Brevet FR2789241A1 — publié le 20000804

L'invention concerne un dispositif pour réaliser la détente de branchement d'onduleurs à 3 niveaux comportant des semiconducteurs de puissance pouvant être débranchés, et des condensateurs de circuit intermédiaire, et comportant une bobine de réactance de détente de branchement, moyennant l'utilisation d'un circuit formé d'un interrupteur commandé et d'une diode branchée selon un montage antiparallèle avec cet interrupteur, éléments en série avec lesquels est monté un condensateur. Les onduleurs à 3 niveaux connus (dans: EPE Journal Vol. 4, N 2, juin 1994, Y. Tadros, S. Salama, Th. Schutze: "Three Level IGBT Inverters for Industrial Drives and Traction Applications", page 38 et suivantes, figure 3) dans la technologie GBT (c'est-à-dire à transistors bipolaires à grille isolée) sont constitués par quatre transistors IGBT dans chaque branche, avec quatre diodes branchées selon un montage antiparallèle et deux diodes de verrouillage. Dans des applications de grande puissance, l'utilisation des onduleurs à 3 niveaux connus est très compliquée en raison des pertes qui apparaissent, et notamment des pertes de branchement ainsi qu'en raison de la taille des composants à utiliser (notamment des condensateurs pour tension continue), et des liaisons, qui sont affectées d'une inductance, entre les composants sans circuits de détente et/ou de verrouillage. D'après le document allemand DE 37 43 437, on connait un circuit pour réaliser la détente des éléments de circuits à semiconducteurs d'un onduleur à trois points. Pour limiter la vitesse de montée du courant de charge, on prévoit des bobines de réactance Ll et L2 réalisant une détente de branchement. Les courants de charge, qui circulent dans les bobines de réactance utilisées pour la détente de branchement, sont commutés lors du débranchement, dans les diodes (Dll,D12) ou (D21,22) qui sont disposées selon un branchement antiparallèle avec les interrupteurs Sl/S2 et chargent les condensateurs CSP1 et CSP2 branchés en série avec les interrupteurs S1/S2. Les condensateurs sont chargés par ce courant, qui diminue après le débranchement, à une tension qui est supérieure à la tension continue des condensateurs respectifs du circuit intermédiaire, de sorte que sous l'effet de l'ouverture de l'interrupteur S2, il est possible qu'il se produise une alimentation en retour dans la ligne d'alimentation à tension continue. D'après le document allemand DE 196 36 248 C1 on connaît un procédé pour réaliser la détente de commutation d'un transistor IGBT, à l'aide duquel, dans le cas d'onduleurs à 2 niveaux, on peut éviter les pertes de branchement qui sont provoquées par des résistances. Cependant, pour des applications de grande puissance, l'onduleur à 3 niveaux est mieux approprié en raison du fait que l'on peut avoir des tensions de mutateur plus élevées, et par conséquent est donc utilisé de plus en plus fréquemment. Jusqu'à présent, on ne connaissait aucune solution pour des onduleurs à 3 niveaux, à l'aide de laquelle on puisse réduire les pertes de branchement moyennant une faible dépense (sans résistance). Pour la réduction des pertes de branchement et pour la limitation de la pente de montée des courants de branchement dans des onduleurs à 3 niveaux comportant des semiconducteurs de puissance pouvant être débranchés, il est connu de prévoir entre les condensateurs du circuit intermédiaire et des semiconducteurs de puissance une inductance concentrée (bobine de réactance) et un circuit de verrouillage, constitué par un condensateur de verrouillage et une diode ainsi qu'une résistance de décharge. En particulier dans le cas de fréquences assez élevées de commutation, il apparaît de ce fait des pertes élevées, dues notamment à la résistance de décharge (se référer à: ETG- Fachberichte, Bad Nauheim, Mai 1998, Dr. H. Gr ning, "Der GCT-Starken von GTO- und IGBT-Technologie in einer Einheit", page 89, figure 14). L'invention a pour but de développer un dispositif du type indiqué qui garantisse que les pertes de branchement sont réduites et que la pente de montée des courants de branchement dans des onduleurs à 3 niveaux est limitée, dans des applications de grande puissance. Ce problème est résolu conformément à l'invention à l'aide du dispositif pour réaliser la détente de branchement d'onduleurs à 3 niveaux comportant des semiconducteurs de puissance pouvant être débranchés, et des condensateurs de circuit intermédiaire, et comportant une bobine de réactance de détente de branchement, moyennant l'utilisation d'un circuit formé d'un interrupteur commandé et d'une diode branchée selon un montage antiparallèle avec cet interrupteur, éléments en série avec lesquels est monté un condensateur, caractérisé en ce que l'interrupteur respectif commandé et la diode branchée selon un montage antiparallèle avec cet interrupteur et le condensateur branché en série avec cet interrupteur et cette diode sont branchés respectivement en parallèle avec les condensateurs du circuit intermédiaire, au moins sur le côté moteur du redresseur de sorte qu'à l'état stationnaire, le condensateur branché en série est chargé jusqu'à une valeur de tension, supérieure à la tension aux bornes du condensateur respectif du circuit intermédiaire, et le câblage des condensateurs du circuit intermédiaire est disposé entre le même redresseur et le redresseur situé côté réseau ou situé côté moteur, les bobines de réactance étant situées dans les lignes reliant le redresseur situé côté réseau et le redresseur situé c6té moteur. Le circuit de verrouillage prévu conformément à l'invention peut être installé très près des semiconducteurs de puissance, de sorte que l'inductance des liaisons électriques est réduite en raison de la courte longueur des lignes. Les condensateurs de verrouillage devant être utilisés peuvent être choisis nettement plus petits que les condensateurs du circuit intermédiaire. Pour la décharge des condensateurs, les interrup- teurs commandables sont fermés peu avant le débranchement des semiconducteurs de puissance, dans la branche de phase de l'onduleur. Pour éviter des pertes lors du débranchement des interrupteurs commandables, les courants circulant dans ces interrupteurs sont commutés par débranchement des semiconducteurs de puissance dans l'onduleur à 3 niveaux. De ce fait le courant provenant des interrupteurs commandables est commuté dans les diodes de sorte qu'on évite un débranchement, provoquant une perte, des interrupteurs commandables. Les pertes dans les interrupteurs commandables sont faibles au point d'être négligeables même dans le cas de fréquences élevées de commutation. Selon une autre caractéristique de l'invention, les interrupteurs commandés sont commandés de telle sorte que respectivement l'un des interrupteurs commandés est fermé peu avant que l'un des interrupteurs véhiculant le courant soit ouvert. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 montre la représentation schématique d'un montage pour un onduleur à 3 niveaux conforme à l'état de la technique; - la figure 2 montre la représentation schématique du montage de la figure 1 comportant le dispositif de l'invention; - la figure 3 montre la représentation schématique d'un montage pour plusieurs onduleurs à 3 niveaux comportant le dispositif selon l'invention appliqué à un condensateur de circuit intermédiaire à 3 niveaux; et - la figure 4 montre la représentation schématique d'une autre variante de réalisation de l'invention pour un montage selon la figure 3. La figure 1 montre, selon une représentation schématique, le schéma de circuit d'un onduleur à 3 niveaux conforme à l'état de la technique. Chaque branche de l'onduleur (branche de phase) est formée par quatre semiconducteurs de puissance débranchables (IGBT) T1 à T4 qui sont reliés par des amplificateurs respectifs d'impulsions à une unité de commande, par quatre diodes antiparallèles D1 à D4, par deux diodes de zéro D.,,Du2 et par des condensateurs C1,C2 du circuit intermédiaire, aux bornes desquels est appliquée respectivement une tension Ud/2. La tension continue U,/2 peut être appliquée par l'intermédiaire de la prise positive (T1 et T2 sont conducteurs), par l'intermédiaire de la prise centrale 0 (T2 et T3 sont conducteurs) et par l'intermédiaire de la prise négative (T3 et T4 sont conducteurs) aux bornes de sortie de l'onduleur. Le dispositif selon l'invention est représenté sur la figure 2. Le câblage selon l'invention, qui est disposé dans le circuit intermédiaire, est suffisant sans qu'il faille prévoir des résistances affectées d'une perte, et garantit de ce fait, dans le cas d'onduleurs à 3 niveaux dans des applications de grande puissance tels que des véhicules tracteurs ferroviaires, que des pertes de branchement sont évitées dans une large mesure. Grâce à une commande intelligente des interrupteurs Tcx,TC2, les pertes peuvent être également fortement réduites dans ces interrupteurs. Sur la figure 2, des combinaisons, qui sont constituées chacune par un interrupteur Tc,,Tc2 et par une diode branchée selon un montage antiparallèle Dc1 et DC2 et par un condensateur Cox,Cc2 branchés en série avec cette combinaison, sont branchées, du côté de la charge, respectivement en parallèle avec les condensateurs Cet C2 du circuit intermédiaire, pour réaliser une détente de branchement avec de faibles pertes. A l'état stationnaire, les condensateurs C=l et C=2 sont chargés jusqu'à la valeur de tension Ucc. ou Uc.2 > U,/2, par exemple à une valeur de tension de 1,1 Ud/2. Les interrupteurs TC1 et TC2 sont branchés pour la décharge partielle des condensateurs C=l et C.2 de manière à limiter les tensions continues UccL et Uc.2. Les pertes de commutation des interrupteurs T.1 et T.2 peuvent être fortement réduites par une commande intelligente des interrupteurs T.1 et T.2. Par exemple l'interrupteur T,1 ou l'interrupteur TC2 peut être branché avant que l'un des interrupteurs T1,T2 ou T4 véhiculant le courant soit débranché dans le processus de commutation. Le courant sortant des interrupteurs commandables TC,,T,2 est commuté, lors du débranchement de l'interrupteur véhiculant le courant, dans les diodes Dx,D,=2 de sorte qu'un débranchement, affecté de pertes, des interrupteurs commandables T=,,T=2 est évité. Sur la figure 3, on a représenté une variante de réalisation du dispositif selon l'invention pour plusieurs onduleurs à 3 niveaux, raccordés a un circuit intermédiaire de condensateurs à 3 niveaux, du type pouvant être utilisé par exemple pour le redresseur d'entraînement de trains à grande vitesse du type dit "transrapides". La figure 4 représente une autre variante de réalisation du dispositif selon l'invention pour plusieurs onduleurs à 3 niveaux raccordés à un circuit intermédiaire de condensateurs à 3 niveaux et dans lequel des bobines de réactance communes de détente LS et L.2 sont utilisées pour les redresseurs situés côté réseau et côté moteur. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour réaliser la détente de branchement d'onduleurs à 3 niveaux comportant des semiconducteurs de puissance pouvant être débranchés, et des condensateurs de circuit intermédiaire, et comportant une bobine de réactance de détente de branchement, moyennant l'utilisation d'un circuit formé d'un interrupteur commandé et d'une diode branchée selon un montage antiparallèle avec cet interrupteur, éléments en série avec lesquels est monté un condensateur, caractérisé en ce que l'interrupteur respectif commandé (Tcii,Tó2,T.3,Tc4) et la diode (D.,D.,2Dc32,Dc,4) branchée selon un montage antiparallèle avec cet interrupteur et le condensateur (CoxC2C,C=4) branché en série avec cet interrupteur et cette diode sont branchés respectivement en parallèle avec les condensateurs (C0,C2) du circuit intermédiaire, au moins sur le côté moteur du redresseur de sorte qu'à l'état stationnaire, le condensateur (C=CC2,C=3,Cc4) branché en série est chargé jusqu'à une valeur de tension, supérieure à la tension (U,/2) aux bornes du condensateur respectif (C_,C2) du circuit intermédiaire, et le câblage des condensateurs (C,,C2) du circuit intermédiaire est disposé entre le même redresseur et le redresseur situé côté réseau ou situé côté moteur, les bobines de réactance (Lé,Ls2,L3,L s4) étant situées dans les lignes reliant le redresseur situé côté réseau et le redresseur situé côté moteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les interrupteurs commandés (Tox à T=4) sont commandés de telle sorte que respectivement l'un des interrupteurs commandés (T=x à T=4) est fermé peu avant que l'un des interrupteurs (T1 à T4) véhiculant le courant soit ouvert.