parallèle de la charge permet de faire circuler exclusivement un courant dédié à l’équilibrage avec une charge en courant à minima.
La montre également le principe d’un circuit de détection de déséquilibre via le traitement de la mesure de la tension 61 aux bornes de l’interrupteur ouvert. Au-delà d’un certain seuil de déséquilibre 63, c’est-à-dire si l’impédance de charge est inadaptée pour assurer l’équilibrage naturel des capacités flottantes, le pilotage du système 64 peut ordonner la fermeture de l’interrupteur 501 pour assurer ce rééquilibrage.
La mesure de la tension 61 aux bornes de l’interrupteur ouvert 501 du circuit RLC d’équilibrage 50 permet de mesurer cette tension et, via un filtre passe bande 62 centré sur la fréquence Fsw, détecter l’amplitude de l’harmonique à Fsw(ou proche à +/- 15% par exemple) qui est un marqueur de déséquilibre.
On considère généralement le déséquilibre significatif lorsqu’il dépasse 10% à 20% de Vdc/N (soit 40 à 80 V dans le cas de 2 niveaux pour Vdc= 800V qui est présenté).
Cette solution est avantageuse car elle ne requiert qu’un circuit analogique simple en permanence référencé à la base du bras d’onduleur (contrairement à une mesure directe de la tension des capacités flottantes).
La représente un exemple de protocole de précharge pour un circuit de compensation de fluctuations de puissance. Le circuit d’équilibrage est connecté 80 dès le début de la précharge 81 en même temps que les ordres de commutations sont lancés. La capacité intermédiaire 86 se charge grâce au courant dans le circuit d’équilibrage.
On remarque que l’équilibrage 86 cesse dès que le circuit est déconnecté 82 et reprend après sa reconnexion 83.
Ainsi, par cette phase d’équilibrage en fonctionnement on remarque les avantages suivants.
En cours de fonctionnement, l’équilibrage imparfait des capacités flottantes peut produire un courant significatif dans le circuit d’équilibrage durant une longue période (typiquement plusieurs secondes). Il est avantageux dans ce cas de déconnecter ce circuit afin de laisser l’équilibrage naturel se faire via les harmoniques de courant dans la charge.
Ainsi, une fois la phase de précharge 81 effectuée, le circuit d’équilibrage est déconnecté 82 juste avant le démarrage de la conversion.
En cas de dépassement d’un seuil de déséquilibre en cours de fonctionnement, le pilotage ordonne la fermeture de l’interrupteur 501 afin de connecter à nouveau le circuit d’équilibrage 50, tel que représenté , pendant une durée donnée avant de rouvrir le contact.
Le seuil de détection ainsi que la durée de connexion du circuit d’équilibrage peuvent être variable et fonction d’autres paramètres mesurés, en plus de la tension aux bornes du contact, tels que le courant de charge.
Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut combiner et partager des composants entre le circuit d’équilibrage RLC selon l’invention et un circuit de filtrage.
A cet effet, la représente un circuit d’équilibrage dédié et la représente un circuit d’équilibrage comprenant une inductance partagée avec le filtrage passe-bas 505 nécessaire au contrôle du courant basse-tension.
Les inductances étant les composants passifs les plus volumineux et les plus dissipatif, un partage de ce composant entre les deux fonctions peut présenter un gain de volume relativement significatif.
Claims (10)
- Dispositif (1, 1’) à capacités flottantes, tel qu’un onduleur (1) ou un convertisseur continu-continu élévateur de tension (1’), comprenant une pluralité de N cellules de commutations (2, 2’) imbriquées les unes dans les autres, chaque cellule (2, 2’) comprenant entre ses bornes de connexion deux transistors commutables (21, 22, 21’, 22) en série et une capacité (23, 23’) en parallèle des deux transistors (21, 22, 21’, 22’), les N cellules (2, 2’) étant imbriquées de sorte qu’une deuxième cellule (2) est imbriquée dans une première cellule (2’) en étant montée entre les deux transistors en série (21’, 22’) de la première cellule (2’); cette imbrication étant répétée pour les N cellules imbriquées, la Nièmecellule imbriquée comprenant ses deux transistors (21, 22) montés en série directement l’un à côté de l’autre, une tension de sortie dudit dispositif (1, 1’) étant obtenue par la différence de potentiel entre le point milieu (70) situé entre les deux transistors (21,22) de la Ni èmecellule imbriquée et une borne (71) de la capacité (23’) de la première cellule (2’);
caractérisé en ce que le dispositif (1, 1’) comprend un circuit d’équilibrage (50) présentant une fréquence de résonance égale à la fréquence de commutation (Fsw) des transistors, ledit circuit d’équilibrage (50) étant monté d’une part audit point milieu (70) entre les deux transistors de la Nièmecellule et à ladite borne (71) de la capacité de la première cellule (2’). - Dispositif à capacités flottantes (1, 1’) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit circuit d’équilibrage (50) comprend un circuit résonant RLC (50) en série.
- Dispositif à capacités flottantes (1, 1’) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit d’équilibrage (50) comprend un interrupteur (501) monté en série dudit circuit résonant RLC (50).
- Dispositif à capacités flottantes (1, 1’) selon la revendication 3, comprenant en outre un filtre passe-bande (62) dont la bande passante est centrée à la fréquence de commutation des transistors, le filtre passe-bande (62) étant connecté en parallèle à l’interrupteur (501).
- Dispositif à capacités flottantes (1, 1’) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif (1, 1’) comprend deux cellules de commutations (2, 2’).
- Dispositif à capacités flottantes selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre un filtre passe-bas (505), caractérisé en ce que ledit circuit d’équilibrage (50) comprend au moins une inductance partagée avec ledit filtre passe-bas.
- Système de conversion de puissance pour un véhicule, comprenant au moins un dispositif à capacités flottantes selon une quelconque des revendications précédentes.
- Véhicule comprenant un système de conversion de puissance selon la revendication 7.
- Procédé de précharge d’un dispositif à capacités flottantes selon la revendication 3 ou l’une quelconque des revendications 4 à 6 en combinaison avec la revendication 3, caractérisé en ce qu’il comprend :
- une étape de fermeture de l’interrupteur (501) ;
- une étape de précharge (85) des capacités flottantes (23, 23’) de façon à commuter les transistors commutables (21, 22, 21’, 22’) de chaque cellule (2, 2’) à la fréquence de commutation des transistors,
- une étape de comparaison entre la tension de la capacité (23’) de la première cellule (2’) et une tension prédéterminée;
- une étape d’ouverture de l’interrupteur (501) lorsque ladite tension de la capacité de la première cellule est sensiblement égale à la tension prédéterminée.
- Procédé de précharge d’un dispositif à capacités flottantes selon la revendication 4 ou l’une quelconque des revendications 5 et 6 en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comprend :
- une étape de mesure de la tension de l’interrupteur (501), dans son état ouvert, filtrée par le filtre passe-bande (62) ;
- une étape de fermeture de l’interrupteur (501) si la tension mesurée dépasse un seuil de déséquilibre prédéterminé;
- une étape de précharge (85) des capacités flottantes (23, 23’) de façon à commuter les transistors commutables (21, 22, 21’, 22’) de chaque cellule (2, 2’) à la fréquence de commutation des transistors,
- une étape de comparaison entre la tension de la capacité (23’) de la première cellule (2’) et une tension prédéterminée;
- une étape d’ouverture de l’interrupteur (501) lorsque ladite tension de la capacité de la première cellule est sensiblement égale à la tension prédéterminée.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2201646A FR3132997A1 (fr) | 2022-02-24 | 2022-02-24 | Dispositif à capacités flottantes et procédé de précharge des capacités d’un tel dispositif. |
| PCT/EP2023/051792 WO2023160933A1 (fr) | 2022-02-24 | 2023-01-25 | Dispositif à capacités flottantes et procédé de précharge des capacités d'un tel dispositif |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2201646A FR3132997A1 (fr) | 2022-02-24 | 2022-02-24 | Dispositif à capacités flottantes et procédé de précharge des capacités d’un tel dispositif. |
| FR2201646 | 2022-02-24 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3132997A1 true FR3132997A1 (fr) | 2023-08-25 |
Family
ID=82100305
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2201646A Pending FR3132997A1 (fr) | 2022-02-24 | 2022-02-24 | Dispositif à capacités flottantes et procédé de précharge des capacités d’un tel dispositif. |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3132997A1 (fr) |
| WO (1) | WO2023160933A1 (fr) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002013364A1 (fr) * | 2000-08-10 | 2002-02-14 | Abb Ab | Procede et dispositif de mise sous tension d'un convertisseur vsc |
| US10886832B2 (en) * | 2014-03-26 | 2021-01-05 | Solaredge Technologies Ltd. | Multi-level inverter |
-
2022
- 2022-02-24 FR FR2201646A patent/FR3132997A1/fr active Pending
-
2023
- 2023-01-25 WO PCT/EP2023/051792 patent/WO2023160933A1/fr unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002013364A1 (fr) * | 2000-08-10 | 2002-02-14 | Abb Ab | Procede et dispositif de mise sous tension d'un convertisseur vsc |
| US10886832B2 (en) * | 2014-03-26 | 2021-01-05 | Solaredge Technologies Ltd. | Multi-level inverter |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| RUSFA FIQIH TRI FATHULAH ET AL: "Harmonics Suppression using a GaN-based Flying-Capacitor Multilevel Inverter with PWM Operation at 13.6 MHz", 2021 IEEE ENERGY CONVERSION CONGRESS AND EXPOSITION (ECCE), IEEE, 10 October 2021 (2021-10-10), pages 5966 - 5973, XP034019834, DOI: 10.1109/ECCE47101.2021.9596042 * |
| STALA R ET AL: "Experimental study of a multicell ac/ac converter balancing circuit", 2008 13TH INTERNATIONAL POWER ELECTRONICS AND MOTION CONTROL CONFERENCE : [EPE-PEMC 2008] ; POZNAN, POLAND, 1 - 3 SEPTEMBER 2008, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 1 September 2008 (2008-09-01), pages 345 - 349, XP031343596, ISBN: 978-1-4244-1741-4 * |
| STALA R ET AL: "Results of Investigation of Multicell Converters With Balancing Circuit-Part I", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, USA, vol. 56, no. 7, 1 July 2009 (2009-07-01), pages 2610 - 2619, XP011257423, ISSN: 0278-0046 * |
| STALA R: "The Switch-Mode Flying-Capacitor DC-DC Converters With Improved Natural Balancing", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, USA, vol. 57, no. 4, 1 April 2010 (2010-04-01), pages 1369 - 1382, XP011295454, ISSN: 0278-0046 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023160933A1 (fr) | 2023-08-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2781001B1 (fr) | Source de tension continue incluant des cellules electrochimiques a niveau de tension adaptatif | |
| FR2992490A1 (fr) | Procede de commande d'un chargeur de batterie automobile a reduction de pertes par commutation. | |
| FR3070910A1 (fr) | Chargeur de vehicule comprenant un convertisseur dc/dc | |
| EP3539204B1 (fr) | Procédé de commande d'un redresseur triphasé pour un dispositif de charge embarqué sur un véhicule électrique ou hybride | |
| FR3132997A1 (fr) | Dispositif à capacités flottantes et procédé de précharge des capacités d’un tel dispositif. | |
| EP3681756B1 (fr) | Chargeur de vehicule comprenant un convertisseur dc/dc | |
| EP2801150A1 (fr) | Systeme d'alimentation d'une charge alternative par plusieurs sources de tension continue | |
| EP3707800B1 (fr) | Procédé de commande d'un chargeur de batterie d'accumulateurs électriques | |
| EP3314739B1 (fr) | Procédé de charge d'une unité de stockage d'énergie électrique et convertisseur de tension | |
| FR3087596A1 (fr) | Systeme electrique et procede de charge d'une batterie, notamment pour vehicule | |
| FR3101489A1 (fr) | Chargeur électrique pour équipement de maintenance aéronautique | |
| EP3807984B1 (fr) | Procédé de commande d'un redresseur de vienne | |
| WO2024115197A1 (fr) | Systeme electrique d'alimentation pour vehiculeid50000149811666 pub copy null filing no.:17 | |
| WO2024115185A1 (fr) | Systeme electrique d'alimentation pour vehicule | |
| WO2023275202A1 (fr) | Système de conversion de tension et véhicule automobile comportant un tel système | |
| EP4382343A1 (fr) | Système d'alimentation électrique alimentant une charge électrique via une tension polyphasée et en outre un réseau auxiliaire via une composante homopolaire de ladite tension, installation électrique associée | |
| WO2024146983A1 (fr) | Systeme de batterie comportant des moyens de synchronisation de la tension et de regulation de courant avec un reseau d'alimentation electrique | |
| WO2024022713A1 (fr) | Système de conversion tension/courant ou courant/tension | |
| FR3137620A1 (fr) | Systeme de chargeur embarque pour des recharges a differentes tensions de borne, vehicule et procede sur la base d’un tel systeme | |
| EP2745372B1 (fr) | Convertisseur dc/dc pour systeme hybride | |
| FR3130098A1 (fr) | Module de conversion de tension et convertisseur de tension dc/dc comprenant un tel module de conversion de tension | |
| EP4099532A1 (fr) | Système d'alimentation électrique d'au moins une machine électrique de traction d'un véhicule automobile alimentée par au moins deux sources de puissance | |
| CA3183945A1 (fr) | Procede de pilotage de charge et de decharge d'une pluralite de dispositifs de stockage d'energie electrique | |
| FR3077441A1 (fr) | Procede de commande d'un redresseur triphase pour un dispositif de charge a entree triphasee. | |
| FR3129544A1 (fr) | Convertisseur d’énergie électrique apte à être connecté à deux sources d’alimentation et apte à la récupération d’énergie |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20230825 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| CA | Change of address |
Effective date: 20240301 |