Brevet FR2531823A2 — publié le 19840217

FR 2531823 A2 19840217 FR 8214192 A 19820813 DISPOSITIFS ET ENSEMBLES DE CONVERSION STATIQUE D'ENERGIE ELECTRIQUE A SEMICONDUCTEUR. L'invention concerne des applications du convertisseur statique d'énergie électrique, visé dans la demande de brevet principale nO 78.32428 et plus particulièrement des applications du convertisseur défini à la revendication 9 de cette demande. On a décrit dans la demande principale un convertisseur qui est schématisé à la figure 1 des dessins annexés et sera désigné globalement ci-après par la lettre grecque r . Ce convertisseur utilise des transistors de puissance ayant une tenue en tension VCEX supérieure à leur tenue en tension VCEO et a pour avantage essentiel d'être uti- lisable dans une gamme de tension considérablement élargie sans réduction de ses performances en courant, tout en supprimant totalement les pertes énergétiques lors des commutationsd'amorçage des transistors de puissance. Pour plus de précision sur ce convertisseur r , 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. Celui-ci comprend un étage de commande 1 commun à plusieurs chaines parallèles identiques (en l'exemple représenté, au nombre de deux), comportant chacune un étage intermédiaire de traitement 4 et un étage de puissance 5. L'étage de commande 1 est adapté pour fournir à chaque chaine un signal de commande- Sc de forme appropriée à la conversion à réaliser, notamment sous la forme de trains d'impulsions réprésentant des ordres de blocage et ordres de mise en conduction successifs du transistor de puissance concerné. Chaque étage de puissance 5 comporte, diune part, au moins un transistor de puissance dont la base est pilotée pour assurer au niveau collecteur/émetteur la conversion désirée, d'autre part, une diode 8 de récupération d'energie, enfin , un circuit d'aide à la commutation pour dériver le courant collecteur du transistor au cours des commuta tations 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. Dans le convertisseur r concerné, les transistors de puissance sont associés par paires les deux transistors dlune paire étant agent en demi-pont aux bornes d'une alimentation de puissance (=E, -E) comme le schématise la figure 1. 7 La base de chaque transistor dqe puis sanceest reliée à la sortie de l'étage intermédiairelawin de déclencher les commutations dudit transistor de puissance Cet étage intermédiaire possède une entrée reliée à l'étage de commande 1 pour recevoir le signal Se et une autre entrée reliée à l'étage de puissance 5 pour détecter la tension collecteur/émetteur CE du transistor considéré. I1 est adapté pour piloter la base de ce transistor de façon a 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 correspond à une mise en condition ET - la tension VCE se trouve voi- sine de zéro, et à assurer une polarisation négative 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 VCE, connecté au tra-nsistor de puissance considéré et adapté pour fournir un signal à deux états, l'un correspondant à une tension VCE voisine de O, l'autre à une tension différente, - un circuit Mc de mise en forme du signal de commande Sc 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 Sc ayant une valeur de mise en conductibn, 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 E-T 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. La présente invention vise des appli cations dru convertisseur r ci-dessus évoqué en vue de convertir une tension continue en une tensi-on pulsée de rapport cyclique réglable, éventuellement filtrée pour en extraire la composante fondamentale Un objectif essentiel de l'invention est en particulier de permettre à un convertisseur r (ou à plusieurs) d'alimenter des charges beaucoup plus diversifiées, aussi bien par leur nature (par exemple charges à cosinus avant) que par le mode B'alimentation qu'elles exigent (par exemple charges alimentées en modulation de largeur d'impulsions, en alternatif ou en continu). Un autre objectif de l'invention est d'accroître considérablement la sécurité de fonctionnement du ou des convertisseurs Ç en cas de surcharge. A cet effet un étage supplémentaire de sortie est intercalé entre un ou des convertisseurs r et la charge à alimenter ; cet étage supplémentaire est adapté pour appeler à la sortie du ou des étages de puissance du ou des convertisseurs r un courant alternatif changeant de signe à chaque commutation des transistors de puissance, ledit courant alternatif présentant à chaque alternance un signe correspondant au sens direct de circulation collecteur/émetteur dans chaque transistor de puissance à l'instant d'apparition d'unordre de blocage dudit transistor. Le dispositif de conversion ainsi réa lisé permet d'alimenter toute charge de quelque nature que ce soit (capacitive, inductive, résistive) pour lui délivrer tou- te forme d'onde électrique souhaitéeJcompatible avec la nature de ladite charge. On peut ainsi obtenir un dispositif de conversion remplissant les fonctions suivantes - hacheur à courant continu, délivrant une tension continue d'amplitude réglable - onduleur- de tension, alimentant en courant alternatif une charge de déphasage quelconque, - onduleur de tension, délivrant une onde de tension à modulation de largeur d'impulsions. Dans toutes ces applications, l'étage supplémentaire fournit à chaque convertisseur r les conditions de commutation que les charges seules seraient incapables de lui procurer ; en effet cet étage impose à la sortie du ou des convertisseurs r (au niveau des points communs C des paires de transistors de puissance) un courant changeant de signe à chaque commutation de tension dans le sens approprié pour autoriser cette commutation, alors que le courant de charge n'est pas compatible avec lesdites commutations. 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 plusieurs modes de réalisation ; sur ces dessins - la figure 1 déjà commentée est un schéma de rappel de la structure générale du convertisseur de base r tel que défini à la revendication 9 de la demande de brevet principale, - la figure 2 est un schéma électrique d'un dispositif de conversion conforme à un premier mode de réalisation, - les figures 3a, 3b et 3c illustrent les formes d'ondes des grandeurs caractéristiques de ce dispositif, - la figure~4 est un schéma électrique d'un autre mode de réalisation, - les figures 5a, 5b, 5c, 5d illustrent les formes d'ondes dans cet autre mode de réalisation, - la figure 6 est un schéma électri que d'un troisième mode de réalisation, - les figures 7a, 7b, 7c et 7d illustrent les formes d'ondes dans ce troisième mode de réalisation. Le dispositif de conversion représenté à titre d'exemple à la figure 2 comprend un convertisseur r 20 de structure telle que rappelée plus haut et un étage supplémentaire de sortie 21 qui alimente une charge 22. L'étage 21 comprend - - une inductance 23 ayant une extré- mité connectée à la sortie des étages de puissance 5 du convertisseur r (au point commun C des paires de transistor de puissance montés en demi-pont) et une autre extrémité constituant la sortie S du dispositif, reliée à la charge 22, - deux condensateurs 24 et 25, chacun connecté entre la sortie S du dispositif et les bornes +E et -E de l'alimentation de puissance du convertisseur r I1 est à noter que les condensateurs 24 et 25 peuvent être reliés à d'autres poshtsde référence de tension, pris par rapport à l'alimentation de puissance. De plus il est possible de ne prévoir qu'un seul condensateur, notamment dans le cas où l'alimentation de puissance peut être considérée comme une source parfaite de tension. L'étage 21 appelle à la sortie du convertisseur r un courant ondulé > l'inductance et les condensateurs ont des valeurs adaptées pour que ce courant soit un courant alternatif changeant de signe à chaque commutation successive du convertisseur r . A cet effet . l'inductance 23 présente, à la fréquence des commutations du convertisseur r, une impédance de valeur faible adaptée pour provoquer les changements de signe du courant alternatift les condensateurs 24, 25 ont une capacité de valeur élevée telle que leur impédance à la fréquence des commutations du convertisseur r soit négligeable par rapport à l'impédance de charge. Les figures 3a, 3b et 3c illustrent une forme possible du courant Ic traversant la charge 22Jdu courant Ie traversant l'inductance 23, de la tension Vm à la sortie du convertisseur r , de la tension Vc à la sortie S du dispositif, enfin de la tension Yg aux bornes de l'inductance. Cette ;tension Ve est une tension alternative à valeur moyenne nulle et il lui correspond dans l'inductance 23 un courant alternatif It changeant de signe à chaque commutation du convertisseur Vet dont la valeur moyenne est égale à celle du courant de charge Ic. De la sorte, le fonctionnement du convertisseur r est indépendant de la nature de la charge et de la forme précise du courant qui la traverse ; en effet toute charge vue par le convertisseur # à travers l'étage supplemen- taire 21 devient compatible avec les conditions de commutation dudit convertisseur r-. I1 est en outre à noter que le convertisseur r est automatiquement protégé contre les surintensif tés que pourrait e-ngendrer la charge ; en effet en cas d'accroissement exagéré du courant Ic, le courant Ig (dont Ic est la valeur moyenne) ne présente plus de changements de signe et le fonctionnement du convertisseur r se trouve bloqué, ce qui assure la protection de ses composants. Le dispositif de conversion ci-dessus décrit peut en particulier être utilisé pour remplir la fonction de hacheur, réversible ou non. Ce dispositif peut être associé en pont par rapport à la charge, avec un ou plusieurs dispositifs analogues pour constituer un ensemble de conversion pouvant en particulier remplir la fonction d'onduleur basse fréquence. Par ailLe,urs, la figure 4 représente /en l'exemple/ un ensemble de conversion constitue/de deux dispositifs identiques 2S et 27 montés en pont monophasé par rapport à une charge 28. Chaque dispositif 26 ou 27 comprend un convertisseur r 29 et un étage supplémentaire de sortie 30. Cet étage supplémentaire comporte une inductance 31 et deux condensateurs 32 et 33, agences comme précédemment ; de plus cet étage comprend : une première diode 34 ayant une anode connectée à la sortie(S') du dispositif et une cathode connectée à la borne positive (+E) de l'alimentation de puissance, une seconde diode7a5yant une anode connectée à la borne négative (-E) de l'alimentation de puissance et une cathode connectée à la sortie (S') du dispositif. Comme précédemment, la valeur de l'induc- tance 31 est suffisamment faible pour provoquer les changements de signe du courant alternatif. Par contre dans ce mode de réalisation, les condensateurs peuvent avoir une capacité de valeur beaucoup plus faible que précédemment, car leur fonction est essentiellement dans ce montage, de retarder les commutations de la tension de sortie Vc par rapport aux commutations de la tension Vm à la sortie du convertisseur r (alors que, dans le montage précédent, les condensateurs ont pour fonction de lisser totalement la ten- sion de sortie). Les figures 5a, 5b, 5c et 5d illustrent une forme possible du courant Ic traversant la charge 28, du courant traversant l'inductance 31, de la tension Vm à la sortie du convertisseur r , de la tension Vc à la sortie S' du dispositif, enfin de la tension Vt aux bornes de-l'inductance 31. Les mêmes commentaires que précédemment peuvent etre faits. Les capacités 32 et 33 pouvant avoir des valeurs plus faibles, un tel dispositif présente des temps de réponse susceptibles d'être beaucoup plus courts, de sorte qu'il peut faire fonction d'onduleur haute fréquence, modulé ou non. L'ensemble de conversi-on en pont constitué par les deux dispositifs 26 et 27 permet de réaliser un onduleur dont la fréquence peut varier sur une très large plage. Par ailleurs la figure 6 représente un; autre ensemble de conversion constitué comme précédemment de deux dispositifs- tels que 36 (un seul ayant été représenté à la figure 6). Chaque dispositif comprend deux convertisseurs r 37 et 38 agencés en pont aux bornes d'un étage sup-plé- mentaire de sortie 39, ayant une fonction analogue à celle des étages supplémentaires déjà décrits. 40 En cet exemple, cet étage 39 comprend une inductance/montée dans la diagonale du pont; une des extrémités de cette inductance ou une prise intermédiaire cons titue la sortie (S") du dispositif appelée à etre reliée à une charge. L'inductance 40 présente, à la fréquence des commutations du convertisseur3 une impédance de valeur faible~a-daptée pour provoquer les changements de signe du courant alternatif. Le second convertisseur r 38 joue dans ce montage un rôle similaire à celui des condensateurs 32 et 33 du montage précédent ; cependant ce convertisseur 38 permet de doser le retard de commutations entre les tensions Vm1 et Vm2 aux sorties des deux convertisseurs r 37 et 38. Les figures 7a, 7b, 7c et 7d illustrent la forme des grandeurs Ic, I#, Vml, Vm2 et Vp. La faculté sus-évoquéede doser le retard à la commutation entre les deux convertisseurs permet de limiter l'amplitude du courant traversant les étages de puissance desdits convertisseurs. Les memes commentaires que précédemment, concernant la diversité des charges et la protection contre les surintensités peuvent etre faits à propos de cet ensemble. Les applications sont les memes que celles dru montage précédent mais le dimentionnement en courant des semi-conducteurs de puissance peut etre notablement réduit. REVENDICATIONS 1/ - Dispositif statique de conversion d'énergie électrique à semiconducteurs du type comprenant au moins un convertisseurlficonforme à la revendication 9 de la demande principale, caractérisé en ce que ledit convertis seur (r) est complété par un étage supplémentaire de sortie (21, 30) adapté pour appeler, à la sortie des étages de puis sance (5) du convertisseur ( ), un courant alternatif chan- geant de signe à chaque commutation des transistors de puissance (7)-, ledit courant alternatif présentant à chaque alter nuance un signe correspondant au sens direct de circulation collecteur/émetteur dans chaque transistor de puissance à l'instant d'apparition d'un ordre de blocage (Sc) dudit transistor. 2) - Dispositif de conversion selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage supplémen- taire de sortie (21, 30) comprend une inductance (23, 31) ayant une extrémité connectée à la sortie des étages de puissance (5), au point commun (C) des paires de transistors de puissance (7) montés en demi-pont, et une autre extrémité constituant la sortie (S, S') du dispositif appelée à être reliée à une charge, au moins un condensateur (24, 25, 32, 33), chacun connecté entre la sortie (S, S') du dispositif et un point de référence de tension pris par rapport à l'alimentation de puissance (+E, -E). 3/ - Dispositif de conversion selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque condensateur (24, 25, 32, 33) est connecté à un point de référence constitué par une des bornes de l'alimentation de puissance. 4/ - Dispositif de conversion selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'inductance (23, 31) présente, à la fr-équence des commutations du convertisseur(),une impédance de valeur faible adaptée pour provoquer les changements de signe du courant alternatif. 5/ - Dispositif de conversion selon l'une des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le ou les condensateurs (24, 25) ont une capacité de va leur élevée telle que leur impédance à la fréquence des commutations du convertisseur(r)soit négligeable par rapport à l'impédance de charge. 0 - Dispositif de conversion selon l'une des revendications 2, 3ou4 , caractérisé en ce que l'étage supplémentaire de sortie (30) comprend une première diode (34) ayant une anode connectée à la sortie (S') du dispositif et une cathode connectée à la borne positive (+E) de l'alimentation de puissance, une seconde diode (35) ayant une anode connectée à la borne négative (-E) de l'alimentation de puissance et une cathode connectée à la sortie (S') du dispositif. 7/ - Dispositif statique de conversion d'énergie électrique à semi-conducteur du type compren-ant qau moins deux convértisseurs (r) conformes à la revendication 9 de la demande principale, caractérisé en ce que ces deux convertisseurs (r) sont agencés en pont aux bornes d'un étage supplémentaire commun de sortie (39) adapté pour appeler, à la sortie des étages de puissance des convertisseurs ((), un courant alternatif changeant de signe à chaque commutation des transistors de puissance (7), ledit courant alternatif présentant à chaque alternance un signe correspondant au sens direct de circulation collecteur/émetteur dans chaque transistor de puissance à l'instant d'apparition d'un ordre de blocage (Sc) dudit transistor. 8/ - Dispositif de conversion selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étage supplémentaire de sortie (39) comprend une inductance (40) monté dans la diagonale du pont, une des extrémités de cette inductance ou une prise intermédiaire constituant la sortie (S") du dispositif appelée à être reliée à une charge. 9/ - Dispositif de conversion selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'inductance (40) pre- sente, à la fréquence des commutations des convertisseurs( (lr une impédance de valeur faible adaptée pour provoquer les changements de signe du courant alternatif. 10/ - Ensemble statique de conversion d'énergie électrique comprenant au moins deux dispositifs de conversion conformes à l'une des revendications précédentes, associés en pont par rapport à une charge.