Brevet FR2451128A1 — publié le 19801003

La presente invention concerne un procédé de commande de convertis- seurs de puissance à semi-conducteurs, par exemple qui délivrent à partir d'une source de courant continu, une tension ou des tensions alternatives mono ou polyphasées, selon le procédé de la modulation de durée. Un exemple d'un tel convertisseur est decrit dans l'article de E. REIMER "Design Rationale for an Integrated Power Module Inverter" 1977 IEEE/IAS International Semiconductor power converter conference. Une propriété caractéristique des interrupteurs à semi-conducteurs utilisés dans ces convertisseurs, par rapport à des interrupteurs plus anciens, interrupteurs mécaniques, thyratrons gazeux, amplificateurs magnétiques etc., est constituée par leur rapidité de commutation. Cette proprieté est avantageuse parce qu'elle entraîne une diminution de la matière des composants et dispositifs associés, notamment des filtres. L'augmentation de la frequence de commutation admise par les semi-conducteurs modernes est limitée par l'introduction des pertes de commutation qui sont sensiblement proportionnelles à cette frequence de commutation.Malgré les progrès constants des semi-conducteurs en ce domaine, tres sensibles notamment pour les transistors de puissance, la structure de leur circuit de commande aussi bien que celle du circuit de puissance doit être conçue de façon à obtenir des performances optimales en ce qui concerne notamment le domaine de la frequence de commutation accessible, et donc du dimensionnement, des composants associés, et le compromis fréquence - pertes de commutation d'autre part. L'invention a pour but d'améliorer le rendement d'un convertisseur de puissance de ce type pour obtenir une puissance massique élevée et un haut rendement énergétique compte tenu d'une forme d'onde d'une pureté spectrale donnée. L'invention a pour objet un procéde de commande de convertisseurs de puissance à semi-conducteurs, du type dans lequel on utilise la modulation de durée selon une loi de modulation prédéterminée en vue d'éliminer les harmoniques, caractérisé en ce que : on élimine préalablement de la loi de modulation tous les intervalles de commutation dont la durée est inférieure à une durée prédéterminée et on commande l'ouverture d'un transistor seulement lorsque la tension appliquee à ce transistor est dans le sens correct pour sa conduction. Selon l'invention, ladite duree prédéterminée est au moins egale à la somme des durées de l'ouverture et de la fermeture d'un transistor; l'ouver- ture d'un transistor n'est commandée en outre que lorsque le transistor conjugué est bloqué. L'invention a également pour objet un dispositif de commande de convertisseurs de puissance à semi-conducteurs pour la mise en oeuvre du procédé précité caracterise en ce qu'il comporte un circuit logique à deux mémoires et un élément de temporisation, ce circuit recevant un signal représentatif de la loi de modulation et des signaux images des tensions aux bornes des transistors du convertisseur, et délivrant un ordre de mise en conduction d'un transistor seulement lorsqu'il est soumis à une tension dans le sens correct pour sa conduction, et lorsque l'autre transistor est bloqué L'invention sera mieux comprise à l'aide des schémas et de la description ci-dessous. La figure 1 représente le schema de base d'un convertisseur continualternatif triphasé à transistors. La figure 2 représente une onde de tension caractéristique découpée en haut de façon à réaliser une onde rectangulaire comportant un taux d'harmoniques elevé, et en bas découpée de façon à réaliser une onde modulée de façon à éliminer les harmoniques jusqu'au rang n suivant un procédé connu décrit en particulier dans IEEE Transactions Vol. IA-9, n" 3 May-June 1973. La figure 3 represente un schéma du circuit de commande des transistors de la phase U de la figure 1. Sur la figure 1, la source de courant continu est representee en E, avec son point neutre au milieu, et les deux demi-tensions Ua et Ub. Chacune des phases du convertisseur continu-alternatif triphasé comprend deux transistors Ta, Tb, et deux diodes Da, Db, réunis en un point milieu au fil de phase U, V, W. Les transistors Ta, Tb sont commandés sur leur base respective par un signal de commande a, b, en provenance du circuit de la figure 3. Sur la figure 2, la partie inferieure représente une onde de tension découpée pour éliminer les harmoniques jusqu'au rang n de l'onde modulée. Cette courbe est représentative de la loi de modulation appliquée au circuit de la figure 3, pour la commande du convertisseur selon le procédé de la modulation de durée. Lorsque le rang n des harmoniques à éliminer augmente, la fréquence de commutation supportée par les transistors se traduit par des pertes croissantes et une degradation du rendement énergétique. Pour obtenir une puissance massique élevee, il est nécessaire toutefois que n soit suffisamment grand pour réduire la masse du filtre passif de sortie.Pour obtenir un compromis favorable (faible masse et rendement acceptable) il est est nécessaire d'une part d'adapter la loi théorique de modulation de façon à prendre en compte l'ensemble du convertisseur et du filtre et d'autre part de tenir compte des caractéristiques intrinseques des semi-conducteurs. Selon l'invention, on éliminera de la loi theorique de modulation tous les intervalles de temps d'une durée inférieure à une durée prDalablement choisie suffisamment basse. Cette durée est voisine de la somme des durées d'ouverture et de fermeture des transistors. Le choix de cette durée limite est fait selon l'invention en tenant compte de la fréquence de coupure du filtre de sortie, de façon à maintenir le taux d'harmoniques global très proche de sa valeur idéale tout en bénéficiant d'une réduction des pertes de commutation par la diminution du nombre de commutations. Il est en effet inutile et désavantageux de déclencher des commutations d'un transistor pour des durées trop faibles pour quels courant puisse s'établir; ce qui retarde d'autant la possibilité d'ouvrir l'autre transistor au signal suivant. Selon une autre caractéristique de l'invention, on améliore la fidélité de l'onde de tension réelle vis-à-vis de l'onde de tension théorique en réalisant une logique de commande des transistors qui prenne en compte le comportement réel de ce type de transistors. Le schema de la figure 3 pris à titre d'exemple non limitatif, represente la façon de traiter la loi de modulation relative par exemple à la phase U du schéma de la figure 1, où on a d'autre part appelé Ua et Ub les tensions mesurées aux bornes de chacun des deux transistors Ta et Tb constituant avec les diodes Da et Db un interrupteur. On appellera ua et ub les images des tensions Ua et Ub introduites dans le circuit logique et a, b les ordres effectivement appliques à la base de Ta et Tb. La conduction anterieure de Ta et Tb est mémorisée dans les mémoires Ma et Mb. Les autres constituants du circuit de la figure 3 sont essentiellement des portes électroniques conventionnelles. Si la mémoire Mb est à l'état zero (Tb non conducteur antérieurement) un ordre de conduction adressé à Ta par la loi de modulation est immédiatement transmis sur la base de Ta. Dans le cas contraire, cet ordre sera bloque tant que l'un des deux demi-interrupteurs (Ta, Da), Tb, Db) sera conducteur (Ua ou Ub = o). Un seulement de temporisation unidirectionnel R maintient le blocage pendant un tres court instant correspondant au temps d'extinction d'un transistor Ta ou Tb. Inversement, un ordre d'extinction délivre à Ta ou Tb par la loi de modulation est immédiatement transmis. La remise à zero d'une mémoire (Ma ou Mb) est obtenue de façon connue par l'excitation de l'autre (Mb ou Ma). Ainsi, selon l'invention, on assure l'allumage d'un transistor (Ta ou Tb) seulement lorsque l'autre (Tb ou Ta respectivement) est bloqué, et qu'il est lui-même (Ta ou Tb) soumis à une tension dans le sens correct pour sa conduction. Grace au découpage particulier de la loi de modulation, et à la commande des transistors par un circuit à faible puissance en fonction de cette loi, on arrive avec des éléments légers peu encombrants et peu onéreux, à fournir une onde de sortie sinusoldale avec un faible taux d'harmoniques, ce qui permet d'utiliser un filtre de sortie relativement léger. Dans les convertisseurs antérieurs, il etait nécessaire d'avoir un filtre de sortie tres volumineux qui représentait à lui seul une part importante du prix de l'appareil. Les convertisseurs selon l'invention sont adaptés en particulier aux véhicules terrestres ou aériens, où l'espace disponible est réduit, et où certaines applications exigent des ondes quasi-sinusoidales. A titre d'exemple, ces convertisseurs fonctionnent à 50 ou 400 Hz et,avec un tout petit filtre de sortie, le taux d'harmoniques est d'environ 5 %. L'efficacité du procédé selon l'invention est appréciable quand on sait qu'avec la loi de modulation théorique seule, le taux d'harmoniques est d'environ 15 %. Dans le cadre de l'invention, les signaux rectangulaires ou intervalles de commutation eliminés de la loi théorique de modulation ont, par exemple, une durée inférieure à 2 ou 3 micro-secondes. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande de convertisseurs de puissance à semi-conducteur, du type dans lequel on utilise 1a modulation de durée selon une loi de modulation prédéterminée en vue ne les harmoniques, caracterisé en ce que : on élimine prealable- ment de la loi de modulation tous les intervalles de commutation dont la dure est inférieure à une durée prédéterminée, et on commande l'ouverture dtun transistor seulement lorsque la tension appliquée N ce transistor est dans le sens correct pour sa conduction, 2.- Procéda selon la revndication 1, caractérisé en ce que ladite durée prédéterminée est au moins égale a la somme des des durées de l'ouverture et de la fermeture dun transistor. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouverture dlun transistor n'est commandée en outre que lorsque le transistor conjugué est bloqué. 4.- Dispositif de commande de convertisseurs de puissance à semi-conducteurs pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'if comporte pour chaque phase un circuit logique à deux mémoires et un élément de tetn- porisation, ce circuit recevant un signal représentatif de la loi de modulation et des signaux images des tensions aux bornes des transistor du convertisseur, et délivrant: un ordre de mise en conduction d'un transistor seulement lorsqu'il est soumis a une tension dans ie sens correct pour sa conduction, et lorsque autre transistor est bloqué.