Brevet FR2547106A1 — publié le 19841207

Dispositif d'équilibrage d'interrupteurs connectés en série L'invention concerne un dispositif d'équilibrage d'interrupteurs connectés en série entre une source de tension et une charge, chaque interrupteur étant connecté en parallèle avec un condensateur d'équili5 brage et une diode. Les interrupteurs électroniques, utilisés pour la réalisation de convertisseurs d'énergie électrique tels que, par exemples des hacheurs ou des onduleurs, sont réalisés habituellement au moyen de composants semi-conducteurs tels que des thyristors, des transistors, ou des thy10 ristors blocables par la gâchette. La tension la plus élevée que peuvent supporter les composants semiconducteurs est limitée actuellement à quelques centaines de volts pour les transistors et à quelques milliers de volts pour les thyristors et les thyristors blocables. Lorsque la tension d'alimentation du convertisseur d'énergie électrique que l'on veut réaliser est supérieure à la tension que peuvent supporter les composants semi-condueteurs, il faut connecter en série plusieurs composants semi-conducteurs. Le domaine d'application préféré du dispositif selon l'invention 20 est celui de la connexion en série de transistors ou de thyristors blocables. La connexion en série de transistors ou de thyristors blocables présente un inconvénient important En effet, les transistors et les thyristors blocables présentent une dispersion de fabrication importante 25 du temps qui s'écoule entre la commande de leur ouverture et la réalisation effective de cette ouverture. Ceci a pour conséquence que lorsque deux transistors ou deux thyristors blocables sont connectés en série sans précaution, celui dont l'ouverture s'effectue le plus rapidement supporte temporairement la 30 tension totale d'alimentation et est détruit. On connait des dispositifs susceptibles d'éliminer cet inconvénient, notamment dans la revue "G E C Journal of Science and Technology, volume 47, N O 3, année 1981, pages 121 et 122, en ce qui concerne les transistors, et dans la brochure "GTO Application Note" de 35 la société Toschiba, page 17, en ce qui concerne les thyristors -2 blocables, en disposant en parallèle avec chaque transistor, ou chaque thyristor blocable, un condensateur. Mais ces dispositifs présentent deux autres inconvénients. Le premier inconvénient est que l'équilibrage des tensions entre 5 les deux interrupteurs n'est pas parfaitement assuré parce que le condensateur associé à l'interrupteur dont l'ouverture s'effectue avec le retard le plus faible se charge davantage que le condensateur associé à l'interrupteur dont l'ouverture s'effectue avec le retard le plus grand Il en résulte une augmentation de la tenue en tension nécessaire 10 pour les interrupteurs. Le deuxième inconvénient est que, pour maintenir le déséquilibre dans des limites acceptables, on est obligé d'employer des condensateurs de valeur relativement grande L'énergie emmagasinée dans ces condensateurs est donc relativement élevée et comme elle est dissipée dans les 15 résistances à chaque fermeture des interrupteurs, ceci provoque une diminution du rendement et des difficultés de refroidissement du convertisseur d'énergie électrique utilisant cette disposition. Une amélioration peut être obtenue en utilisant des transistors ou des thyristors blocables triés et en ne connectant en série que ceux qui 20 ont des temps de retard à l'ouverture très voisins Mais ceci a comme inconvénient l'augmentation du coût des composants et la complication de fabrication, ainsi que la maintenance des convertisseurs d'énergie électrique ainsi réalisés. Le dispositif selon l'invention permet d'améliorer l'équilibrage 25 en tension de transistors ou de thyristors blocables connectés en série sans qu'aucun tri soit nécessaire et avec une réduction des pertes par rapport aux dispositions connues. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur muni d'enroulements, chaque enroulement étant 30 connecté en parallèle avec un interrupteur et en série avec une diode, de sorte que l'énergie électrique initialement emmagasinée dans les condensateurs d'équilibrage est, au moment de la fermeture des interrupteurs, stockée sous forme d'énergie magnétique dans les enroulements, puis réutilisée, au moment de l'ouverture des interrupteurs, pour accélérer la 35 recharge des condensateurs les moins chargés jusqu'à atteindre la tension du condensateur le plus chargé. 2547 06 Les condensateurs étant connectés en parallèle avec les interrupteurs, on assure ainsi l'équilibrage en tension des interrupteurs. Avantageusement, le surplus d'énergie magnétique subsistantaprès que les condensateurs d'équilibrage se soient rechargés, est restitué à la source d'alimentation. De préférence, ce dispositif comporte deux interrupteurs, mais il peut comporter au moins trois interrupteurs sur lesquels sont connectés en parallèle au moins trois enroulements faisant partie d'un transformateur unique. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif peut être appliqué à la réalisation d'un onduleur dans lequel chaque demi-phase est constituée par des interrupteurs en série. Il est décrit ci-après à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, un dispositif d'équilibrage d'interrupteurs 15 selon l'invention. La figure 1 représente un dispositif de l'art antérieur dans lequel les interrupteurs sont des transistors. La figure 2 représente un autre dispositif de l'art-antérieur dans lequel les interrupteurs sont des thyristors blocables. La figure 3 représente le dispositif selon l'invention dans lequel les interrupteurs sont par exemple, des transistors, ou selon un autre exemple, des thyristors blocables. Les figures 4 et 5 montrent l'évolution des tensions et des courants dans les principaux éléments au cours d'un eyele complet d'ouver25 ture et de fermeture des interrupteurs. La figure 6 représente, à titre d'exemple, le dispositif selon l'invention, appliqué à la connexion en série de quatre interrupteurs. La figure 7 représente, à titre d'exemple, le dispositif selon l'invention appliqué à la réalisation d'un onduleur. Dans la figure 1, les interrupteurs de ce dispositif antérieur sont des transistors 30, 31 sur lesquels sont branchés en parallèle, et respectivement, des condensateurs 329 33 de valeur extrêmement grande. L'énergie emmagasinée dans ces condensateurs est donc relativement élevée et à chaque fermeture de ces interrupteurs, cette énergie est 35 dissipée dans des résistances respectivement 34, 35. -4 Dans la figure 2, les interrupteurs de ce dispositif antérieur sont des thyristors blocables 40, 41 sur lesquels sont branchés en parallèle et respectivement des condensateurs 42, 43. Comme dans la figure 1, l'énergie emmagasinée dans ces condensa5 teurs est donc relativement élevée et à chaque fermeture de ces interrupteurs cette énergie est dissipée dans des résistances respectivement 44, 45. Dans la figure 3, les interrupteurs 4, 11 peuvent être soit des transistors, soit des thyristors blocables, et le dispositif comporte 10 les éléments suivants: deux condensateurs 2 et 9 de valeurs égales, un transformateur 20 comportant deux enroulements 6 et 13 dont la résistance ohmique est supposée négligeable, comportant le même nombre de spires, et supposés parfaitement couplés, deux diodes 7 et 8 supposées parfaites, deux résistances 3 et 10 de valeurs égales, destinées à 15 assurer l'équilibrage statique des tensions entre les interrupteurs 4 et 11, deux diodes 5 et 12 supposées parfaites, destinées à éviter que la présence des enroulements 6 et 13 perturbe l'équilibrage statique des tensions entre les condensateurs 2 et 9. A titre d'exemple, le dispositif de la figure 3 représente un 20 hacheur de tension, et ce dispositif fonctionne de la manière suivante. Il est alimenté à partir d'une source de tension continue 21 et est associé à une charge 16 et à un filtre constitué par l'inductance 15 et sa diode de démagnétisation 14 Le principe de fonctionnement d'un hacheur de tension étant supposé connu de l'homme de l'art, on se repor25 tera aux figures 4 et 5 qui représentent les variations en fonction du temps des différents courants et tensions, pour suivre le fonctionnement de ce dispositif selon l'invention. A l'instant t 1, on suppose que le fonctionnement antérieur du hacheur a provoqué la circulation d'un courant I 15 à travers la 30 diode 14, l'inductance 15 et la charge 16 On suppose également que les deux interrupteurs 4 et 11 sont ouvert et que les condensateurs 2 et 9 sont chargés respectivement aux tensions V 2 et V 9, égales entre elles et telles que V 2 + V 9 = V. A cet instant t 1, on provoque la fermeture des interrupteurs 4 et 35 11 Le courant I 15 traverse alors les interrupteurs 4 et 11 tandis que la diode 14 cesse de conduire. Les condensateurs 2 et 9 commencent alors à se décharger, en provoquant l'apparition d'un courant 12 à travers les éléments 4, 11, 13, 12 en ce qui concerne le condensateur 2 et en provoquant l'apparition d'un courant 19 à travers les éléments 6, 5, 4 et 11 en ce qui concerne le condensateur 9. A l'instant t 2, les condensateurs 2 et 9 sont complètement déchargés Ils ont transmis leur énergie à 1 'enroulement 13 en ce qui concerne le condensateur 2 et à l'enroulement 6 en ce qui concerne le condensateur 9 Cette énergie est stockée sous la forme d'énergie magné10 tique et se manifeste par la présence d'un courant 16 circulant à travers les éléments 5, 4 et 8 en ce qui concerne l'enroulement 6 et par la présence d'un courant I 13 circulant à travers les éléments 12, 7, 11 en ce qui concerne l'enroulement 13. Les enroulements 6 et 13 ayant le même nombre de spires, les 15 courants 16 et I 13 sont égaux entre eux. A l'instant t 3, on donne l'ordre d'ouverture des interrupteurs 4 et 11 qui, du fait de leur principe et des dispersions de fabrication, ne s'ouvriront en réalité qu'à l'instant t 4 pour l'interrupteur 4 et à l'instant t 5 pour l'interrupteur 11. A l'instant t 4, l'ouverture de l'interrupteur 4 se produit Le courant 14 égal à I 15 + 16 qui traversait l'interrupteur 4, est interrompu Ce courant est dérivé par le condensateur 2 qui commence à se charger. La tension aux bornes de l'enroulement 6 restant égale à zéro du 25 fait que l'enroulement 13 auquel il est couplé est court-circuité par l'interrupteur 11 encore fermé, la diode 5 cesse de conduire et le courant I 6 est interrompu Le condensateur 2 n'est donc chargé que par le courant I 15. La conservation des ampères-tours des enroulements 6 et 13 provo30 que une augmentation du courant I 13 qui continue de circuler à travers les éléments 12, 7, 11. A l'instant t 5, l'interrupteur 11 s'ouvre à son tour Ot le courant Iil égal à I 15 + I 13 qui le traversait, est interrompu Ce courant est dérivé par le condensateur 9 qui commence à se charger. La tension aux bornes de l'enroulement 13 peut augmenter puisque l'enroulement 6 auquel il est couplé n'est pas court-circuité par l'interrupteur 4 ouvert depuis l'instant t 4 La diode 12 reste donc conductrice et le courant I 13 continue de circuler à travers les éléments 13, 12, 7 et 8 Le condensateur 9 est donc chargé par un courant égal à I 15 + I 13. On constate par conséquent que l'énergie magnétique emmagasinée dans l'enroulement 13 et qui est égale, en supposant les pertes négligeables, à la somme des énergies emmagasinées dans les enroulements 6 et 13 à l'instant t 3, sert donc à partir de l'instant t 5 à accélérer la 10 recharge du condensateur 9 par rapport à la recharge du condensateur 2. A l'instant t 6, la tension V 9 devient égale à la tension V 2 et le déséquilibre qui existait à l'instant t 5 a été compensé, ce qui est un des buts recherchés. A l'instant t 6, la diode 5 redevient conductrice et le courant 16 15 réapparait à travers les éléments 5, 2, 7 et 8. L'égalité des tensions V 2 et V 9 et l'identité du nombre de spires des enroulements 6 et 13 impose l'égalité des courants 16 et I 13 Les condensateurs 2 et 9 se chargent alors à la même vitesse puisque le condensateur 2 est chargé par le courant I 15 + 16 et que le condensateur 20 9 est chargé par le courant I 15 + I 13, et que 16 = I 13 A l'instant t 7, on a V 2 + V 9 = 2 V 2 = 2 V 9 = V La diode 14 redevient donc conductrice et dérive alors le courant I 15 qui cesse de charger les condensateurs 2 et 9. A l'instant t 7, le courant 16 = I 13 cesse de charger les condensa25 teurs 2 et 9 car on ne peut avoir V 2 + V 9 supérieur à V puisque la diode 14 est conductrice. On voit donc que malgré l'écart t 5 t 4 des instants d'ouverture des interrupteurs 4 et 11, les tensions V 4 et V 11 aux bornes des interrupteurs 4 et 11, qui sont égales aux tensions V 2 et V 9 existant aux 30 bornes des condensateurs 2 et 9, sont équilibrées et ne dépassent pas la moitié de la tension d'alimentation V. A l'instant t 7, une partie importante de l'énergie magnétique initiale est encore emmagasinée dans les enroulements 6 et 13 et se manifeste par la circulation d'un courant 16 = I 13 à travers les élé35 ments 14, 13, 12, 7, 8, 6, 5 et la source d'alimentation. Il y a donc restitution à la source d'alimentation de l'énergie magnétique encore emmagasinée dans les enroulements 6 et 13 et le courant 16 = I 13 décroît linéairement en fonction du temps et devient égal à zéro à l'instant t 8. On voit donc que l'énergie emmagasinée dans les condensateurs 2 et 9 à l'instant t 1 a été stockée dans les enroulements 6 et 13 entre les instants t 2 et t 5, puis à servi partiellement, entre les instants t 5 et t 7 à recharger les condensateurs 2 et 9 en assurant l'égalité des tensions V 2 et V 9, donc l'égalité des tensions V 4 et Vll, le surplus d'éner10 gie étant restitué à la source d'alimentation entre les instants t 7 et t 8 A l'instant t 8, le dispositif est à nouveau dans l'état o il se trouvait à l'instant t 1 et un autre cycle identique à celui qui vient d'être décrit peut reeommencer, par exemple à l'instant t 9 o La figure 6 représente, le dispositif selon l'invention appliqué à la connexion en série de quatre interrupteurs 50, 51, 52, 53 Les enroulements 60, 61, 62, 63 ont tous le même nombre de spires et sont couplés entre eux en étant disposés sur un circuit magnétique unique, par exemple, un transformateur 64 o Des résistances d'équilibrage statique, 20 non représentées, sont chacune en parallèle sur un condensateur ou sur un interrupteur. La figure 7 représente le dispositif selon l'invention, appliqué à la réalisation d'un onduleur monophasé comportant dans chaque demi-phase deux interrupteurs connectés en série 709 71; 72, 73 Des résistances 25 d'équilibrage statique, non représentées, sont chacune en parellèle sur un condensateur ou sur un interrupteur. Sans sortir du cadre de l'invention, ce dispositif peut s'étendre, d'une part à un nombre quelconque, mais de préférence pair, d'interrupteurs connectés en série, d'autre part, à toutes les applications néces30 sitant l'emploi d'interrupteurs connectés en série. REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'équilibrage d'interrupteurs connectés en série entre une source de tension ( 21) et une charge ( 16), chaque interrupteur ( 4, 11) étant connecté en parallèle avec un condensateur d'équilibrage ( 2, 9) et 5 une diode ( 7, 8), caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur ( 20) muni d'enroulements ( 6, 13)9 chaque enroulement étant connecté en parallèle avec un interrupteur et en série avec une diode ( 5, 12), de sorte que l'énergie électrique initialement emmagasinée dans les eondensateurs d'équilibrage est, au moment de la fermeture des interrupteurs, 10 stockée sous forme d'énergie magnétique dans les enroulements ( 6, 13), puis réutilisée, au moment de l'ouverture des interrupteurs, pour accélérer la recharge des condensateurs les moins chargés jusqu'à atteindre la tension du condensateur le plus chargé. 2/ Dispositif d'équilibrage selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 qu'il comprend des résistances ( 3, 10) pour assurer l'équilibrage statique des tensions entre les interrupteurs. 3/ Dispositif d'équilibrage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux interrupteurs ( 4, 11). 4/ Dispositif d'équilibrage selon la revendication 1, caractérisé en ce 20 qu'il comporte au moins trois interrupteurs ( 50, 51, 529 53) sur lesquels sont connectés en parallèle au moins trois enroulements ( 60, 61, 62, 63) faisant partie d'un transformateur unique ( 64). / Onduleur comportant des dispositifs d'équilibrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque demi-phase est constituée par des 25 interrupteurs en série.