Brevet FR2644948A1 — publié le 19900928

Circuit électrique de conversion d'énergie L'invention concerne les circuits électriques de conversion d'énergie mettant en oeuvre une commutation spontanée pour bloquer la conduction d'éléments interrupteurs, lors du passage par zéro d'une grandeur électrique (courant ou tension) et une commutation forcée pour amorcer cette conduction. Elle s'applique notamment, bien que non exclusivement, aux onduleurs et aux commutateurs de courant dont la structure est en pont complet ou demi-pont, destinés å appliquer a une charge une tension (ou un courant) alternative réglable à partir d'un générateur de tension (ou de courant) continue. On utilise largement des circuits du type ci-dessus ayant des composants interrupteurs a état solide à coupure spontanée, dits "thyristors". Ces composants ont l'inconvénient d'un temps de recouvrement élevé, qui limite la fréquence des commutations. De plus, les circuits a commutation assistée utilisant de tels composants risquent d'être détruits en cas de modification, même temporaire ou transitoire, de la nature de la charge si elle modifie le sens du déphasage entre le courant et la tension. Ce risque apparait notamment lorsqu'on considère le fonctionnement d'un circuit onduleur du genre représenté sur la Figure 1. Ce circuit, de constitution classique, comporte deux thyristors 10 et 12, alternativement amorcés par un circuit de commande 14. Une diode 16 ou 18 montée en anti-parallèle sur chaque thyristor 10 ou 12 permet d'écouler le courant inverse. Dans le ' montage de la Figure 1, la charge 19 est parcourue par un courant Ich fourni par les générateurs de tension continue 20 et 22 dans un sens lorsque le thyristor 10 est amorcé, dans l'autre sens lorsque le thyristor 12 est amorcé. Le circuit de commande 14 fournit des créneaux de tension de rapport cyclique (temps à l'état haut sur la période) égal à 112, dont la fréquence détermine la fréquence du courant qui traverse la charge. On voit que chaque élément constitué d'un thyristor et de la diode placée en anti-parallèle est bi-directionnel en courant et- unidirectionnel en tension. La conduction de chaque thyristor est amorcée par le circuit 14 et bloquée lors du passage à zéro du courant qui le traverse. Le circuit de la Figure 1 est prévu pour fonctionner avec une charge 19 de nature capacitive (une charge donnée pouvant être capacitive ou inductive suivant la fréquence du courant qui la parcourt). Avec une telle charge capacitive, le courant dans la charge est en avance sur le fondamental de la tension Vand de l'onduleur, comme le montre la Figure 2. Très souvent, pour minimiser les pertes de commutation lors de la mise en conduction des thyristors 10 et 12, on les munit d'éléments d'aide a la commutation, constitués généralement d'une inductance 24 ou 26 en série avec le thyristor. Si dans ce cas la charge devient inductive, soit par suite d'une modification de sa nature (par exemple dans le cas d'un four à induction lorsqu'on le vide), soit parce que la fréquence de commande est modifiée, il y a mise en conduction d'un des thyristors avant que le courant ne se soit annulé dans l'autre, donc avant que cet autre thyristor ne soit bloqué. Les deux thyristors étant alors conducteurs, l'onduleur est mis en court-circuit et le courant les traversant peut atteindre une valeur susceptible de les détruire. L'invention vise à fournir un circuit de conversion d'énergie électrique utilisant des composants statiques et repondant mieux que ceux antérieurement connus, decrits ct-dessus, aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est susceptible de fonctionner fréquence élevée et en ce qu'il peut supporter une modification de nature de la charge alimentée sans risque de destruction (court-circuit des sources 20 et 22 via 28 et 30). Pour arriver a ce résultat, l'invention utilise la constatation qu'il suffit de subordonner la mise en conduction de chaque composant commutateur a une condition supplementaire consistant -dans le cas d'un onduleur en ce que le courant traversant la charge doit antérieurement s'être annulé. Dans le cas où le circuit électrique de conversion à réaliser est un onduleur, l'invention propose en conséquence un circuit d'alimentation d'une charge comprenant un montage à deux branches au moins, chaque branche ayant un composant de commutation capable d'etre commandé par une grandeur électrique binaire appliquée sur une entrée dudit composant, ce circuit étant carac térisé en ce qu'il comporte des moyens de détection du sens du courant dans les branches et un circuit de commande qui reçoit la sortie des moyens de détection et un signal alterné de commande fixant la fréquence de fonctionnement de consigne et fournit, sur l'entrée de commande d'un des composants, un signal prenant successivement, en régime permanent, un état de fermeture lorsque, en meme temps, le signal alterné de commande a une première valeur et le courant qui tend à traverser la branche correspondante est dans le sens normal de passage, et un etat d'ouverture lorsque le courant qui traverse la charge s'annule. Dans le cas d'un circuit de commutation de courant, utilisant un générateur de courant au lieu d'une source de tension, la même définition est applicable, mais en appliquant les règles de dualité, c'est-à-dire en permutant les notions de courant et de tension. Etant donné qu'il est plus facile d'obtenir, à l'aide d'un transformateur de courant, un signal représentatif d'un courant alternatif à valeur moyenne nulle qu'un signal représentant un courant unidirectionnel, le sens du courant dans chaque branche est avantageusement détecte par des moyens fournissant un signal représentatif du sens du courant qui parcourt la charge. Ceci a pour avantage de n'utiliser qu'un seul transformateur et de résoudre les problemes de perturbations liées a la mesure du courant dans un interrupteur. Dans le cas d'un circuit de commutation de courant, le risque de destruction est lié non plus à la surintensité dans les interrupteurs en cas de mise en court-circuit de la source de tension, mais à l'augmentation de la tension du générateur de courant qui ne débite plus, au-dela de la valeur qui provoque le claquage des composants. On voit qu'on constitue ainsi un circuit électrique dans lequel la fonction commutation spontanée de blocage-commutation forcée de conduction est réalisée, sans les inconvénients des circuits classiques de ce genre mettant en oeuvre des composants, tels que les thyristors, remplissant de façon inhérente cette fonction. Le circuit selon l'invention peut utiliser divers composants interrupteurs à état solide connus. La nature des composants sera généralement choisie en fonction de la fréquence de fonctionnement souhaitée, et des contraintes en courant et tension. Les composants utilisables peuvent être des transistors MOS, des transistors bipolaires, IGBT, GTO, des thyristors ZTQ (zero turnoff) prévus pour fonctionner å fréquence élevée, ou même des thyristors à plus basse fréquence. Le circuit de commande peut comporter deux blocs de commande (40, 42) de même constitution attaquant chacun un des composants commutateurs, ayant la caractéristique d'une bascule RS (48) dont l'entrée R reçoit le signal logique complémenté provenant des moyens de détection et l'entrée S reçoit le resultat de l'ope- ration ET dudit signal logique et du signal alterné de commande. Le circuit peut présenter une grande strette de fonctionnement du fait que les composants interrupteurs ne peuvent s'ouvrir qu'apres annulation du courant les traversant et ne peuvent se fermer qu'après l'ouverture de l'interrupteur associé en ce qui concerne 1'onduleur de tension. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1, déjà mentionnée, est un schéma de principe d'un circuit onduleur de type connu - la Figure. 2 est un diagramme montrant la variation en fonction du temps de la tension aux bornes de la charge Vond et du courant dans la charge Ich en fonction du temps, dans le circuit de la Figure 1 - la Figure 3 est un schéma de principe d'un circuit onduleur conforme à un mode particulier de réalisation de l'invention ;; - la Figure 4 est un schéma montrant un équivalent logique d'une des branches de commande du circuit de la Figure 3 - la Figure 5 est un chronogramme montrant l'allure de la variation dans le temps de la tension ou du courant a certains emplacements du schéma de la Figure 3 - la Figure SA est un chronogramme similaire à celui de la Figure 5, correspondant à un état de dysfonctionnement - la Figure 6 est un synoptique d'un circuit de commande d'onduleur suivant le schéma de la Figure 3. Le circuit montre schématiquement en Figure 3 comporte des composants similaires è ceux de la Figure 1 et qui, pour cette raison, seront désignés par le même numéro de référence. Mais les composants à commutation spontanée 10 et 12 de la Figure 1 sont remplaces par des composants 28 et 30 à commutation commandée à ltouver- ture et à la fermeture, représentés pour cette raison sous forme d'interrupteurs ayant chacun une entrée de commande. On supposera dans ce qui suit que l'inter- rupteur est fermé lorsque l'entrée reçoit un 1 logique, ouvert lorsqu'elle reçoit un O logique {les niveaux étant representes par des tensions déterminées). Les composants 28 et 30 peuvent avoir des natures très diverses. Ils sont choisis notamment en fonction des contraintes en courant et tension et en fonction de la vitesse de commutation requise. Ce mode de fonctionnement permet une utilisation rationnelle de composants tels que IGBT en moyenne et faible puissance et GTO en forte puissance. Avant de décrire la constitution de principe d'un circuit de commande, il peut cotre utile de donner le diagramme sequentiel à remplir. - Chaque composant (28 par exemple) doit etre amené de l'état fermé à l'état ouvert lorsque le courant qui le traverse est nul , - chaque composant doit entre amené de l'état ouvert à l'état fermé lorsque, à la fois, le courant qui tend a traverser la branche est dans le sens normal de passage (qu'on considérera comme le sens positif) et qu'une commande initiale, constituée par un signal périodique au niveau requis pour provoquer la commutation. Un circuit de commande qui mettrait en oeuvre directement ce diagramme séquentiel devrait disposer d'une information sur le courant parcourant chaque branche. Mais il est plus pratique d'utiliser un signal d'entrée représentatif du sens du courant qui parcourt la charge 19. I1 est en effet plus facile d'obtenir, a l'aide d'un transformateur de courant, un signal représentatif d'un courant alternatif F valeur moyenne nulle qu'un signal représentant un courant unidirectionnel, comme déjà indiqué. Dans ce qui suit, on considérera que, pour chacun des composants SI+ - 1 quand le courant Ich dans la charge est positif (sens indiqué par la fleche sur la Figure 3, en ce qui concerne le composant 24) SI+ = 0 quand le courant Ich est negatif ou nul. Le circuit de commande représenté schématiquement en Figure 3 met en oeuvre cette approche. Il comporte un transformateur de courant 32 qui fournit une tension de polarité représentative du sens et de l'intensité du courant à un bloc 34 de mise en forme : le bloc peut être un comparateur à deux seuils, fournissant en sortie un signal rectangulaire donnant le sens du courant Ich. Le circuit de commande est prévu pour recevoir des signaux carrés (de rapport cyclique égal à 1/2 > dont la fréquence fixe la puissance fournie å la charge 19. Sur la Figure 3, ce signal de commande initiale est fourni par un oscillateur 36, tel qu'un oscillateur commandé par tension, muni d'une entrée de réglage 38. Le circuit de commande comporte. pour chacun des composants de commutation 28 et 30, un bloc d'excitation 40 ou 42 et un bloc de mise en forme 100 ou 102. Les blocs ont la même constitution pour les deux composants. Le fonctionnement du blOc: d'excitation 40 ou 42 est assimilable à celui du montage montré en Figure 4, comportant une bascule RS 48 dont l'entrée de positionnement S reçoit le résultat de ltopération ET sur le signal de sortie du. bloc de mise en forme 34 et la commande initiale, tandis que son entre de rétablissement R reçoit l'inverse du signal provenant du bloc de mise en forme 34. Chacun des blocs 100 et 102 comporte un amplificateur qui porte le signal logique reçu du bloc 40 ou 42 à un niveau suffisant pour provoquer la commutation du composant 28 ou 30. I1 est souvent nécessaire de commander le courant qui passe dans une charge à partir d'un endroit éloigné. Si on utilise alors un circuit du type montre en Figure 3, il est avantageux de regrouper l'oscillateur 36 et les blocs d'excitation 40 et 42 à l'emplacement de commande, tandis que les blocs de mise en forme 100 et 102 sont a proximité des composants de commutation et de la charge 19, de façon que les lignes longues ne soient parcourues que par des signaux logiques. Le fonctionnement du circuit électrique de conversion montré en Figure 3 est schématisé, sur la Figure 5, dans une situation représentative. Chaque ligne de la Figure 5 montre l'état de la grandeur électrique indiquée en ordonne. La charge étant supposee de nature capacitive pour la fréquence de fonctionnement impose, le courant Ich qui parcourt la charge présente un déphasage avant par rapport à la tension Vond fournie par l'onduleur aux bornes de la charge. La tension de sortie SI du bloc de mise en forme 34 se presente sous forme de créneaux de tension ayant un rapport cyclique égal à 1/2. Les composants 28 et 30 reçoivent, des blocs de mise en forme 100 et 102, des signaux ayant la forme représentée sur les deux dernières lignes de la Figure 5 : les durées de conduction sont inferieures aux demi-periodes et les parties T de chaque période correspondent au passage du courant par la diode 16 ou 18. En cas de modification de la nature de la charge ou de la fréquence d'attaque, le déphasage Lp peut s'inverser. Par exemple, pour la fréquence considérée, la charge peut devenir inductive. En d'autres'termes, la fréquence des signaux de commande fournis par l'oscillateur 36 devient supérieure à la fréquence de résonance, et ce de façon durable. Dans un onduleur classique tel que celui représenté en Figure 1, cette modification peut détruire les thyristors. Dans le cas de l'invention, au contraire, cela se traduit uniquement par un fonctionnement dégradé. Le fonctionnement correspondant est illustré sur la Figure 5A. Les durées T1 et T2 de la ligne supérieure correspondent aux signaux de commandes des interrupteurs 28 et 30.Du fait que la diode 16 ne peut conduire pendant une fraction de chaque période, le courant Ich (ligne inférieure) prend une forme très dissymétrique, et reste pratiquement nul pendant toute une fraction de la période. Le convertisseur qui vient d'être décrit ne démarre pas seul, puisque le diagramme séquentiel utilise comme paramètre d'entrée l'inversion du courant Ich dans la charge. Mais le problème du démarrage est facilement résolu en imposant, lors de la mise en marche de l'oscillateur 36, au signal de sortie de 100 de prendre la valeur correspondant à la sortie de l'oscillateur 36. En d'autres termes, le convertisseur démarre en conduction forcée. Dés que le courant dans la charge est suffisant pour fournir des signaux cohérents à la sortie du bloc de mise en forme 34, il y a passage en mode "thyristor" décrit plus haut. La commande du convertisseur peut avoir la constitution complète montrée en Figure 6 où les blocs et composants déjà montrés en Figure 3 sont désignés par le même numéro de référence. Les blocs d'excitation 40 et 42 ont la même constitution et un seul est représenté en détail sur la Figure 6. Il est constitué de deux portes OU NON servant, l'une, marquée R, au rétablissement, l'autre, marquée S, au positionnement, associées à un inverseur et a une porte ET pour reconstituer le schéma de la Figure 4. Alors que le bloc 42 est attaqué directement par les signaux provenant du bloc de mise en forme 34 et de l'oscillateur 36, le bloc 40 reçoit ces signaux par l'intermédiaire d'inverseurs 50. Les blocs de mise en forme 100 et 102 ont également la même constitution. Ils comportent chacun une porte ET 52 de sortie dont les deux entrées sont alimentées par les signaux provenant des blocs 40 et 42, a travers un bloc de démarrage 54 dont le rôle et la constitution seront décrits plus loin. Chaque bloc comporte des moyens destinés à maintenir un temps mort 6t entre l'ordre de commande fourni par le bloc 40 ou 42 et le signal de commande effectivement appliqué au composant interrupteur 28 ou 30. Ce temps mort n'a aucune utilité en fonctionnement normal. Mais il est nécessaire, pour empecher les court-circuits dus au temps de commutation des composants de 1'interrupteur, lorsque le déphasage entre le courant et la tension s'annule. Cet intervalle doit avoir la valeur la plus faible possible compatible avec le retard à l'ouverture des composants interrupteurs. Dans le mode de realisation montre en Figure 6, le retard ot est obtenu à l'aide d'un réseau classique résistance-capacité-diode placé sur l'une des entres d'une porte OU EXCLUSIF 56 qui reçoit le signal de sortie du bloc 42 ou 40 via 54, correspondant au composant interrupteur commande 30 ou 28. Grâce à ce montage, on maintient, entre la fin de la commande de fermeture appliquée à l'un des composants et le début de la commande de fermeture appliquée à l'autre, un intervalle de temps minimum at, même lorsque les créneaux T1 et T2 (Figure 6) sont immédiatement adjacents. Les deux portes NON 58 interposées sur la seconde entre de la porte ET de sortie 52 ont simplement pour but d'équilibrer les temps de transit sur les deux entrées. Le bloc de démarrage 54 prévu dans le circuit électrique de la Figure 6 a pour but d'assurer la mise en conduction forcée jusqu'au moment où le courant dans la charge a pris une valeur suffisante. Le bloc 54 montré en Figure 6 comporte un monostable redéclenchable 60 dont la durée de maintien est supérieure à la période maximale que peut fournir l'oscillateur 36. Les créneaux de sortie fournis par le bloc 34 sont appliqués au monostable 60 par l'intermédiaire d'un circuit dérivateur a condensateur 62 et diode de suppression 63 permettant de fournir au monostable des impulsions à la fréquence de découpage. Deux réseaux de portes 64, ayant la même constitution, assurent la mise en conduction forcée. Lorsque le courant qui parcourt la charge est très faible, les signaux fournis par le transformateur 32 et le bloc 34 sont insuffisants pour faire fonctionner le circuit en mode thyristor : il peut dans ce cas y avoir maintien de la commutation forcée, mais sans risque de destruction des composants puisque le courant reste faible. REVENDICATIONS 1. Circuit électrique d'alimentation d'une charge, comprenant un montage a deux branches au moins, chaque branche ayant un composant de commutation 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sens du courant dans chaque branche est detecté par des moyens (32) fournissant un signal représentatif du sens du courant qui parcourt la charge. 3. Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit de commande comporte deux blocs de commande (40, 42) de même constitution attaquant chacun un des composants commutateurs, ayant la caractéristique d'une bascule RS (48) dont l'entrée R reçoit le signal logique complementé provenant des moyens de détection et l'entrée S reçoit le résultat de l'opération ET dudit signal logique et du signal alterné de commande. 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par des moyens pour retarder d'un intervalle de temps déterminé le signal de fermeture effectivement appliqué sur l'entrée de commande par rapport au signal fourni par le circuit de commande. 5. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérise par des moyens pour mettre en conduction forcée, en alternance, les composants de commutation lorsque le courant qui traverse la charge est faible ou nul et qu'un signal alterné de commande est appliqué. 6. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal alterné de commande est constitué par un oscillateur (36) à fréquence commandée par tension.