WO2023131755A1 - Convertisseur dc/dc pour un reseau electrique propulsif d'aeronef - Google Patents

Convertisseur dc/dc pour un reseau electrique propulsif d'aeronef Download PDF

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WO2023131755A1
WO2023131755A1 PCT/FR2022/052514 FR2022052514W WO2023131755A1 WO 2023131755 A1 WO2023131755 A1 WO 2023131755A1 FR 2022052514 W FR2022052514 W FR 2022052514W WO 2023131755 A1 WO2023131755 A1 WO 2023131755A1
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transistors
storage unit
transformer
rectifier
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PCT/FR2022/052514
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Thomas Michel André Gérard BARRACO
Thomas Klonowski
Serge Lionel Pierfederici
Mathieu Robert WEBER
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Safran Helicopter Engines
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite De Lorraine
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Definitions

  • the invention relates to the field of aircraft propulsion electrical networks and relates, in particular, to a DC/DC converter for such a network.
  • a hybrid propulsion architecture 101 generally comprises:
  • a rectifier 109 connected to the electric generator 107 and configured to convert an alternating current (in this case a three-phase current) delivered by the electric generator 107 into a direct current
  • DC high voltage bus 111 connecting the rectifier 109 to the DC/AC converters 113a and 113b, - electric motors 115a and 115b connected to the DC/AC converters 113a and 113b so that in operation the DC/AC converters 113a and 113b supply the electric motors 115a and 115b with alternating current, and
  • Architecture 101 also includes an electrical energy storage unit 119 (also called “HVDC storage” meaning high voltage direct current storage), such as, for example, a battery.
  • This electrical storage unit performs the following functions: absorb excess electrical energy from the HVDC bus, provide additional electrical energy supply during transient phases, or serve as the main energy source with the motor thermal or as a replacement for this thermal engine, in the event of failure for example.
  • the storage unit 119 absorbs this excess electrical energy in order to protect the components of the HVDC bus.
  • the internal combustion engine 103 from a source of fossil fuel, the internal combustion engine 103, the electric generator 107 and an electric propulsion chain composed of DC/AC converters 113a and 113b, electric motors 115a and 115b and propellers 117a and 117b make it possible to fly an aircraft with multi-rotary wings.
  • An aircraft comprising such a hybrid propulsion architecture is multi-rotor, which makes it possible to have additional degrees of freedom, compared to conventional aircraft, with regard to the controllability of the aircraft, for example, braking, strategy avoidance, change of direction, or tilting of the rotors.
  • such an architecture can be used for an aircraft of the VTOL type (from the English “Vertical take-off and Landing”) or for an aircraft of the CTOL type (from the English “Conventional Take-Off and Landing”). ").
  • this electrical energy storage unit may or may not be associated with a DC/DC converter whose role is in particular to adapt the voltage level and the current level delivered by the storage unit.
  • the electrical energy storage unit is connected to the rest of the propulsion electrical network without using a DC/DC converter.
  • a direct connection We are talking about a direct connection.
  • the direct connection of one or more batteries makes it possible to minimize the mass of the complete electrical network. Indeed, the addition of a DC/DC converter has a cost in terms of mass but also in terms of volume, efficiency, heat dissipation and complexity of control.
  • the network voltage level impacts the state of charge of the battery(ies). As this varies, the electrical quantities of the batteries vary accordingly.
  • a second approach is that which consists in using a DC/DC converter at the interface between the electrical energy storage unit and the rest of the propulsion electrical network.
  • the addition of such a DC/DC converter has multiple advantages.
  • the voltage of the electrical energy storage unit is decoupled from that of the rest of the propulsion electrical network, which makes it possible to maintain a different voltage level between the energy storage unit and that of the HVDC bus.
  • the DC/DC converter can be step-up and/or step-down, i.e. it can make it possible to increase or decrease the voltage at its output compared to that which the storage unit electrical energy supplied to it as input.
  • the DC/DC converter when the DC/DC converter is of the current reversible type, it is also possible to control the energy level, also called state of charge (corresponding to the English acronym SOC for "State of Charge”) of the unit energy storage.
  • Such a DC/DC converter at the interface between the electrical energy storage unit and the rest of the propulsion electrical network also makes it possible to add, if necessary, a galvanic insulation property (i.e. say the absence of a conductive connection between two parts of the electrical network).
  • the DC/DC converter then has a structure called in complete bridges, for example a structure in controlled complete bridges known under the name DAB, which is the acronym of "Dual Active Bridge".
  • DC/DC converters are sized to transmit the total power of the electrical energy storage unit, which necessarily involves a large mass of passive components and current/voltage ratings (i.e. capacities at pass high currents/voltages) depending on the case of use. Moreover, the yields of such systems rarely exceed 90%.
  • the present invention proposes a solution to these drawbacks.
  • the invention relates to a DC/DC converter for an aircraft propulsion electrical network intended to be connected in series with an electrical energy storage unit of said propulsion electrical network, said DC/DC converter DC comprising an inverter configured to supply a first alternating voltage from an input direct voltage coming from the electrical energy storage unit, a transformer configured to supply at least a second alternating voltage from the first voltage alternating current and a rectifier configured to provide an output direct voltage from the at least one second alternating voltage, said DC/DC converter being characterized in that it further comprises a current source, connected to the rectifier and configured to controlling the power passing through said DC/DC converter, in that the transformer comprises a primary and two secondaries, the two secondaries having a common terminal intended to be connected to a high voltage direct current (HVDC) bus of the propulsion electrical network and two other terminals connected to the rectifier, the reference levels of the DC/DC converter and the HVDC bus being connected to each other via the current source, and in that the rectifier comprises two arms, each comprising
  • the DC/DC converter according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken separately from each other or in combination with each other:
  • the current source comprises an inductance and an electrical energy storage unit.
  • the inverter comprises a plurality of transistors, preferably four transistors of the MOSFET type or of the IGBT type.
  • the transistors have a switching frequency greater than a few tens of kHz, advantageously of the order or greater than a hundred kHz.
  • the transformer is configured to lower the at least one second alternating voltage with respect to the first alternating voltage.
  • the transformer is planar type or wound type.
  • the transformer is configured to provide galvanic isolation between the primary and the two secondaries of said transformer.
  • the rectifier comprises four transistors with two transistors connected in series to each secondary of the transformer, said transistors being of the MOSFET type.
  • - diodes connected in parallel to the transistors, are configured to protect said transistors from overvoltages.
  • At least one filter preferably of the RC filter type, is connected between the transformer and the rectifier.
  • a filter preferably of the RC filter type, is connected to the terminals of each arm of the rectifier, in parallel with the transistors.
  • the invention also relates, according to a second aspect, to an aircraft propulsion electrical network comprising at least one thermoelectric source and one electrical energy storage configured to supply electrical energy to a DC high voltage bus intended to supply loads, said aircraft propulsion electrical network further comprising a DC/DC converter according to the first aspect.
  • the propulsion electrical network according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken separately from each other or in combination with each other:
  • the electrical energy storage unit is an electrolytic current source, such as for example a supercapacitor, or an electrochemical current source, such as for example a battery.
  • the propulsion electrical network further comprises a contactor configured to directly connect, when activated, a high potential of the high voltage DC bus with a high potential of the electrical energy storage unit.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of a hybrid propulsion architecture of an aircraft according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic representation of an embodiment of an aircraft propulsion electrical network according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of an embodiment of an aircraft propulsion electrical network according to the invention
  • FIG. 4 is a schematic representation of an embodiment of a DC/DC converter of an aircraft propulsion electrical network according to the invention
  • FIG. 5 is a schematic representation of an embodiment of a DC/DC converter of an aircraft propulsion electrical network according to the invention
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of a hybrid propulsion architecture of an aircraft according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic representation of an embodiment of an aircraft propulsion electrical network according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of an embodiment of an aircraft propulsion electrical network according to the invention
  • FIG. 4 is a schematic representation of an embodiment of a DC/DC converter of an aircraft propulsion electrical network according to the invention
  • FIG. 5 is a schematic representation of
  • FIG. 6 is a schematic representation of an embodiment of a DC/DC converter of an aircraft propulsion electrical network according to the invention
  • FIG. 7 is a schematic representation of an embodiment of a DC/DC converter of an aircraft propulsion electrical network according to the invention
  • FIG. 8 is a schematic representation of an embodiment of a DC/DC converter of an aircraft propulsion electrical network according to the invention
  • FIG. 9 is a schematic representation of an embodiment of a DC/DC converter of an aircraft propulsion electrical network according to the invention
  • FIG. 10 is an example of a control sequence for transistors of an inverter of a DC/DC converter according to the invention and of an alternating voltage generated by the inverter in response to this control sequence
  • FIG. 11 is an example of voltages obtained at the terminals of the two arms of a rectifier of a DC/DC converter according to the invention from the voltage generated by the inverter in the example represented in FIG. 10.
  • the propulsion electrical network 201 includes at least one thermoelectric source 203 and one electrical energy storage unit 205 which are configured to supply electrical energy to a high voltage direct current (HVDC) bus 207.
  • HVDC high voltage direct current
  • the thermoelectric source 203 comprises an internal combustion engine 203a, an electric generator 203b coupled to the internal combustion engine 203a and a rectifier 203c connected to the electric generator 203b.
  • the thermoelectric source 203 supplies direct current to the HVDC bus 207.
  • the HVDC bus 207 is intended to supply loads (not shown) such as, for example, electric motors of an aircraft.
  • the aircraft concerned may be an aircraft of the VTOL type or of the CTOL type.
  • the invention is particularly well suited to aircraft whose mass is less than 5 tons and which have an onboard mechanical power of between 50 and 2000 kW.
  • the aircraft propulsion electrical network 201 also comprises a DC/DC converter 209 (for direct current/direct current), connected in series with the electrical energy storage unit 205, at the interface between the storage unit of electrical energy 205 (also called "HVDC storage”) and the HVDC bus 207.
  • a DC/DC converter 209 for direct current/direct current
  • HVDC storage also called "HVDC storage”
  • the electrical energy storage unit 205 can be an electrolytic current source, such as for example a supercapacitor, or an electrochemical current source, such as for example a battery.
  • the energy storage unit behaves, during different operating phases, as an energy source (i.e. in source mode) or as a load (i.e. in load mode).
  • the invention also applies to an energy storage unit behaving solely as a non-reversible energy source such as a solar panel or even a battery.
  • a source of the supercapacitor type has the characteristic of being capable of supplying power peaks, that is to say high power for a very short period of time.
  • supercapacitors are very useful for responding in transient state to strong power demands which may be associated with a take-off phase of the aircraft. On the other hand, they are not adapted to a need for power over a long period of time.
  • Supercapacitors are also capable of withstanding a very large number of charge/discharge cycles.
  • a battery is not suitable for responding to power peaks. It is able to provide average power over a long period of time.
  • a battery provides great energy autonomy. On the other hand, it supports a smaller number of charge/discharge cycles.
  • the DC/DC converter 209 comprises an inductance 213 connected to the output of this assembly 215 on the one hand and to the positive terminal of the storage unit 205 on the other hand, to control the current between the storage unit 205 and the HVDC bus 207.
  • the inductor 213 forms with the assembly 215 a so-called partial power converter (or PPC for the English “Partial Power Converter”) which makes it possible, depending on the use case, not to transfer all the power emitted by the storage unit 205 to the HVDC bus 207.
  • PPC Partial Power Converter
  • an inductance and an energy storage unit connected to each other carry out the function of controlling the current which passes between the storage unit 205 and the HVDC bus 207.
  • this inductor allows, during a phase during which the storage unit 205 is charging, that the majority of the power transiting from the HVDC bus to the storage unit can pass through said inductor .
  • the yield of the set is close to 1.
  • the propulsion electrical network 201 can also comprise a contactor (not shown) configured to connect directly, when activated, a high potential of the HVDC bus 207 with a high potential of the electrical energy storage unit 205.
  • this contactor makes it possible to directly connect the electrical energy storage unit 205 to the HVDC bus 207 so that a possible failure of the DC/DC converter 209 does not lead to the loss of the energy storage unit. electric 205 or the HVDC bus 207.
  • DC/DC converter 209 for an aircraft propulsion electrical network.
  • the DC/DC converter 209 described is intended to be connected in series with an electrical energy storage unit of a propulsion electrical network such as the electrical energy storage unit 205 of the electrical propulsion network 201 described with reference to Figure 3.
  • the DC/DC converter 209 comprises an inverter 401 configured to supply an alternating voltage from a direct voltage called input voltage which is supplied by the electrical energy storage unit.
  • the inverter 401 is a single-phase inverter, that is to say it receives an alternating electric current on a transmission line made up of two parallel wires, namely, respectively, a line which includes the transistors 413a and 413c and a line which includes transistors 413b and 413d.
  • the inverter comprises four transistors 413a, 413b, 413c and 413d distributed over two rows of two transistors in series.
  • the invention applies to an inverter comprising a number of transistors greater than two on each of the two lines.
  • transistors of the MOSFET type from the English “Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor” meaning metal-oxide gate field effect transistor
  • IGBT type transistors from the English “Insulated Gate Bipolar Transistor” meaning insulated gate bipolar transistor
  • the transistors of the inverter, 413a, 413b, 413c and 413d illustrated in FIG. 4, are made of a material making it possible to obtain a high switching frequency, such as SiC (silicon carbide) for example. or GaN (Gallium Nitride). In this way the size of the magnetic components (transformers and inductance) are advantageously smaller and the volume of the inverter is minimized.
  • a high chopping frequency that is to say typically greater than a few tens of kHz, or even of the order or greater than a hundred kHz, makes it possible to increase the frequency of the signal cut (the current or the voltage at the output of the inverter and rectifier stages) and also to improve its control (current and voltage control).
  • a switching frequency of up to 30 or 40 kHz can be used.
  • transistors made of so-called wide-gap material such as SiC or GaN it is possible to go further. For example, it is possible to obtain chopping frequencies of the order of 100-200 kHz.
  • the DC/DC converter 209 also includes a transformer 403 configured to generate at least one alternating voltage from the alternating voltage supplied at the output of the inverter 401.
  • the transformer 403 is said to be step-down insofar as it is configured to generate a lower voltage at the output than at the input. Indeed, the voltage from the electrical energy storage unit used is much higher than the voltage necessary to guarantee control of the current flowing between the electrical energy storage unit and the HVDC bus, which constitutes a purpose of using the DC/DC converter as described later.
  • step-up transformer it is possible to use a so-called step-up transformer, depending in particular on whether or not the reversible nature of the electrical energy storage unit used to which the DC/DC converter is connected.
  • the electrical energy storage unit at a nominal voltage higher than the network voltage to allow ease in controlling the flow of power from the storage unit to the network.
  • the source has a lower voltage and it is necessary to couple it with a step-up transformer to allow good transfer the power from the source to the network.
  • the architecture is fixed and the type of transformer used is determined beforehand.
  • the transformer can be of the planar type or of the wound type.
  • the transformer 403 comprises a primary 403a and two secondaries 403b and 403c.
  • the transformer can be configured to achieve galvanic isolation between the primary 403a and the two secondaries 403b and 403c.
  • the two secondaries 403b and 403c have a common terminal 407 which is intended to be connected directly to the HVDC bus 207 and two other terminals 409 and 411 which are connected to the two arms of a rectifier 405 described below.
  • the DC/DC converter 209 also comprises a rectifier 405 configured to supply a DC output voltage from one or more AC voltages coming from the transformer 403.
  • the rectifier 405 is a so-called four-quadrant type rectifier.
  • the rectifier 405 comprises four transistors 415a, 415b, 415c and 415d which can also be, for example, of the MOSFET type or of the IGBT type.
  • the rectifier shown comprises two rows (two arms) of two transistors in series.
  • the invention also applies to a rectifier comprising a higher number of transistors per line.
  • the DC/DC converter 209 also comprises a current source 417, connected to the two arms of the rectifier 405 (for example, via a terminal common to these two arms), which consists, on the one hand, of an inductance and, on the other hand, either of the unit storage 205, or another storage unit.
  • the current source consists of the inductance 213 and the storage unit 205.
  • the reference levels ( and therefore the reference voltages) of the DC/DC converter 209 and the HVDC bus 207 are connected to each other via the current source (formed by the inductor 213 and the storage unit 205 ).
  • the output of the two arms of the rectifier 405 is connected to the current source 417 which is connected to a reference level of the HVDC bus 207.
  • this current source 417 which makes it possible to control the power which passes from the storage unit 205 to the HVDC bus 207.
  • the use of the current source 417 makes it possible to impose a voltage at the output of the DC/DC converter which regulates the current flowing between the electrical storage unit and the HVDC bus and, if necessary, maintains a different voltage level between the electrical energy storage unit and the HVDC bus.
  • the DC/DC converter 209 is therefore said to be at partial power due to its ability to transmit only part of the power supplied by the storage unit to which it is connected.
  • the DC/DC converter makes it possible to control the state of charge of the electrical energy storage unit independently of the voltage of the HVDC bus and to control the transient current at the terminals of the energy storage unit. electric. This last point makes it possible to preserve the integrity of the electrical energy storage unit and to avoid thermal runaways liable to degrade it.
  • the invention also applies to a propulsion electrical network which comprises several electrical energy storage units in parallel each having a DC/DC converter such as that described.
  • such a DC/DC converter can be dimensioned for the operating range of the electrical energy storage unit, that is to say according to the current and voltage ratings. Also advantageously, the DC/DC converter makes it possible to equalize the voltage of the electrical energy storage unit and that of the HVDC bus while regulating the current circulating between the two.
  • the propulsion electrical network can be reconfigured (ie an electrical energy storage unit can be added or removed) without damaging or straining an electrical energy storage unit already in use.
  • FIGS. 4 to 9 show different embodiments of a DC/DC converter for an aircraft propulsion electrical network according to the invention. These figures notably illustrate in more detail several examples of architecture of the rectifier 405 of the DC/DC converter 209.
  • transistors 415a and 415b of rectifier 405 are connected in series to secondary 403b and transistors 415c and 415d of rectifier 405 are connected in series to secondary 403c of transformer 403.
  • the gates of the two transistors connected in series to each secondary are common.
  • this configuration makes it possible to limit the number of signals required for controlling the rectifier.
  • diodes 419 connected in parallel to transistors 415a, 415b, 415c and 415d are configured to protect transistors 415a, 415b, 415c and 415d from possible overvoltages. Furthermore, in the first case, the gates of the two transistors connected in series to each secondary are common and, in the second case, the gates of the two transistors connected in series to each secondary are distinct. Finally, in the examples shown in Figure 3, Figure 8 and Figure 9, one or more filters 421 are connected to terminals of the rectifier.
  • one or more filters can be connected between the transformer and the rectifier or even between the two drains of two MOSFET type transistors on each arm of the rectifier, in parallel with the transistors.
  • filters 421 make it possible to eliminate certain unwanted frequencies from the voltage which reaches the rectifier 405.
  • the filters used are of the RC type, that is to say using the combination of a resistor and a a capacitor connected in series to filter certain frequencies.
  • FIG. 10 and FIG. 11 show an example of a command applied to a DC/DC converter according to the invention and the voltage obtained at the output of the converter from such a command.
  • FIG. 10 shows, in its left part, an example of a control sequence for the transistors of an inverter of a DC/DC converter such as that shown in FIG. 6.
  • the control sequence corresponds to a sequence of voltages applied, as a function of time (on the abscissa) to the four transistors of the inverter.
  • the voltages represented can be sent to terminals G (for gate) and S (for Source) of a MOSFET type transistor or G and E (for emitter) of an IGBT type transistor.
  • each control voltage is a square signal passing from a zero value to a positive value (normalized to 1 in the example) and having the effect, respectively, that the transistor behaves like an open or closed switch.
  • the right part of Figure 10 shows the voltage which results from this control sequence and which is applied to the primary of the transformer (called primary voltage) of the DC/DC converter.
  • Figure 11 shows examples of voltages obtained at the terminals of the two arms of a rectifier of a DC/DC converter such as that described with reference to Figure 6 from the voltage generated by the inverter according to the example given in Figure 10.
  • the top curve shows the primary voltage obtained from the control sequence applied to the inverter as described with reference to figure 10.
  • the middle curve and the bottom curve show the voltages obtained at the terminals of the two arms of the DC/DC converter rectifier (which are respectively connected to the two secondaries of the converter transformer) from this primary voltage.
  • the voltage K1 corresponds to the voltage obtained at the terminals of the line of two transistors in series 415a and 415b while the voltage K2 corresponds to the voltage obtained at the terminals of the line of two transistors in series 415c and 415d.

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Abstract

L'invention concerne un convertisseur DC/DC (209) pour un réseau électrique propulsif d'aéronef destiné à être connecté en série avec une unité de stockage d'énergie électrique dudit réseau électrique propulsif. Le convertisseur DC/DC (209) comprend un onduleur (401), un transformateur (403), un redresseur (405) et comprend en outre une source de courant (417), connectée au redresseur (405) et configurée pour contrôler la puissance transitant par l'intermédiaire dudit convertisseur DC/DC (209). Le transformateur (403) comporte un primaire (403a) et deux secondaires (403b, 403c), les deux secondaires (403b, 403c) ayant une borne commune (407) destinée à être connectée à un bus haute tension continue (207) du réseau électrique propulsif (201) et deux autres bornes (409, 411) connectées au redresseur (405). Le redresseur (405) comporte deux bras, comprenant au moins deux transistors (415a, 415b, 415c, 415d) en série chacun et connectés, d'une part, aux deux autres bornes (409, 411) du transformateur (403) et, d'autre part, à la source de courant (417).

Description

DESCRIPTION
TITRE : CONVERTISSEUR DC/DC POUR UN RESEAU ELECTRIQUE PROPULSIF D'AERONEF
Domaine technique de l'invention
L'invention est relative au domaine des réseaux électriques propulsif d'aéronef et se rapporte, en particulier, à un convertisseur DC/DC pour un tel réseau.
Arrière-plan technique
Il est connu de l'état de la technique une architecture propulsive hybride d'un aéronef, communément appelée hybridation série, qui utilise conjointement une source thermoélectrique et une unité de stockage d'énergie électrique reliées à un même bus haute tension continue (ou HVDC bus en anglais pour « High Voltage Direct Current ») qui alimente des charges d'un aéronef.
Dans ce qui suit, l'acronyme DC signifie courant continu (de l'anglais « Direct Current ») et l'acronyme AC signifie courant alternatif (de l'anglais « Alternative Current »).
Comme représenté sur la figure 1, une architecture propulsive hybride 101 comporte généralement :
- un moteur à combustion interne 103 piloté par une unité de contrôle 105,
- un générateur électrique 107 accouplé au moteur à combustion interne de sorte qu'en fonctionnement le moteur à combustion interne 103 entraîne le générateur électrique 107,
- un redresseur 109 relié au générateur électrique 107 et configuré pour convertir un courant alternatif (en l'espèce un courant triphasé) délivré par le générateur électrique 107 en un courant continu,
- des convertisseurs DC/AC (convertissant du courant alternatif en courant continu) 113a et 113b,
- un bus haute tension continue 111 reliant le redresseur 109 aux convertisseurs DC/AC 113a et 113b, - des moteurs électriques 115a et 115b reliés aux convertisseurs DC/AC 113a et 113b de sorte qu'en fonctionnement les convertisseurs DC/AC 113a et 113b alimentent les moteurs électriques 115a et 115b en courant alternatif, et
- des hélices 117a et 117b accouplées aux moteurs électriques 115a et 115b de sorte qu'en fonctionnement les moteurs électriques 115a et 115b entraînent les hélices 117a et 117b.
L'architecture 101 comporte également une unité de stockage d'énergie électrique 119 (également appelée « HVDC storage » signifiant stockage haute tension continue), comme par exemple, une batterie. Cette unité de stockage électrique permet de réaliser les différentes fonctions suivantes : absorber le surplus d'énergie électrique du bus HVDC, assurer un complément d'alimentation en énergie électrique lors de phases transitoires, ou encore servir de source d'énergie principale avec le moteur thermique ou en remplacement de ce moteur thermique, en cas de défaillance par exemple. En particulier, lorsqu'un renvoi d'énergie électrique sur le bus HVDC se produit, l'unité de stockage 119 absorbe ce surplus d'énergie électrique afin de protéger les composants du bus HVDC.
Dans une telle architecture, à partir d'une source de carburant fossile, le moteur à combustion interne 103, le générateur électrique 107 et une chaîne de propulsion électrique composée des convertisseurs DC/AC 113a et 113b, des moteurs électriques 115a et 115b et des hélices 117a et 117b permettent de faire voler un aéronef à multi- voilures tournantes.
Un aéronef comportant une telle architecture propulsive hybride est multi-rotors, ce qui permet d'avoir des degrés de liberté supplémentaires, par rapport aux aéronefs conventionnels, en ce qui concerne la pilotabilité de l'aéronef, par exemple, le freinage, la stratégie d'évitement, le changement de direction, ou encore le basculement des rotors.
D'autres exemples d'une architecture de ce type sont décrits dans le brevet EP-B1- 3519294 et dans la demande de brevet WO-A1-2019186042 dans lesquels une pluralité de générateurs de puissance moyenne sont connectés en parallèle à un bus HVDC. En outre, dans les différentes architectures connues, les bus HVDC peuvent être également multiples ou encore connectés en réseau annulaire.
Dans tous les cas, une telle architecture peut être utilisée pour un aéronef de type VTOL (de l'anglais « Vertical take-off and Landing ») ou pour un aéronef de type CTOL (de l'anglais « Conventional Take-Off and Landing »).
Dans une architecture de ce type, où les charges connectées au bus HVDC sont des moteurs électriques actionnant les hélices de l'aéronef qui fonctionnent généralement à puissance constante, il est essentiel de garder un contrôle optimal du bus HVDC pour éviter des instabilités ou encore la perte complète du bus par effondrement de la tension.
Ainsi, comme décrit plus haut, il est connu d'utiliser une unité de stockage d'énergie électrique pour permettre ce contrôle.
En outre, cette unité de stockage d'énergie électrique peut être ou non associée à un convertisseur DC/DC dont le rôle est notamment d'adapter le niveau de tension et le niveau de courant débité par l'unité de stockage.
Dans une première approche, l'unité de stockage d'énergie électrique est connectée au reste du réseau électrique propulsif sans utilisation d'un convertisseur DC/DC. On parle de connexion directe.
La connexion directe, d'une ou de plusieurs batteries (i.e. des unités de stockage d'énergie électrique) permet de minimiser la masse du réseau électrique complet. En effet, l'ajout d'un convertisseur DC/DC a un coût en termes de masse mais aussi en termes de volume, de rendement, de dissipation thermique et de complexité de contrôle.
En revanche, du fait de la nature électrochimique d'une batterie, cette configuration impose des restrictions pour protéger la batterie. En effet, la tension du réseau est imposée par la ou les batteries qui « voient » donc toutes la même tension.
De plus, le niveau de tension du réseau impacte l'état de charge de la ou des batteries. Celui-ci variant, les grandeurs électriques des batteries varient en conséquence.
Enfin, dans une configuration avec une connexion directe, l'état de charge des batteries connectées au même réseau électrique est identique. Ce qui implique que, lors de la connexion d'une batterie supplémentaire sur le réseau électrique propulsif, les tensions doivent s'équilibrer et un fort courant circule entre les batteries au cours d'un régime dit transitoire susceptible de perturber ou de dégrader le fonctionnement des éléments du réseau. L'impact de ce régime transitoire peut être limité via l'utilisation de systèmes dédiés mais ceux-ci sont potentiellement lourds et volumineux.
Une seconde approche est celle qui consiste à utiliser un convertisseur DC/DC à l'interface entre l'unité de stockage d'énergie électrique et le reste du réseau électrique propulsif.
L'ajout d'un tel convertisseur DC/DC présente des avantages multiples. Premièrement, la tension de l'unité de stockage d'énergie électrique est découplée de celle du reste du réseau électrique propulsif, ce qui permet de maintenir un niveau de tension différent entre l'unité de stockage d'énergie et celle du bus HVDC. Deuxièmement, le convertisseur DC/DC peut être élévateur et/ou abaisseur de tension, c'est-à-dire qu'il peut permettre d'augmenter ou de diminuer la tension à sa sortie par rapport à celle que l'unité de stockage d'énergie électrique lui fournit en entrée. Troisièmement, lorsque le convertisseur DC/DC est du type réversible en courant, il est en outre possible de piloter le niveau énergétique, également appelé état de charge (correspondant à l'acronyme anglais SOC pour " State of Charge") de l'unité de stockage d'énergie.
Il est ainsi possible d'utiliser plusieurs unités de stockage en parallèle, chacune disposant de son convertisseur DC/DC, indépendantes les unes des autres, et qui chacune sont protégées des variations de courants. Il est aussi possible de connecter facilement une nouvelle unité de stockage d'énergie sans risquer de provoquer un régime transitoire potentiellement néfaste.
Un tel convertisseur DC/DC à l'interface entre l'unité de stockage d'énergie électrique et le reste du réseau électrique propulsif permet aussi d'ajouter, le cas échéant, une propriété d'isolation galvanique (c'est-à-dire l'absence de liaison conductrice entre deux parties du réseau électrique). Le convertisseur DC/DC a alors une structure dite en ponts complets, par exemple une structure en ponts complets commandés connu sous l'appellation DAB, qui est l'acronyme de "Dual Active Bridge".
Toutefois, comme dit plus haut, la prise en compte de toutes ces propriétés a un coût en termes de masse, de volume, de rendement et de complexité du contrôle. En particulier, les convertisseurs DC/DC connus sont dimensionnés pour faire transiter la puissance totale de l'unité de stockage d'énergie électrique, ce qui implique nécessairement une masse importante des composants passifs et des calibres en courant/tensions (i.e. des capacités à faire transiter des courants/tensions) élevés suivant le cas d'utilisation. De plus, les rendements de tels systèmes dépassent rarement 90%.
Résumé de l'invention
La présente invention propose une solution à ces inconvénients.
À cet effet, selon un premier aspect, l'invention concerne un convertisseur DC/DC pour un réseau électrique propulsif d'aéronef destiné à être connecté en série avec une unité de stockage d'énergie électrique dudit réseau électrique propulsif, ledit convertisseur DC/DC comprenant un onduleur configuré pour fournir une première tension alternative à partir d'une tension continue d'entrée issue de l'unité de stockage d'énergie électrique, un transformateur configuré pour fournir au moins une seconde tension alternative à partir de la première tension alternative et un redresseur configuré pour fournir une tension continue de sortie à partir de l'au moins une seconde tension alternative, ledit convertisseur DC/DC étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre une source de courant, connectée au redresseur et configurée pour contrôler la puissance transitant par l'intermédiaire dudit convertisseur DC/DC, en ce que le transformateur comporte un primaire et deux secondaires, les deux secondaires ayant une borne commune destinée à être connectée à un bus haute tension continue (HVDC) du réseau électrique propulsif et deux autres bornes connectées au redresseur, , les niveaux de référence du convertisseur DC/DC et du bus HVDC étant connectés l'un à l'autre par l'intermédiaire de la source de courant, et en ce que le redresseur comporte deux bras, comprenant au moins deux transistors en série chacun et connectés, d'une part, aux deux autres bornes du transformateur et, d'autre part, à la source de courant.
Le convertisseur DC/DC selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- la source de courant comprend une inductance et une unité de stockage d'énergie électrique.
- l'onduleur comprend une pluralité de transistors, de préférence quatre transistors de type MOSFET ou de type IGBT.
- les transistors présentent une fréquence de découpage supérieure à quelques dizaines de kHz, avantageusement de l'ordre ou supérieure à une centaine de kHz.
- le transformateur est configuré pour abaisser l'au moins une seconde tension alternative par rapport à la première tension alternative.
- le transformateur est de type planaire ou de type bobiné.
- le transformateur est configuré pour réaliser une isolation galvanique entre le primaire et les deux secondaires dudit transformateur.
- le redresseur comprend quatre transistors avec deux transistors connectés en série à chaque secondaire du transformateur, lesdits transistors étant de type MOSFET.
- les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont communes.
- les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont distinctes.
- des diodes, connectées en parallèle aux transistors, sont configurées pour protéger lesdits transistors de surtensions.
- au moins un filtre, de préférence de type filtre RC, est connecté entre le transformateur et le redresseur.
- un filtre, de préférence de type filtre RC, est connecté aux bornes de chaque bras du redresseur, en parallèle aux transistors.
L'invention concerne également, selon un second aspect, un réseau électrique propulsif d'aéronef comprenant au moins une source thermoélectrique et une unité de stockage d'énergie électrique configurées pour fournir de l'énergie électrique à un bus haute tension continue destiné à alimenter des charges, ledit réseau électrique propulsif d'aéronef comprenant en outre un convertisseur DC/DC selon le premier aspect.
Le réseau électrique propulsif selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- l'unité de stockage d'énergie électrique est une source de courant électrolytique, comme par exemple une supercapacité, ou une source de courant électrochimique, comme par exemple une batterie.
- le réseau électrique propulsif comprend en outre un contacteur configuré pour connecter directement, lorsqu'il est activé, un potentiel haut du bus haute tension continue avec un potentiel haut de l'unité de stockage d'énergie électrique. L'invention concerne enfin, selon un troisième aspect, un aéronef comprenant un réseau électrique propulsif selon le second aspect.
Brève description des figures
La présente invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un exemple donné à titre illustratif et non limitatif de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'une architecture propulsive hybride d'un aéronef selon l'art antérieur ; la figure 2 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un réseau électrique propulsif d'aéronef selon l'invention ; la figure 3 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un réseau électrique propulsif d'aéronef selon l'invention ; la figure 4 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un convertisseur DC/DC d'un réseau électrique propulsif d'aéronef selon l'invention ; la figure 5 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un convertisseur DC/DC d'un réseau électrique propulsif d'aéronef selon l'invention ; la figure 6 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un convertisseur DC/DC d'un réseau électrique propulsif d'aéronef selon l'invention ; la figure 7 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un convertisseur DC/DC d'un réseau électrique propulsif d'aéronef selon l'invention ; la figure 8 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un convertisseur DC/DC d'un réseau électrique propulsif d'aéronef selon l'invention ; la figure 9 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un convertisseur DC/DC d'un réseau électrique propulsif d'aéronef selon l'invention ; la figure 10 est un exemple d'une séquence de commande de transistors d'un onduleur d'un convertisseur DC/DC selon l'invention et d'une tension alternative générée par l'onduleur en réponse à cette séquence de commande ; et la figure 11 est un exemple de tensions obtenues aux bornes des deux bras d'un redresseur d'un convertisseur DC/DC selon l'invention à partir de la tension générée par l'onduleur dans l'exemple représenté à la figure 10.
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différents modes de réalisation ont les mêmes références dans les figures.
Description détaillée de l'invention
En référence à la figure 2 et à la figure 3, nous allons maintenant décrire un réseau électrique propulsif d'aéronef 201 selon l'invention.
Le réseau électrique propulsif 201 comprend au moins une source thermoélectrique 203 et une unité de stockage d'énergie électrique 205 qui sont configurées pour fournir de l'énergie électrique à un bus haute tension continue (HVDC) 207.
Dans l'exemple représenté, la source thermoélectrique 203 comprend un moteur à combustion interne 203a, un générateur électrique 203b accouplé au moteur à combustion interne 203a et un redresseur 203c relié au générateur électrique 203b. La source thermoélectrique 203 délivre un courant continu au bus HVDC 207. Le bus HVDC 207 est destiné à alimenter des charges (non-représentées) comme par exemple des moteurs électriques d'un aéronef. L'aéronef concerné peut être un aéronef de type VTOL ou de type CTOL. L'invention est notamment bien adaptée à des aéronefs dont la masse est inférieure à 5 tonnes et qui présentent une puissance mécanique embarquée comprise entre 50 et 2000 kW.
Le réseau électrique propulsif 201 d'aéronef comprend également un convertisseur DC/DC 209 (pour courant continu/courant continu), connecté en série avec l'unité de stockage d'énergie électrique 205, à l'interface entre l'unité de stockage d'énergie électrique 205 (également appelée « HVDC storage ») et le bus HVDC 207.
De manière habituelle, un ou plusieurs condensateurs 211 sont prévus en sortie de la source thermoélectrique 203 et du convertisseur DC/DC 209. Ces condensateurs ont pour effet que les charges connectées sur le bus HVDC, c'est-à-dire l'ensemble des onduleurs et des moteurs entraînant les hélices, voient bien des sources de tension. Dans les différents modes de réalisation du réseau électrique propulsif 201, l'unité de stockage d'énergie électrique 205 peut être une source de courant électrolytique, comme par exemple une supercapacité, ou une source de courant électrochimique, comme par exemple une batterie. Dans ces deux cas, l'unité de stockage d'énergie se comporte, aux cours de différentes phases de fonctionnement, comme une source d'énergie (i.e. en mode source) ou comme une charge (i.e. en mode charge). En outre, l'invention s'applique aussi à une unité de stockage d'énergie se comportant uniquement comme une source d'énergie non réversible tel qu'un panneau solaire ou encore un pile.
Une source du type supercapacité a comme caractéristique d'être capable de fournir des pics de puissance, c'est-à-dire une forte puissance pendant un laps de temps très court. Par exemple, les supercapacités sont très utiles pour répondre en régime transitoire à de forts appels de puissance qui peuvent être associés à une phase de décollage de l'aéronef. Elles ne sont en revanche pas adaptées a un besoin de puissance sur un temps long. Les supercapacités sont par ailleurs capables de supporter un très grand nombre de cycles de charge/décharge. A l'inverse, une batterie n'est pas adaptée pour répondre à des pics de puissance. Elle est apte à fournir une puissance moyenne sur un temps long. Une batterie permet de disposer d'une grande autonomie en énergie. Par contre elle supporte un moins grand nombre de cycles de charge/décharge.
Outre la pluralité d'éléments constituant le convertisseur DC/DC 209 regroupés dans l'ensemble 215, décrits en détail plus loin en référence aux figures 4 à 9, le convertisseur DC/DC 209 selon l'invention comprend une inductance 213 connectée à la sortie de cet ensemble 215 d'une part et à la borne positive de l'unité de stockage 205 d'autre part, pour piloter le courant entre l'unité de stockage 205 et le bus HVDC 207.
En particulier, l'inductance 213 forme avec l'ensemble 215 un convertisseur dit de puissance partiel (ou PPC de l'anglais « Partial Power Converter ») qui permet, selon les cas d'usage, de ne pas transférer toute la puissance émise par l'unité de stockage 205 vers le bus HVDC 207.
Dans les exemples représentés à la figure 2 et à la figure 3, c'est l'association de l'inductance 213 connectée à l'unité de stockage 205 qui permet de contrôler le niveau du courant transitant entre l'unité de stockage 205 et le bus HVDC 207. Toutefois, dans d'autres modes de réalisation (non-représentés), cette fonction peut être obtenue par l'association de cette même inductance 213 connectée en sortie de l'ensemble 215 avec une autre unité de stockage d'énergie du réseau électrique propulsif 201.
Dans tous les cas, une inductance et une unité de stockage d'énergie connectées l'une à l'autre réalisent la fonction de pilotage du courant qui transite entre l'unité de stockage 205 et le bus HVDC 207.
En outre, l'utilisation de cette inductance permet, lors d'une phase au cours de laquelle l'unité de stockage 205 se charge, que la majorité de la puissance transitant du bus HVDC vers l'unité de stockage peut transiter par ladite inductance. Ainsi, dans ce cas, le rendement de l'ensemble est proche de 1.
En outre, dans un mode de réalisation particulier, le réseau électrique propulsif 201 peut également comprendre un contacteur (non-représenté) configuré pour connecter directement, lorsqu'il est activé, un potentiel haut du bus HVDC 207 avec un potentiel haut de l'unité de stockage d'énergie électrique 205.
Avantageusement, ce contacteur permet de connecter directement l'unité de stockage d'énergie électrique 205 au bus HVDC 207 de sorte qu'une éventuelle défaillance du convertisseur DC/DC 209 n'entraine pas la perte de l'unité de stockage d'énergie électrique 205 ou du bus HVDC 207.
En référence à la figure 4, nous allons maintenant décrire un mode de réalisation d'un convertisseur DC/DC pour un réseau électrique propulsif d'aéronef. Le convertisseur DC/DC 209 décrit est destiné à être connecté en série avec une unité de stockage d'énergie électrique d'un réseau électrique propulsif tel que l'unité de stockage d'énergie électrique 205 du réseau électrique propulsif 201 décrit en référence à la figure 3.
Dans l'exemple représenté, le convertisseur DC/DC 209 comprend un onduleur 401 configuré pour fournir une tension alternative à partir d'une tension continue dite tension d'entrée qui est fournie par l'unité de stockage d'énergie électrique. L'onduleur 401 est un onduleur monophasé c'est-à-dire qu'il reçoit un courant électrique alternatif sur une ligne de transmission constituée de deux fils parallèles, à savoir, respectivement, une ligne qui comprend les transistors 413a et 413c et une ligne qui comprend les transistors 413b et 413d.
Dans l'exemple représenté, l'onduleur comprend quatre transistors 413a, 413b, 413c et 413d répartis sur deux lignes de deux transistors en série. Toutefois, l'homme du métier appréciera que l'invention s'applique à un onduleur comprenant un nombre de transistors supérieur à deux sur chacune des deux lignes.
Il peut s'agir, par exemple, de transistors de type MOSFET (de l'anglais « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » signifiant transistor à effet de champ à grille métal-oxyde) ou encore de transistors de type IGBT (de l'anglais « Insulated Gate Bipolar Transistor » signifiant transistor bipolaire à grille isolée).
Dans un mode de réalisation avantageux, les transistors de l'onduleur, 413a, 413b, 413c et 413d illustrés en figure 4, sont réalisés dans un matériau permettant d'obtenir une fréquence de découpage élevée comme par exemple du SiC (Carbure de Silicium) ou encore du GaN (Nitrure de Gallium). De cette façon la taille des composants magnétiques (transformateurs et inductance) sont avantageusement plus petits et le volume de l'onduleur est minimisé.
De plus, l'utilisation d'une fréquence de découpage élevée, c'est-à-dire typiquement supérieure à quelques dizaines de kHz, voire de l'ordre ou supérieure à une centaine de kHz, permet d'augmenter la fréquence du signal découpé (le courant ou la tension en sortie des étages onduleur et redresseur) et aussi d'améliorer son contrôle (contrôle du courant et de la tension).
A titre d'exemple, avec des transistors de type IGBT on peut utiliser une fréquence de découpage allant jusqu'à 30 ou 40kHz. Avec des transistors en matériau dit à grand gap tel que SiC ou GaN, il est possible d'aller au-delà. Par exemple, il est possible d'obtenir des fréquences de découpage de l'ordre de 100-200kHz.
Le convertisseur DC/DC 209 comprend également un transformateur 403 configuré pour générer au moins une tension alternative à partir de la tension alternative fournie en sortie de l'onduleur 401.
Dans l'exemple représenté, le transformateur 403 est dit abaisseur dans la mesure où il est configuré pour générer une tension plus faible en sortie qu'en entrée. En effet, la tension issue de l'unité de stockage d'énergie électrique utilisée est largement supérieure à la tension nécessaire pour garantir le contrôle du courant circulant entre l'unité de stockage d'énergie électrique et le bus HVDC, ce qui constitue un objectif de l'utilisation du convertisseur DC/DC comme décrit plus loin.
Toutefois, dans certains modes de réalisation de l'invention, il est possible d'utiliser un transformateur dit élévateur, en fonction notamment du caractère réversible ou non de l'unité de stockage d'énergie électrique utilisée à laquelle le convertisseur DC/DC est connecté. En effet, classiquement, l'unité de stockage d'énergie électrique à une tension nominale supérieure à la tension du réseau pour permettre une facilité dans le contrôle du flux de puissance allant de l'unité de stockage au réseau. Toutefois, dans certains cas d'usage mois classique, la source a une tension plus faible et il est nécessaire de la coupler avec un transformateur élévateur pour permettre de bien transférer la puissance de la source vers le réseau. Dans tous les cas, l'architecture est fixe et le type de transformateur utilisé est déterminé au préalable.
Par ailleurs, dans les différents modes de réalisation du convertisseur DC/DC, le transformateur peut être de type planaire ou de type bobiné.
En outre, dans l'exemple représenté du convertisseur DC/DC 209, le transformateur 403 comporte un primaire 403a et deux secondaires 403b et 403c. Avantageusement, le transformateur peut être configuré pour réaliser une isolation galvanique entre le primaire 403a et les deux secondaires 403b et 403c.
Les deux secondaires 403b et 403c ont une borne commune 407 qui est destinée à être connectée directement au bus HVDC 207 et deux autres bornes 409 et 411 qui sont connectées aux deux bras d'un redresseur 405 décrit ci-après.
En effet, le convertisseur DC/DC 209 comprend également un redresseur 405 configuré pour fournir une tension continue de sortie à partir d'une ou plusieurs tensions alternatives issues du transformateur 403.
Comme il apparaîtra plus en détail dans ce qui suit, le redresseur 405 est un redresseur dit de type quatre quadrants. En particulier, cela signifie que son architecture, associée à la manière dont il est (ou peut être) commandé, a la capacité à fournir en sortie une tension négative ou positive (i.e. d'être abaisseur ou élévateur) et également la capacité à faire circuler un courant de l'unité de stockage d'énergie électrique vers le bus HVDC ou inversement.
Autrement dit, tous les degrés de pilotage sont rendus possibles et il est possible de charger ou décharger l'unité de stockage avec une tension de batterie inférieure ou supérieure à la tension du bus HVDC.
Dans l'exemple représenté, le redresseur 405 comprend quatre transistors 415a, 415b, 415c et 415d qui peuvent être également, par exemple, de type MOSFET ou de type IGBT. Comme dans le cas de l'onduleur, le redresseur représenté comprend deux lignes (deux bras) de deux transistors en série. Toutefois, l'invention s'applique également à un redresseur comprenant un nombre de transistors plus élevé par ligne. Enfin, comme décrit plus haut en référence à la figure 2 et à la figure 3, le convertisseur DC/DC 209 comprend également une source de courant 417, connectée aux deux bras du redresseur 405 (par exemple, par l'intermédiaire d'une borne commune à ces deux bras), qui est constituée, d'une part, d'une inductance et, d'autre part, soit de l'unité de stockage 205, soit d'une autre unité de stockage.
Ainsi, dans l'exemple représenté à la figure 3, la source de courant est constituée de l'inductance 213 et de l'unité de stockage 205. En outre, comme il est également visible à la figure 3, les niveaux de référence (et donc les tensions de référence) du convertisseur DC/DC 209 et du bus HVDC 207 sont connectés l'un à l'autre par l'intermédiaire de la source de courant (formée par l'inductance 213 et l'unité de stockage 205). Dit autrement, la sortie des deux bras du redresseur 405 est connectée à la source de courant 417 qui est connectée à un niveau de référence du bus HVDC 207.
C'est cette source de courant 417 qui permet de contrôler la puissance qui transite depuis l'unité de stockage 205 vers le bus HVDC 207. En particulier, l'utilisation de la source de courant 417 permet d'imposer une tension en sortie du convertisseur DC/DC qui régule le courant transitant entre l'unité de stockage électrique et le bus HVDC et, le cas échéant, maintient un niveau de tension différent entre l'unité de stockage d'énergie électrique et le bus HVDC. Le convertisseur DC/DC 209 est donc dit à puissance partielle du fait de sa capacité à ne faire transiter qu'une partie de la puissance fournie par l'unité de stockage à laquelle il est connecté.
En conséquence, le convertisseur DC/DC permet de piloter l'état de charge de l'unité de stockage d'énergie électrique indépendamment de la tension du bus HVDC et de contrôler le courant transitoire aux bornes de l'unité de stockage d'énergie électrique. Ce dernier point permet de préserver l'intégrité de l'unité de stockage d'énergie électrique et d'éviter les emballements thermiques susceptibles de la dégrader.
En outre, l'invention s'applique aussi à un réseau électrique propulsif qui comprend plusieurs unités de stockage d'énergie électrique en parallèle disposant chacune d'un convertisseur DC/DC tel que celui décrit.
Avantageusement un tel convertisseur DC/DC peut être dimensionné pour la plage de fonctionnement de l'unité de stockage d'énergie électrique, c'est-à-dire en fonction des calibres de courant et tension. Avantageusement également, le convertisseur DC/DC permet d'égaliser la tension de l'unité de stockage d'énergie électrique et celle du bus HVDC tout en régulant le courant circulant entre les deux. Ainsi le réseau électrique propulsif peut être reconfiguré (i.e. une unité de stockage d'énergie électrique peut être ajoutée ou retirée) sans endommager ou solliciter une unité de stockage d'énergie électrique déjà utilisée.
Ensuite, lorsque la tension de l'unité de stockage d'énergie électrique et celle du bus HVDC sont proches, le rendement du convertisseur DC/DC est proche de 100% puisque dans ce cas, aucun courant ne circule entre l'unité de stockage d'énergie électrique et le bus HVDC.
Les figures 4 à 9 présentent différents modes de réalisation d'un convertisseur DC/DC pour un réseau électrique propulsif d'aéronef selon l'invention. Ces figures illustrent notamment plus en détail plusieurs exemples d'architecture du redresseur 405 du convertisseur DC/DC 209.
En particulier, à la figure 4, les transistors 415a et 415b du redresseur 405 sont connectés en série au secondaire 403b et les transistors 415c et 415d du redresseur 405 sont connectés en série au secondaire 403c du transformateur 403. En outre, dans cet exemple, les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont communes. Avantageusement, cette configuration permet de limiter le nombre de signaux requis pour la commande du redresseur.
A contrario, dans l'exemple représenté à la figure 5, les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont distinctes. Avantageusement, cette configuration permet d'augmenter les possibilités de commande du redresseur (en rendant possible une commande distincte de chaque transistor).
Dans les exemples représentés à la figure 6 et à la figure 7, des diodes 419 connectées en parallèle aux transistors 415a, 415b, 415c et 415d sont configurées pour protéger les transistors 415a, 415b, 415c et 415d de surtensions éventuelles. En outre, dans le premier cas, les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont communes et, dans le second cas, les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont distinctes. Enfin, dans les exemples représentés à la figure 3, à la figure 8 et à la figure 9, un ou plusieurs filtres 421 sont connectés à des bornes du redresseur.
Par exemple, un ou plusieurs filtres peuvent être connectés entre le transformateur et le redresseur ou encore entre les deux drains de deux transistors de type MOSFET sur chaque bras du redresseur, en parallèle aux transistors.
Ces filtres 421 permettent d'éliminer certaines fréquences non désirées de la tension qui parvient au redresseur 405. En l'espèce, les filtres utilisés sont de type RC c'est-à- dire utilisant l'association d'une résistance et d'un condensateur connectés en série pour filtrer certaines fréquences.
La figure 10 et la figure 11 montrent un exemple de commande appliquée à un convertisseur DC/DC selon l'invention et la tension obtenue en sortie du convertisseur à partir d'une telle commande.
En particulier, la figure 10 montre, dans sa partie gauche, un exemple d'une séquence de commande des transistors d'un onduleur d'un convertisseur DC/DC tel que celui représenté à la figure 6. La séquence de commande correspond à une séquence de tensions appliquées, en fonction du temps (en abscisse) aux quatre transistors de l'onduleur. Par exemple, les tensions représentées peuvent être envoyés sur les bornes G (pour grille) et S (pour Source) d'un transistor de type MOSFET ou G et E (pour émetteur) d'un transistor de type IGBT.
En particulier, les références Q.1, Q.2, Q.3 et 04 correspondent respectivement aux transistors 413a, 413b, 413c et 413d de la figure 6. Chaque tension de commande est un signal carré passant d'une valeur nulle à une valeur positive (normalisée à 1 dans l'exemple) et ayant pour effet, respectivement, que le transistor se comporte comme un interrupteur ouvert ou fermé.
La partie de droite de la figure 10 montre, la tension qui résulte de cette séquence de commande et qui est appliquée au primaire du transformateur (appelée tension primaire) du convertisseur DC/DC.
La figure 11 montre des exemples de tensions obtenues aux bornes des deux bras d'un redresseur d'un convertisseur DC/DC tel que celui décrit en référence à la figure 6 à partir de la tension générée par l'onduleur selon l'exemple donné à la figure 10. En particulier, la courbe du haut reprend la tension primaire obtenue à partir de la séquence de commande appliquée à l'onduleur telle que décrite en référence à la figure 10.
La courbe du milieu et la courbe du bas montrent les tensions obtenues aux bornes des deux bras du redresseur du convertisseur DC/DC (qui sont respectivement connectés aux deux secondaires du transformateur du convertisseur) à partir de cette tension primaire. En particulier, la tension Kl correspond à la tension obtenue aux bornes de la ligne de deux transistors en série 415a et 415b tandis que la tension K2 correspond à la tension obtenue aux bornes de la ligne de deux transistors en série 415c et 415d.
Finalement, grâce au type de convertisseur DC/DC utilisé à l'interface entre l'unité de stockage d'énergie électrique et le reste du réseau électrique propulsif, il est possible, pour le réseau électrique propulsif, de générer des puissances moyennes élevées sur une durée importante, de générer de fortes puissances électriques instantanées et de faire en sorte d'être le plus compact possible en termes de masse et de volume.

Claims

REVENDICATIONS
1. Convertisseur DC/DC (209) pour un réseau électrique propulsif (201) d'aéronef destiné à être connecté en série avec une unité de stockage d'énergie électrique (205) dudit réseau électrique propulsif (201), ledit convertisseur DC/DC (209) comprenant un onduleur (401) configuré pour fournir une première tension alternative à partir d'une tension continue d'entrée issue de l'unité de stockage d'énergie électrique (205), un transformateur (403) configuré pour fournir au moins une seconde tension alternative à partir de la première tension alternative et un redresseur (405) configuré pour fournir une tension continue de sortie à partir de l'au moins une seconde tension alternative, ledit convertisseur DC/DC (209) étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre une source de courant (417), connectée au redresseur (405) et configurée pour contrôler la puissance transitant par l'intermédiaire dudit convertisseur DC/DC (209), en ce que le transformateur (403) comporte un primaire (403a) et deux secondaires (403b, 403c), les deux secondaires (403b, 403c) ayant une borne commune (407) destinée à être connectée à un bus haute tension continue (207) du réseau électrique propulsif (201) et deux autres bornes (409, 411) connectées au redresseur (405), les niveaux de référence du convertisseur DC/DC (209) et du bus HVDC (207) étant connectés l'un à l'autre par l'intermédiaire de la source de courant (417), et en ce que le redresseur (405) comporte deux bras, comprenant au moins deux transistors (415a, 415b, 415c, 415d) en série chacun et connectés, d'une part, aux deux autres bornes (409, 411) du transformateur (403) et, d'autre part, à la source de courant (417).
2. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 1, dans lequel la source de courant (417) comprend une inductance (213) et une unité de stockage d'énergie électrique. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel l'onduleur (401) comprend une pluralité de transistors (413a, 413b, 413c, 413d), de préférence quatre transistors de type MOSFET ou de type IGBT. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 3, dans lequel les transistors (413a, 413b, 413c, 413d) présentent une fréquence de découpage supérieure à quelques dizaines de kHz, avantageusement de l'ordre ou supérieure à une centaine de kHz. Convertisseur DC/DC (209) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le transformateur (403) est configuré pour abaisser l'au moins une seconde tension alternative par rapport à la première tension alternative. Convertisseur DC/DC (209) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le transformateur (403) est de type planaire ou de type bobiné. Convertisseur DC/DC (209) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le transformateur (403) est configuré pour réaliser une isolation galvanique entre le primaire (403a) et les deux secondaires (403b, 403c) dudit transformateur (403). Convertisseur DC/DC (209) selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le redresseur (405) comprend quatre transistors (415a, 415b, 415c, 415d) avec deux transistors connectés en série à chaque secondaire du transformateur, lesdits transistors étant de type MOSFET. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 8, dans lequel les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont communes. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 8, dans lequel les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont distinctes. Convertisseur DC/DC (209) selon l'une des revendications 8 à 10, dans lequel des diodes (419), connectées en parallèle aux transistors, sont configurées pour protéger lesdits transistors de surtensions. Convertisseur DC/DC (209) selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel au moins un filtre (421), de préférence de type filtre RC, est connecté entre le transformateur et le redresseur. Convertisseur DC/DC (209) selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel un filtre (421), de préférence de type filtre RC, est connecté aux bornes de chaque bras du redresseur (405), en parallèle aux transistors (415a, 415b, 415c, 415d). Réseau électrique propulsif (201) d'aéronef comprenant au moins une source thermoélectrique (203) et une unité de stockage d'énergie électrique (205) configurées pour fournir de l'énergie électrique à un bus haute tension continue (207) destiné à alimenter des charges, ledit réseau électrique propulsif (201) d'aéronef comprenant en outre un convertisseur DC/DC (209) selon l'une des revendications précédentes. Réseau électrique propulsif (201) d'aéronef selon la revendication 14, dans lequel l'unité de stockage d'énergie électrique (205) est une source de courant électrolytique, comme par exemple une supercapacité, ou une source de courant électrochimique, comme par exemple une batterie. Réseau électrique propulsif (201) d'aéronef selon l'une des revendications 14 ou 15, comprenant en outre un contacteur configuré pour connecter directement, lorsqu'il est activé, un potentiel haut du bus haute tension continue (207) avec un potentiel haut de l'unité de stockage d'énergie électrique (205). Aéronef comprenant un réseau électrique propulsif (201) selon l'une quelconque des revendications 14 à 16.
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