Brevet FR2613554A1 — publié le 19881007

CONVERTISSEUR A MODULATION DE LARGEUR D'IMPULSIONS. La présente invention concerne un convertisseur d'énergie électrique, notamment un convertisseur de fréquence, fonc- tionnant par modulation de largeur d'impulsions -en abrégé MLI, ou PWM- et susceptible d'être raccordé à une charge en vue de faire varier l'énergie fournie à celle-ci. Les convertisseurs de fréquence connus pour moteurs synchro- nes ou asynchrones comprennent généralement un pont redres- seur relié à un onduleur par un circuit intermédiaire muni d'une capacité de lissage. L'onduleur doit être raccordé aux enroulements de phase du moteur et il fonctionne par modula- tion de largeur d'impulsions. L'onduleur présente plusieurs bras dont chacun est équipé de deux interrupteurs statiques munis de diodes respectives de récupération. Le point milieu de chaque couple d'interrupteurs d'un même bras est relié à un enroulement respectif de phase du moteur. Un circuit de commande permet de rendre passants et bloquants les inter- rupteurs aux instants choisis. Par interrupteurs statiques, on entend présentement des transistors bipolaires ou MOS, des composants MOS-bipolai- res tels que ceux connus sous la désignation IGT, des thyristors blocables du genre GTO ou d'autres composants blocables analogues. -2- Si l'on suppose que le premier interrupteur d'un bras est bloqué et que le deuxième interrupteur du même bras n'est pas encore mis en conduction, le courant qui transite par l'enroulement de phase du moteur relié au point milieu du bras passe par la diode de récupération associée au premier interrupteur. Lorsque le deuxième interrupteur entre en conduction et pendant le temps de recouvrement de la premiè- re diode, cet interrupteur subit le passage du courant inverse de la première diode en même temps que le passage du courant d'un enroulement du moteur et, tant que la tension aux bornes de l'interrupteur n'est pas descendue à une valeur de conduction VCESAT, on constate des pertes de commutation élevées. Bien entendu, les pertes de commutation augmentent avec la fréquence opératoire du convertisseur. Or, cette fréquence est liée à la valeur des inductances du moteur et elle doit être d'autant plus grande que les inductances sont faibles. Dans le cas d'un motetu synchrone, ceci est précisément le cas et il est donc nécessaire d'utiliser une fréquence de commutation importante avec corollairement des pertes de commutation non négligeables. D'autre part, dans le cas d'un moteur asynchrone et bien que les inductances de ce dernier soient relativement élevées, on observe une tendance à augmenter la fréquence du convertisseur, en vue de diminuer le couple pulsatoire et le bruit, ce qui se traduit là encore par un accroissement des pertes de commutation. Dans un agencement connu permettant de réduire les pertes de commutation, le convertisseur comporte en série avec chaque interrupteur une inductance et en parallèle à chaque inter- rupteur un réseau résistance-capacité-diode RCD. Chaque inductance contribue à limiter le passage transitoire de courant précédemment décrit à la mise en conduction de l'interrupteur, tandis qu'au blocage de celuici l'énergie emmagasinée dans l'inductance charge la capacité à travers la diode, la capacité se déchargeant ensuite via la résis- tance. Cet agencement présente l'inconvénient de nécessiter -3- pour chaque interrupteur une inductance et un réseau auxi- liaire RCD. De plus, il ne permet pas d'utiliser des ponts intégrés comprenant les interrupteurs interconnectés avec leurs diodes de récupération. La présente invention vise à pallier ces inconvénients en réduisant efficacement les pertes de commutation d'un convertisseur -notamment d'un convertisseur de fréquence- à modulation de largeur d'impulsions au moyen d'un dispositif simple, à faible nombre de constituants et de coût réduit. L'expression convertisseur MLI désigne tout générateur de tension variable à largeur d'impulsions modulée tel que convertisseur de fréquence pour moteur synchrone ou asyn- chrone, convertisseur pour moteur à courant continu, ondu- leur fournissant une tension alternative, etc... L'invention vise de plus à permettre dans certains cas la récupération des pertes résiduelles de commutation surve- nant dans le pont modulateur du convertisseur. Selon l'invention, le convertisseur comprend dans l'un des conducteurs reliant le circuit intermédiaire au pont modula- teur une inductance d'aide à la mise en conduction des interrupteurs statiques du pont et en parallèle aux bras du pont un condensateur de transfert en série avec une diode pour permettre d'absorber l'énergie fournie par l'inductan- ce quand se produit le blocage des interrupteurs statiques, tandis qu'une résistance est prévue pour permettre de décharger le condensateur de transfert. Cette résistance peut être disposée en parallèle à la diode de transfert; elle est de préférence disposée en parallèle au circuit série composé de l'inductance d'aide à la mise en conduction et de la diode de transfert, ce qui permet de décharger le condensateur de transfert dans la capacité de lissage propre au circuit de tension continue situé en amont de l'onduleur. -4- Dans un mode de réalisation avantageux du convertisseur selon l'invention, un condensateur écrêteur à forte capacité est disposé en parallèle au condensateur de transfert pour stocker le surplus d'énergie en cas de court-circuit, tandis qu'une résistance de décharge est associée à ce condensateur écrêteur. Il en résulte qu'on peut utiliser un condensateur de transfert à capacité réduite et un condensateur écrêteur à faible courant efficace, ce qui diminue le prix de revient du convertisseur. De plus, une alimentation à découpage peut avantageusement être connectée aux bornes du condensateur de transfert et/ou du condensateur écrêteur de manière à récupérer une partie de l'énergie de commutation des interrupteurs statiques, en vue d'alimenter le circuit de commande des interrupteurs, voire de restituer l'énergie en amont du convertisseur. Un mode de réalisation sera décrit par la suite, à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés. La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du convertisseur selon l'invention; La figure 2 montre une forme d'exécution préférée du convertisseur de la figure 1. Le convertisseur 10 de la figure 1 est un convertisseur de fréquence à modulation de largeur d'impulsions MLI qui est associé à une charge par exemple constituée par un moteur synchrone 11. Le convertisseur 10 comprend de façon usuelle un pont redresseur 12 relié aux conducteurs de phase du réseau, un circuit intermédiaire 13 de tension continue muni d'une capacité de lissage 14 et un onduleur 15 relié au pont redresseur via le circuit intermédiaire. L'onduleur présen- te trois bras B1, B2, B3 reliés chacun à un enroulement de phase du moteur synchrone 11. -5- Chaque bras B1-B3 de l'onduleur 15 est équipé de deux inter- rupteurs statiques, T1, T2 pour B1, T3, T4 pour B2, T5, T6 pour B3, munis de diodes respectives de récupération D1-D6. Le point milieu de chaque couple d'interrupteurs d'un même bras est relié à un enroulement respectif de phase du moteur. Un circuit de commande 16 permet de rendre passants et bloquants les interrupteurs T1-T6 aux instants choisis. Selon l'invention, une inductance L d'aide à la mise en conduction de l'ensemble des interrupteurs statiques T1-T6 est disposée dans l'un des conducteurs 17, 18 qui relient le pont redresseur 12 -ou le circuit intermédiaire 13- à l'onduleur 14. Un condensateur de transfert CL est disposé en parallèle aux bras B1-B3 de l'onduleur, ce condensateur étant en série avec une diode de transfert DL pour recevoir l'énergie de l'inductance L au blocage des divers interrup- teurs statiques T1-T6. Une résistance RL de décharge du condensateur de transfert CL est disposée entre celui-ci et un point 19 du conducteur 17 en amont de l'inductance L. De manière moins avantageuse, la résistance RL pourrait être reliée à un point 20 du conducteur 17 en aval de l'inductan- ce comme indiqué en tirets sur la figure 1. Dans la variante préférée de la figure 2, un condensateur Cs écrêteur -ou limiteur de court-circuit- est disposé en parallèle au condensateur de transfert CL, tandis qu'une diode DS est associée à ce condensateur pour en permettre la charge en cas de court-circuit accidentel du moteur ou en cas de conductien simultanée de deux interrupteurs d'un même bras. Dans une variante plus coûteuse, un seul condensateur CL présentant à la fois une caractéristique de courant élevée et une forte capacité pourrait être substitué au condensa- teur CL et Cs décrits précédemment. -6- Le fonctionnement du dispositif de la figure 2 s'effectue comme suit. La fréquence de commutation étant élevée, le condensateur de transfert CL exécute des cycles de charge et de décharge à la même fréquence; on utilise à cet effet un condensateur à fort courant efficace, mais à faible capacité de manière à en limiter le coût et l'encombrement. En cas de court-circuit, le condensateur écrêteur C absorbe l'éner- gie stockée dans l'inductance L; il présente à cet effet une forte capacité, mais n'a pas besoin de supporter en marche normale un courant efficace élevé. Une partie de l'énergie de commutation emmagasinée par le condensateur de transfert CL est récupérée par une alimentation à découpage 21 reliée au circuit de commande 16, le condensateur CL ou CS constituant ainsi le condensateur d'entrée de cette alimentation. -7- Revendications 1. Convertisseur à modulation de largeur d'impulsions pour délivrer une énergie électrique variable à une charge inductive, comprenant un onduleur relié à une source de tension continue et piloté en modulation de largeur d'impul- sions par un circuit de commande, l'onduleur présentant plusieurs bras (B1-B3) dont chacun comporte deux interrup- teurs statiques (T1, T2; T3, T4; T5, T6) munis de diodes respectives (D1D6) de récupération, le point milieu entre deux interrupteurs étant relié à la charge inductive, caractérisé par le fait qu'il comprend: - dans l'un des conducteurs (17,18) reliant la source de tension continue (12) à l'onduleur (15), une inductance (L) d'aide à la mise en conduction de l'ensemble des interrupteurs statiques (T1-T6), - en parallèle aux bras (B1-B3) de l'onduleur, un condensa- teur de transfert (CL) en série avec une diode de trans- fert (DL) pour recevoir l'énergie de l'inductance lors du blocage des interrupteurs statiques, - une résistance (RL) de décharge du condensateur de trans- fert, connectée au conducteur (17,18) reliant la source de tension continue (12) à l'onduleur (15). 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la résistance (RL) de décharge du condensateur de transfert (CL) est connectée au conduc- teur (17,18) en amont de l'inductance (L) d'aide à la mise en conduction. 3. Convertisseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le condensateur de transfert (CL) a une faible capacité et qu'un condensateur écrêteur (Cs) de forte capacité est disposé en parallèle au condensa- teur (CL) pour être chargé via une diode (Ds) en cas de court-circuit. 4. Convertisseur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'une alimentation à découpage (21) est connectée aux bornes du condensateur de transfert (CL) ou du condensateur écrêteur (Cs).