Brevet FR2690576A1 — publié le 19931029

-1- Dispositif d'aide à la commutation pour composants interrupteurs de puissance montés en série dans un convertisseur d'énergie électrique alimenté en énergie électrique continue. La présente invention concerne un dispositif d'aide à la commutation pour composants interrupteurs de puissance montés en série dans un convertisseur d'énergie électrique alimenté par une source d'énergie électrique continue. On rappelle qu'un dispositif d'aide à la commutation pour composants interrupteurs de puissance a pour but de réduire les pertes de commutation, c'est à dire d'éviter que le produit de la tension aux bornes de ces composants par le courant qui les traverse, au moment des opérations de commutation, n'atteigne des valeurs trop élevées. On rappelle en outre qu'un dispositif d'aide à la commutation pour composant interrupteur de puissance commandable à l'ouverture et à la fermeture utilisé dans un convertisseur d'énergie électrique alimenté en énergie électrique continue comporte d'une manière générale: une inductance de limitation de vitesse de montée du courant dans ce composant, pendant les phases dites d'amorçage de ce composant (circuit de protection dit série), un condensateur de limitation de vitesse de montée de la tension aux bornes de ce composant, pendant les phases dites de blocage de ce composant (circuit de protection dit parallèle), un circuit de démagnétisation de ladite inductance de limitation, en dehors des phases d'amorçage de ce composant, un circuit de décharge dudit condensateur de limitation en dehors des phases de blocage de ce composant (circuit de protection dit parallèle). Suivant les valeurs comparées de la tension maximale inverse que peut supporter un composant interrupteur de puissance, et de la tension aux bornes de la source d'alimentation en énergie électrique continue, il peut être nécessaire de disposer plusieurs composants interrupteurs de puissance en série. Un dispositif connu d'aide à la commutation pour deux composants interrupteurs de puissance montés en série dans un convertisseur -2- d'énergie électrique constitué par un hacheur est rappelé sur la figure 1, o ces deux composants sont référencés respectivement INT 1, INT 2. Dans ce dispositif, il est prévu une inductance de limitation, LS, commune à ces deux composants, et un condensateur de limitation pour chacun de ces composants, ces condensateurs étant notés respectivement C 51, C 52 Chacun de ces condensateurs de limitation est en outre monté en série avec un ensemble formé par une résistance (notée respectivement R 51, R 52) et une diode (notée respectivement D 51, D 52) montées en parallèle. Les composants INT 1 et INT 2 considérés sont en l'occurence disposés entre le pôle positif, noté +HT, de la source de tension continue d'alimentation, et la charge, notée CH, et il est par ailleurs prévu, entre le point commun à l'inductance LS et aux composants INT 1, INT 2, et le pâle négatif HT de la source de tension continue d'alimentation, un ensemble formé par une diode, DS, montée en parallèle avec une résistance, RS, l'ensemble formé par les éléments DS et RS étant en outre monté en série avec un condensateur noté CC. Dans un dispositif d'aide à la commutation de ce type, l'inductance de limitation LS se démagnétise, pendant les phases de blocage, dans un circuit comportant la résistance RS et le condensateur CC, et les condensateurs de limitation C 51 et C 52 se déchargent, pendant les phases d'amorçage, dans des circuits25 comportant respectivement le composant INT 1 et la résistance R 51, et le composant INT 2 et la résistance R 52. Un tel dispositif a pour inconvénient de ne pas limiter autant qu'il serait nécessaire la vitesse de montée du courant dans ces composants aux instants d'amorçage, la décharge des condensateurs de limitation30 C 51 et C 52 entraînant en effet un sur-courant dans ces composants à ces instants Un tel dispositif a aussi pour inconvénient de ne pas permettre l'évacuation de l'énergie dite de commutation stockée dans l'inductance LS et dans les condensateurs C 51, C 52, dans un même dipôle d'évacuation de cette énergie.35 Un circuit d'aide à la commutation permettant d'éviter ces -3- inconvénients, et applicable à un convertisseur d'énergie électrique constitué par un bras d'onduleur et au cas d'un seul composant interrupteur de puissance, est décrit dans la demande de brevet allemand DE 3244 623 Ai. Dans ce dispositif, le condensateur de limitation est monté en série avec une diode, dite ici première diode, puis le point commun à cette première diode et à ce condensateur de limitation est raccordé par une diode dite ici deuxième diode, à l'une des bornes d'un dipôle dit d'évacuation d'énergie dont l'autre borne est à son tour raccordée à celle des bornes de l'inductance de limitation qui n'est pas connectée au composant interrupteur de puissance Un autre condensateur est en outre prévu entre le point commun à la deuxièmfie diode et au dipôle d'évacuation d'énergie, et celui des pales de la source de tension continue d'alimentation auquel ledit composant n'est pas connecté par l'intermédiaire de l'inductance de limitation. La présente invention a pour objet un dispositif d'aide à la commutation qui présente des avantages analogues à ceux de celui mentionné ci-dessus en dernier lieu, mais qui soit adapté au cas de composants interrupteurs de puissance montés en série. La présente invention a pour objet un dispositif d'aide à la commutation pour composants interrupteurs de puissance montés en série dans un convertisseur d'énergie électrique alimenté en énergie électrique continu, essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte une inductance, dite de limitation, montée en série avec lesdits composants, pour limiter la vitesse de montée du courant dans ces composants pendant les phases dites d'amorçage de ces composants, un condensateur, dit de limitation, connectable en parallèle sur chacun desdits composants, pour limiter la vitesse de montée de la tension aux bornes de ce composant, pendant les phases dites de blocage, de ces composants, un dip 8 le d'évacuation d'energie électrique stockée dans ladite inductance de limitation et dans lesdits condensateurs de limitation, des moyens dits de branchement permettant d'une part la connexion des condensateurs de limitation aux bornes desdits composants pendant les phase de blocage, et d'autre part, pendant les -4- phases de blocage la constitution d'un circuit dit de démagnétisation permettant d'évacuer l'énergie stockée dans ladite inductance de limitation, vers ledit dip 8 le d'évacuation d'énergie, et, pendant les phases d'amorçage, dans un premier temps la constitution de circuits dits de décharge permettant de transférer l'énergie stockée dans les condensateurs de limitation vers l'inductance de limitation, et dans un deuxième temps, la constitution d'un circuit de démagnétisation permettant d'évacuer l'énergie ainsi transférée dans l'inductance de limitation, vers le dipâle d'évacuation d'énergie. Suivant une autre caractéristique de l'invention, lesdits moyens de branchement comportent, pour chacun desdits composants, deux diodes dont l'une, dite première diode, permet la connexion du condensateur de limitation aux bornes du composant considéré pendant les phases de blocage, et dont l'autre, dite deuxième diode, permet, dans ledit premier temps des phases d'amorçage, la constitution d'un circuit de décharge pour le condensateur de limitation associé au composant considéré, la première et la deuxième diode associées à celui desdits composants qui se trouve directement connecté à l'inductance de limitation permettant, pendant les phases de blocage ainsi que pendant ledit deuxième temps des phases d'amorçage, la constitution dudit circuit de démagnétisation. D'autres objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation et d'application de la présente invention, faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels, outre la figure 1 décrite ci-dessus et relative à l'art antérieur: la figure 2 est un schéma d'un dispositif d'aide à la commutation suivant l'invention, adapté au cas de deux composants interrupteurs de puissance montés en série, dans une application à un convertisseur d'energie électrique constitué par un hacheur, la figure 3 illustre une variante pour le dispositif d'aide à la commutation représenté sur la figure 2, la figure 4 est un schéma d'un dispositif d'aide à la commutation suivant l'invention, adapté au cas de "n" composants interrupteurs de puissance'moncés en série dans une application à un -5- convertisseur d'énergie électrique constitué par un hacheur, la figure 5 illustre une autre variante pour le dispositif d'aide à la commutation représenté sur la figure 2, la figure 6 illustre une variante pour le dispositif d'aide à la commutation représenté sur la figure 5, la figure 7 illustre l'application d'un dispositif d'aide à la commutation suivant l'invention, tel qu'illustré sur la figure 2 par exemple, à deux bras de hacheur, la figure 8 illustre l'application d'un dispositif d'aide à la commutation suivant l'invention, tel qu'illustré sur la figure 2 par exemple, à un schéma hacheur-abaisseur inversé, la figure 9 illustre l'application d'un dispositif d'aide à la commutation suivant l'invention, tel qu'illustré sur la figure 2 par exemple, à un schéma hacheur-élévateur, la figure 10 illustre l'application d'un dispositif d'aide à la commutation suivant l'invention, tel qu'illustré sur la figure 2 par exemple, à un bras d'onduleur de tension. Le circuit d'aide à la commutation illustré sur la figure 2 est adapté au cas de deux composants interrupteurs de puissance, notés respectivement IN Tl, INT 2, montés en série dans un convertisseur d'energie électrique qui est à titre d'exemple un hacheur-abaisseur. Dans ce schéma, les composants IN Tl et INT 2 sont montés entre le p 8 le positif, noté +HT, de la source de tension continue d'alimentation, et la charge, notée CH Ces composants sont à titre25 d'exemple symbolisés par des thyristors blocables par la gachette, dits aussi GTO (Gate-Turn off) L'invention est néanmoins applicable au cas de tout composant interrupteur de puissance pourvu qu'il soit amorçable et blocable. Le circuit d'aide à la commutation illustré sur la figure 2 comporte: une inductance de limitation, notée LS, commune aux deux composants IN Tl et INT 2, un condensateur de limitation, noté C Sl, associé au composant IN Tl, un condensateur de limitation, noté C 52, associé au composant -6- INT 2, une première et une deuxième diode associées au composant INT 1, notées respectivement D 51 et DC 1, une première et une deuxième diode associées au composant INT 2, notées respectivement D 52 et DC 2, un dipôle d'évacuation d'énergie de commutation, noté RS A titre d'exemple ce dipôle d'évacuation d'énergie peut être constitué par une résistance; il pourrait aussi être constitué par un convertisseur continu-continu. L'inductance de limitation LS est connectée entre le pôle positif + HT et l'anode du composant INT 1. La diode D 51 a son anode connectée au point commun à l'inductance de limitation LS et au composant INT 1, et sa cathode connectée à l'une des bornes du condensateur de limitation C 51, l'autre borne du condensateur C 51 étant connectée à la cathode du composant INT 1 et à l'anode du composant INT 2. La diode D 52 a son anode reliée à la cathode du composant INT 1 et à l'anode du composant INT 2, et sa cathode reliée à l'une des bornes du condensateur de limitation C 52, l'autre borne du condensateur de limitation C 52 étant connectée à la cathode du composant INT 2. La diode DC 1 a son anode reliée au point commun à la diode D 51 et au condensateur de limitation C 51, et sa cathode reliée à l'une des bornes du dipôle d'évacuation d'energie RS, l'autre borne de ce dipôle étant connectée au pôle positif + HT de la source de tension continue d'alimentation. La diode DC 2 a son anode reliée au point commun à la diode D 52 et au condensateur de limitation C 52, et sa cathode reliée au point commun à la diode DC 1 et du dipôle d'évacuation d'énergie RS. Un autre condensateur, dit d'écrêtage, noté CC, est en outre connecté entre le point commun aux diodes D Cl et DC 2 et au dipôle d'évacuation d'energie RS. Ce schéma de hacheur inclut en outre, de façon classique, un condensateur dit de filtrage, CF, connecté entre les pôles positif + HT et négatif HT de la source de tension continue d'alimentation, et deux diodes de roue-libre, notées DRL 1 et DRL 2, connectées en série au -7- bornes de la charge CH. Ce schéma de hacheur peut en outre inclure, de façon classique, une diode, telle que DAP 1, DPA 2, montée en antiparallèle respectivement sur chacun des composants INT 1, INT 2, et un circuit5 d'équilibrage, tel que RE 51, RE 52, monté en parallèle sur chacun de ces composants. Il est en outre possible de monter en parallèle sur les diodes de roue libre des circuits de protection classiques, notés RCDRL 1, RCDRL 2. Le fonctionnement du circuit d'aide à la commutation illustré sur la figure 2 comporte les étapes suivantes: à l'amorçage des composants INT 1 et INT 2 a) échange de courant des diodes de roue libre vers les deux composants interrupteurs en série, b) au blocage des diodes de roue libre, un circuit du type LC série (avec L formé de l'inductance de limitation LS et C formé des condensateurs de limitation C Sl et C 52 en parallèle) se constitue et décharge les condensateurs de limitation C 51 et C 52 (les diodes DC 1 et DC 2 étant alors amorcées), c) au bout d'un quart de la période du circuit précédent, les condensateurs C 51 et C 52 sont déchargés Dans le cas o le dipôle d'évacuation d'énergie est constitué par exemple par une résistance, un circuit du type RLC parallèle apparaît alors, avec L formé de l'inductance LS, C peu différent du condensateur CC (de capacité très supérieure à celle des condensateurs C 51 et C 52 en série) et R formé de la résistance d'évacuation d'énergie L'inductance LS qui a reçu l'énergie stockée dans les condensateurs C 51 et C 52 transmet alors cette énergie à la résistance RS. au blocage: a) le courant I de chacun des composants interrupteurs est dévié m vers le condensateur de limitation qui lui est associé; la vitesse de montée de la tension est limitée à I m/CS si CS est la valeur de ce condensateur, b) Lorsque le potentiel du point A tend à dépasser la tension E de la source de tension continue d'alimentation, la diode DC 1 s'amorce -8- et l'inductance de limitation LS se démagnétise dans le circuit du type R, L, C déjà mentionné. La figure 3 illustre une variante pour ce circuit d'aide à la commutation, consistant à placer une résistance, notée RD 52, en parallèle sur D 52. Ceci a pour avantage d'autoriser une décharge lente des deux condensateurs C Sl et C 52 (en série) après un blocage, jusqu'à ce que la tension aux bornes des deux condensateurs en série rejoigne la valeur de la tension sur le condensateur de filtrage On gagne alors sur le dimensionnement des condensateurs C Sl et C 52 La résistance RD 52 est bien sur correctement dimensionnée pour que le courant qu'elle rajoute dans les composants interrupteurs à l'amorçage ait un effet négligeable sur les pertes à l'amorçage de ces composants. Dans ce cas la dissipation d'énergie dans RD 52 est négligeable par rapport à la partie évacuée par le dipôle d'évacuation d'énergie RS La récupération d'energie par RS reste intéressante et, dans le cas de l'installation du schéma dans une enceinte fermée, on peut ne sortir que les connexions vers RS. Le principe exposé jusqu'ici pour le cas de deux composants interrupteurs est aisément extensible au cas de plus de deux composants interrupteurs en série. La figure 4 illustre ainsi le cas de N composants IN Tl, INT 2 IN Tn, qui sont également à titre d'exemple symbolisés par des thyristors GTO. De même qu'un condensateur de limitation (C Sl, C 52), ainsi qu'une première diode (D Sl, D 52) et une deuxième diode (D Cl, DC 2), sont associés respectivement aux composants IN Tl et INT 2 de la figure 2, un condensateur de limitation, C Si, et une première et une deuxième diode, D Si, D Ci, sont de même associés à chaque composant IN Ti (avec 2 Ci$ n), l'inductance de limitation LS et le dip 8 le d'évacuation d'énergie RS étant de même commun à l'ensemble des ces composants. On notera que les diodes de roue-libre sont également en nombre égal à n, ces diodes étant notées DR Ll, DRL 2 DR Ln. La figure 5 illustre une autre variante pour le dispositif d'aide à la commutation suivant l'invention, consistant en un découplage du -9condensateur CC par mise en parallèle avec le dipôle d'évacuation d'energie RS d'un condensateur noté CC 2. L'avantage de cette disposition réside dans le fait que le condensateur CC 2 n'est dimensionné que pour tenir les surtensions liées aux commutations, alors que le condensateur CC est dimensionné pour la somme de la surtension maximale de commutation et de la valeur maximale de la tension filtrée. Dans la mesure o les selfs de câblage vers le condensateur de filtrage l'autorisent, on peut se passer du condensateur CC (ce qui est symbolisé sur la figure par une représentation en pointillés) et réaliser ainsi un gain dans le dimensionnement du schéma. La figure 6 illustre une variante pour le dispositif d'aide à la commutation représenté sur la figure 5 Suivant cette variante, une diode, notée DCC, est connectée entre le point commun aux diodes DC 1 et DC 2 (auquel elle est en l'occurence connectée par son anode) et le point commun au condensateur CC, au dipôle d'évacuation d'énergie RS, et au condensateur CC 2 (auquel elle est en l'occurence connectée par sa cathode) Cette diode DCC permet de limiter les oscillations parasites dans le cas o les deux condensateurs, CC et CC 2, sont utilisés. La figure 7 illustre l'application d'un dispositif tel qu'illustré sur la figure 2 par exemple, à deux bras de hacheurs connectés respectivement entre une source de tension continue d'alimentation commune, et deux charges distinctes notées25 respectivement C Hl et CH 2 Chacun de ces bras est muni d'un tel dispositif, les éléments de ces bras et de ces dispositifs étant, sur la figure, affectés de l'indice 1 pour l'un de ces bras et de l'indice 2 pour l'autre bras, le dipôle d'évacuation d'energie RS et le condensateur CC étant en l'occurence communs aux deux bras. Les figures 8, 9 et 10 illustrent l'application d'un dispositif d'aide à la commutation suivant l'invention, tel qu'illustré sur la figure 2 par exemple, respectivement à un schéma hacheur-abaisseur inversé, à un schéma hacheur-élévateur, et à un bras d'onduleur de tension, tous de conception classique et par conséquent non redécrits35 ici. -10- On notera simplement que dans l'application à un bras d'onduleur de tension, deux ensembles de deux composants interrupteurs en série étant utilisés, les divers éléments formant ce schéma ont été affectés de l'indice 1 pour un de ces ensembles, et de l'indice 2 pour l'autre de ces ensembles. Le schéma de la figure 10 est en outre complété, de façon classique, par des diodes notées dl 1, d 2 1, dl 2, d 2 2 et par des circuits de protection associés, notés RC Dl l, RCD 2 1, RCDI 2 et R Cd 2 2. Bien que non illustrée spécifiquement sur les dessins, l'application d'un dispositif d'aide à la commutation suivant l'invention à un schéma hacheur-élévateur inversé serait aussi possible. -11- REVENDICATIONS 1) Dispositif d'aide à la commutation pour composants interrupteurs de puissance (INTI, INT 2) montés en série dans un convertisseur d'energie électrique alimenté en énergie électrique continue, caractérisé en ce qu'il comporte: une inductance (LS), dite de limitation, montée en série avec lesdits composants, pour limiter la vitesse de montée du courant dans ces composants pendant les phases dites d'amorçage de ces composants, un condensateur (C 51, C 52), dit de limitation, connectable en parallèle sur chacun desdits composants, pour limiter la vitesse de montée de la tension aux bornes de ce composant, pendant les phases dites de blocage de ces composants, un dipâle (RS) d'évacuation d'energie électrique stockée dans ladite inductance de limitation et dans lesdits condensateurs de limitation, des moyens dits de branchement (D 51, DC 1, D 52, DC 2) permettant d'une part la connexion des condensateurs de limitation aux bornes desdits composants pendant les phases de blocage, et d'autre part, pendant les phases de blocage la constitution d'un circuit dit de démagnétisation permettant d'évacuer l'énergie stockée dans ladite inductance de limitation, vers ledit dip 8 le d'évacuation d'énergie, et, pendant les phases d'amorçage, dans un premier temps la constitution de circuits dits de décharge permettant de transférer l'énergie stockée dans les condensateurs de limitation vers l'inductance de limitation, et dans un deuxième temps, la constitution d'un circuit de démagnétisation permettant d'évacuer l'énergie ainsi transférée dans l'inductance de limitation, vers le dip 8 le d'évacuation d'énergie. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de branchement comportent, pour chacun desdits composants, deux diodes dont l'une, dite première diode (D 51, D 52) permet la connexion du condensateur de limitation aux bornes du composant considéré pendant les phases de blocage, et dont l'autre, dite deuxième diode (DC 1, DC 2) permet, dans ledit premier temps des phases d'amorçage, la constitution d'un circuit de décharge pour le condensateur de -12- limitation associé au composant considéré, la première et la deuxième diode associées à celui desdits composants qui se trouve directement connecté à l'inductance de limitation permettant, pendant les phases de blocage ainsi que pendant ledit deuxième temps des phases d'amorçage, la constitution dudit circuit de démagnétisation. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première diode (D 51, D 52) à une électrode d'un premier type connectée, pour ce qui est de celui desdits composants qui se trouve directement connecté à l'inductance de limitation, au point commun à ce composant et à cette inductance, et pour ce qui est des autres composants, au point commun au composant considéré et à celui qui le précède dans le montage en série de ces composants, ladite première diode (D 51, D 52) a une électrode d'un deuxième type connectée au condensateur de limitation correspondant, ladite deuxième diode (DC 1, DC 2) a une électrode d'un premier type connectée à l'électrode d'un deuxième type de ladite première diode, et une électrode de deuxième type connectée à l'une des bornes du dipôle d'évacuation d'énergie, l'autre borne de de dipôle étant connectée à celle des bornes de l'inductance de limitation qui n'est pas raccordé au premier desdits composants de la mise en série. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une résistance (RD 52) montée en parallèle sur ladite première diode, pour les composants autres que celui connecté directement à ladite inductance de limitation. 5) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un condensateur (CC), connecté entre le point commun auxdites deuxièmes diodes et au dipôle d'évacuation d'énergie, et celui des pôles de la source d'alimentation en énergie électrique continue qui n'est pas raccordé auxdits composants, par l'intermédiaire de l'inductance de limitation. 6) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un condensateur (CC 2) connecté en parallèle sur le dipôle d'évacution d'énergie (RS). 7) Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une diode (DCC) connectée entre le point commun -13auxdites deuxièmes diodes, et le point commun au dipôle d'évacuation d'énergie et au condensateur (CC 2) monté en parallèle sur ce dip 1 le d'évacuation d' énergie.