Brevet FR2531822A2 — publié le 19840217

FR 2531822 A2 19840217 FR 8214249 A 19820816 ENSEMBLE DE CONVERSION STATIQUE D'ANERGIE ELECTRIQUE A SEMICONDUCTEURS L'invention concerne une application du convertisseur statique d'énergie électrique, visé dans la demande de brevet principale nO 78.32428 et plus particulièrement une application du convertisseur de base défini à l'une des revendications 1 à 8 de cette demande. L'application visée par la présente invention utilise un dispositif qui est schématisé à la figure 1 des dessins annexés et qui sera désigné globalement ci-après par la lettre grecque A . Ce dispositif Q est formé par l'association de deux convertisseurs de base tels que décrits dans la demande principale. Chacun de ces convertisseurs de base possède un transistor de puissance ayant une tenue en tension VCEX supérieure à sa tenue en tension VCEO et a pour avantage essentiel d'être utilisable dans une gamme de tension considérablement élargie sans reduction de ses performances en courant, tout en supprimant totalement les pertes énergétiques lors des commutations d'amorçage du transistor de puissance. Pour plus de précision sur ce convertisseur de base, on se reportera à la demande de brevet principale ; la structure générale dudit convertisseur est simplement rappelée ci-dessous en référence-à la figure 1 qui schématise le dispositif ss formé par l'association de deux de ces convertisseurs de base. Chaque convertisseur de base comporte un étage de puissance. 5 et un étage intermédiaire de traitement 4 ; ces convertisseurs sont commandés en opposition par un etage de commande commun 1 qui est adapté pour leur fournir des signaux de commande Sc et ' c opposés, de forme appropriée à la conversion à réaliser, notamment sous la forme de trains d'impulsions représentant des ordres de blocage et ordres de mise en conduction successifs du transistor de puissance concerné. Une entrée K permet de piloter l'étage de commande 1 en fonction de l'application envisagée. Chaque étage de puissance 5 comporte, d'une part, au moins un transistor de puissance 7 dont la base est pilotée pour assurer au niveau collecteur/émetteur la conversion désiréeS autre part, une diode 8 de récupération d'énergie, enfin, un circuit d'aide à la commutation pour dériver le courant collecteur du transistor au cours des commutations de blocage de celui-ci ; ce circuit d'aide à la commutation peut être formé par un condensateur 9 disposé en parallèle entre l'émetteur et le collecteur du transistor 7. La base de chaque transistor de puissance 7 est reliée à la sortie de l'étage intermédiaire 4 afin de déclencher les commutations dudit transistor de puissance. Cet étaye intermédiaire possède une entrée reliée à l'étage de commande 1 pour recevoir le signal Sc (ou S'c) et une autre entrée reliée à l'étage de puissance 5 pour détecter la tension collec,teur/émetteur CE du tran- sistor considéré. Il est adapte pour piloter LC la base de ce transistor de façon . à assurer une polarisation positive de ladite base afin de rendre le transistor conducteur dans le seul cas où, à la fois, - le signal de commande Sc (ou S'c) correspond à une mise en condition ET - la tension VCE se trouve voisine de zéro, et à à assurer-une polarisation néga- tive de la base dans tous les autres cas en vue de bloquer ledit transistor de puissance. Selon un mode de réalisation décrit dans la demande principale, chaque étage intermédiaire 4 peut en particulier comprendre un circuit Mv de mise en forme de la tension Vice, connecté au transistor de puissance considéré et adapté pour fournir un signal à deux états, l'un correspondant à une tension VCE voisine de 0, l'autre à une tension différente, un circuit Mc de mise en forme du signal de commande 5c adapté pour fournir un signal à deux états, l'un correspondant aux valeurs de mise en conduction, l'autre aux valeurs de blocage de ce signal de commande, une unité logique ET, reliée aux deux circuits Mv et Mc et adaptée pour fournir un signal à deux états, un état 1 correspondant à la conduction du transistor pour une tension VCE dudit transistor ~ O et pour un signal S ayant une valeur de mise en conduction, c et un état 2 correspondant au blocage dudit transistor Si l'une des deux conditions ci-dessus n'est pas satisfaite, et un circuit d'adaptation A, relié à l'unité logique ET et à la base du transistor de puissance considéré pour fournir vers cette base un courant d'alimentation tel que la conduction du transistor s'effectue pour l'état 1 du signal issu de l'unité logique ET et que le blocage s'effectue pour l'état 2 de ce signal Le dispositif b formé par deux convertisseurs de base agencés comme le montre la figure 1 comporte quatre bornes de puissance reliées aux électrodes de puissance des deux transistors 7 ; pour simplifier la description qui suit, on a désigné par C1 la borne reliée au collecteur du premier transistor, par E1 la borne reliée à l'émetteur de ce premier transistor, par C2 la borne reliée au collecteur du second transistor 7 et par E2 la borne reliée à l'émetteur de ce second transistor. De plus, comme déjà indiqué, l'entrée de commande permettant le pilotage de l'étage de commande 1 est désignée par K. La présente invention vise à étendre le domaine d'utilisation du convertisseur de base à des tensions supérieures qui peuvent être considérablement plus élevées, et ce, tout en bénéficiant des avantages spécifiques du convertisseur de base. A cet effet, conformément à la présente invention, plusieurs dispositifs ss , en nombre n > 2, sont agencés en série de sorte que les bornes E1 et C2 d'un dispositif soient respectivement reliées aux bornes C1 et E2 du dispositif suivant, les deux bornes C1 et E2 du premier dispositif # étant reliées aux bornes +E, -E d'une alimentation de puissance, cependant que les deux bornes,E1 et C2 du dernier dispositif iS sont reliées-pour former une première sortie S1 de l'ensemble, appelée à être reliée à une charge. En outre, les étages de commande des différents dispositifs # sont pilotés par une unité de commande centralisée , adaptée pour provoquer un retafd des signaux de commande SCs S'c d'un dispositif h par rapport aux signaux de commande Sc, S'c du dispositif qui le précède dans la série. De plus un étage répartiteur de tension est connecté aux bornes C1 et E2 des différents dispositifs n , cet étage comportant une borne formant une seconde sortie S2 de l'ensemble, appelée à être reliée à la charge,et étant adapté pour diviser la tension d'alimentation 2E et appliquer sur chaque transistor de puissance des dispositifs b une fraction de cette tension. Selon un mode de réalisation préférentiel, l'étage répartiteur de tension est adapté pour diviser la tension d'alimentation 2E en n fractions approximativement égales 2E et pour appliquer à chaque transistor n de puissance une-fraction 2E de ladite tension. n L'ensemble de conversion ainsi réalisé peut fonctionner sous des tensions d'alimentation 2E considérablement plus élevées, puisque chaque transistor de puissance htun, dispositif # n'a à supporter qu'une fraction de cette tension d'alimentation t2E)-.I t / . Par un choix convenable du nombre n de dispositifs, n il est possible pour des tensions de l'ordre de quelques milliers de volts, de ramener sur chaque transistor de puissance une tension compatible avec sa tenue en tension VCEX. Compte-tenu des dispersions inévitables des caractéristiques des transistors de puissance, un tel fonctionnement en série est rendu possible, d'une part, par la présence de l'étage répartiteur de tension, qui limite la tension apparaissant aux bornes de chaque transistor, d'autre part, par l'action de l'unité de commande centrali sée qui impose une succession ordonnée des blocages des transistors : on évite ainsi des blocages aléatoires susceptibles de provoquer des surtensions temporaires aux bornes de certains transistors et chacun de ceux-ci est soumis à une fraction de tension prédéterminée, quel que soit l'état des autres transistors durant les transitions de blocage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, en référence aux dessins annexés qui en présentent à titre non limitatif un mode de réalisation ; sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description la figure 1 déjà commentée est un schéma de rappel de la structure générale diun dispositif u formé de deux convertisseurs tels que définis aux revendications 1 à 8 de la demande de brevet principale, la figure 2 est un schéma de principe d'un ensemble de conversion conforme à l'invention, la figure 3 est un schéma électrique de détail d'un des sous-ensembles de la figure 2, la figure 4 représente sous forme simplifiée le schéma électrique de puissance de cet ensemble dans le cas de la mise en série de quatre dispositifs , les figures 5a à 5k illustrent les formes d'ondes des grandeurs caractéristiques de cet ensemble de conversion. L'ensemble de conversion représenté à titre d'exemple à la figure 2 comprend n dispositifs A de structure telle que rappelée plus haut et qui sont agencés en série les uns à la suite des autres. Le premier dispositif désigné par A 1 est connecté, d'une part, par ses bornes C1 et E2 respectivement aux bornes +E et -E d'une alimentation de puissance, d'autre part, par ses bornes E1 et C2 respectivement aux bornes C1 et E2 du deuxième dispositif désigné par e 2. D'une manière générale, les bornes E1 et C2 du dispositif \ i sont respectivement connectées aux bornes C1 et Ezdu dispositif suivant-1+ le dernier dispositif t n a ses deux bornes E1 et Ca réunies pour former une première sortie à laquelle est reliée une charge inductive 50. Un étage répartiteur de tension 51 est connecté aux bornes C1 eut E2 des différents convertisseurs 2 ) à #n et comprend une borne faisant office de seconde sortie S, à laquelle est reliée l'autre extrémité-de la charge. En outre, les entrées de commande K de chaque dispositif L sont reliées à une unité de commande centralisée 56 qui est adaptée pour décaler dans le temps les commandes 5c et S' des différents dispositifs f c comme l'illustrent les figures Sa à 5e ; une telle unité de temporisation possède une structure parfaitement connue en elle-même et peut ètre réalisée électroniquement par voie analogique ou numerique. L'étage 5i peut etre réalisé comme illustré à la figure 3 au moyen, d'une part, d'un ensemble de condensateurs tels que 52 montés en échelle alimentée par la tension 2E et comportant des liaisons intermédiaires telles que 53 en vue de fournir une division de la tension, d'autre part, d'un ensemble de diodes telles que 54 et 55 connectées aux liaisons intermédiaires 53 et aux électrodes de puissance C1, E2 des transistors de puissance des dispositifs A en vue d'appliquer à ces transistors la répartition de tension fournie par l'échelle de condensateurs Les condensateurs 52 sont en nombre au moins égal au nombre n de dispositif S , (en l'exemple représenté à la figure 3, ces condensateurs sont au nombre de 4 égal au nombre supposé de dispositif3 # ). Ils forment donc au moins (n-l) liaisons intermédiaires 53. Ces condensateurs ont des capacités approximativement égales, de valeur élevée telle que leur impédance à la fréquence des commutation des dispositifs A soit négligeable par rapport à l'impédance de la charge. Ainsi, ils divisent la tension d'alimentation en n fractions approximativement égales 2E n Les diodes sont réparties en deux groupes comprenant chacun (n-l) diodes. Les (n-l) diodes 54 du premier groupe sont connectées aux (n-l) liaisons intermédiaires 53 en vue de les relier aux bornes C1 des dispositifs A-2... A n (dispositif l 1 excepté) ; ces diodes 54 sont orientées de sorte que leurs anodes soient tournées vers l'échelle des condensateurs et leurs cathodes soient tournées vers les bornes C1. Les (n-l) diodes 55 du second groupe sont connectées aux (n-l) liaisons intermédiaires 53 en vue de les relier aux bornes E2 des dispositifs # 2... # n n (dispositif A 1 excepté) ; ces diodes 55 sont orientées de sorte que leurs cathodes soient tournées vers l'échelle des condensateurs et leurs anodes soient tournées vers les bornes E2 Le fonctionnement de l'ensemble est expliqué ci-après en référence, d'une part, à la figure 4 qui schématise les circuits de puissance po-ur un ensemble de conversion comprenant quatre dispositifs aa , d'autre part, aux figures 5a à 5k donnant les formes d'ondes des grandeurs suivantes, caractéristiques de cet ensemble figure 5a : signal Scl de commande du premier transistor du premier dispositif 1, figure 5b : signal S'cl (opposé de Scl) de commande du second transistor du premier dispositif A 1, figure 5c, 5d, 5e : respectivement signaux Sc2, Sc3, Sc4, de commande des premiers transistors c3 5c2' c3' des dispositifs L 2 A 3 et # 4, figure 5f, 5g, 5h, 5j : respectivement tensions Vl, V2, V3 et V4 aux bornes C1, E1 des pre- miers transistors des quatre dispositifs #1, #2, #3, #4, figure 5k : tension ch et courant ICh relatifs à la charge. On suppose que 1 'ensemble fonctionne en régime permanent et que, initialement, les quatre premiers transistors de puissance (désignés à la figure 4 par T1, T2, T3, T4) sont conducteurs. Le transistor T1 reçoit un ordre de blocage représenté par la première impulsion du signal 5C1 (figure 5a). I1 se bloque et, lorsque la tension V1 à ses bornes (Cli E1) prend la valeur E/2 (figure Sf), la diode 54 correspondante entre en conduction et assure la continuité du courant de charge. Lorsque le transistor T2 reçoit à son tour un ordre de blocage représenté par la première impulsion du signal SC2 (figure 5c), il se bloque à son tour , lorsque la tension V2 à ses bornes prend la valeur E/2 (figure 5g), la diode 54? correspondante entre en conduction et assure la roue libre de la charge. Et ainsi de suite pour les transistors T3 et T4. Durant ces phases, les tensions aux bornes de chaque transistor T1, à T4; (seconds transistors des dispositifs ss ) s'effondrent progressivmenet de E/2 à O, ce qui fournit les conditions de leur amorçage ultérieur. Le mécanisme de commutation est symétrique pour l'alternance suivante. Ainsi, la tension aux bornes de la charge varie entre +E et -E (en l'exemple de façon pseudo rectangulaire) cependant que la tension aux bornes de chaque transistor de puissance ne varie qu'entre O et E/2. Il est à noter que la répartition des tensions dans l'échelle descondensateurs peut être stabilisée et/ou ajustée par des résistances classiques d'équilibrage externe et/ou par une action appropriée de l'unité de commande centralisée (modulation des retards entre tes ordres de blocage successifsi. L'ensemble conforme à l'invention peut être utilisé dans tous les domaines d'applications du convertisseur de base décrit dans la demande principale conversion continue/alternative à fréquence fixe ou variable, conversion intermédiaire à moyenne fréquence d'un système de conversion continu/continu... L'extension de ce domaine d'application à d'autres natures de charge ou d'autres modes d'alimentation de celle-ci peut être obtenue en utilisant l'ensemble ci-dessus décrit associe à un étage supplémentaire de sortie tel que décrit dans la demande de premier certificat d'addition déposé. REVENDICATIONS 1/ - Ensemble statique de conversion d'énergie électrique à semi-conducteurs, comprenant n dispositifs A (n a 2), formes chacun par lsassociation de deux convertisseurs conformes à l'une des revendications 1 à 8 de la demande principales les deux convertisseurs de chaque dispositif tS étant commandés en opposition par un étage de commande commun (13 adapté pour engendrer pour les deux transistors de puissance (7) desdits convertisseurs, des signaux de commande (S c et S'c) opposés de forme appropriée à la conversion à réaliser, chaque dispositif A con- prenant quatre bornes de puissance reliées aux électrodes de puissance de ses deux transistors (7) : collecteur (C1) -et émetteur (E1) du premier transistor et collecteur (C2) et émetteur (E2) du second transistor, ledit ensemble statique de conversion étant caractérisé en ce que les dispositifs # sont agencés en série de sorte que les bornes (E1) et (C2) d'un dispositif soient respectivement reliées aux bornes (C1) et (E2) du dispositif suivant les deux bornes (C1) et (E2) du premier dispositif # sont reliées aux bornes (+E, -E) d'une alimentation de puissance, cependant que les deux bornes (E1) et (C2) du dernier dispositif # sont reliées pour former une première sortie (S1) de l'ensemble, appelée à être reliée à une charge (50), les étages de commande (1) des dif fervents dispositifs # sont pilotés par une unité de commande centralisée (56), adaptée pour provoquer un retard des signaux de commande (SSX , Sc) d'un dispositif vs par rapport aux signaux de commande (Sc, S'c) du dispositif qui le précède dans la série, un étage répartiteur de tension (51) est connecté aux bornes (C1) et (E2) des différents dispositifs (S ) , cet étage comportant une borne formant une seconde sortie (S2) de l'ensemble, appelée à être reliée à la charge (50), et étant adapté pour diviser la tension d'alimentation (2E) et appliqu-er sur chaque transistor de puissance (7) des dispositifs (4) une fraction de cette tension. 2/ - Ensemble de conversion selon la -revendication 1, caractérisé en ce que étage répartiteur de tension (51) est adapté pour diviser la tension d'ali- mentation (2E) en n fractions approximativement égales (2E) et pour appliquer à chaque transistor de puissance une fraction (2E) de ladite tension. n 3/ - Ensemble de conversion selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étage répartiteur de tension-(51) comprend un ensemble de condensateurs (52), montés en échelle alimentée par la tension (2E) et compor tant des liaisons intermédiaires' (53? en-v-ue de fournir la division de tension, un ensemble de diodes (54, 55) connec tées, d'une part, aux liaisons -intermédiaires (53) de l'échel- le de condensateurs et, d'autre part, aux électrodes de puissance (C1, E2) des transistors de puissance (7), en vue d'appliquer auxdits transistors la répartition de tension fournie par l'échelle de condensateurs. 4/ - Ensemble deconversion selon la revendication 3, caractérisé en ce que au moins n condensateurs (52) sont associés en série pour constituer l'échelle précitée et former (n-l) liaisons intermédiaires (53), (n-l) diodes (54) sont connectées à ces (n-l) liaisons intermédiaires en vue dé les relier aux bornes (C1) des dispositifs anodes tournees vers l'échelle de condensateurs et cat.hos'es tournées vers les bornes (C-1) (cn-l) diodes (55) sont connectées aux (n-l) liaisons intermédiaires (53) de l'échelle de conden sateurs en vue de les relier aux bornes (E2) des disposi tifs ( ) à l'exception du premier, cathodes tournées vers l'échelle de condensateurs et anodes tournées vers les bor nes (E 2). 5/ - Ensemble de conversion selon les revendications 2 et 4 prises ensemble, caractérisé en ce que les condensateurs (52) ont des capacités approximativement égales, de valeur élevée telle que leur impédance à la fréquence des commutations des dispositifs ( ) soit négligeable par rapport à l'impédance. de la charge (50).