Brevet FR2813720A1 — publié le 20020308

PROCEDE ET DISPOSITIF DE COMMANDE D'ALIMENTATION La présente invention concerne les alimentations électroniques de puissance. Elle trouve en particulier avantageusement application pour la réalisation d'onduleurs basse fréquence ou pour la commande à vitesse variable de moteurs électriques à induction. Un but général de l'invention est de proposer une alimentation électronique haute puissance qui présente une pollution harmonique faible et permette de réaliser une commande variable. La technique actuelle pour commander le courant d'alimentation des moteurs à induction avec une faible pollution harmonique consiste en l'insertion d'un étage de type boost . Dans cet étage supplémentaire, le contrôle du courant est effectué à travers une inductance série par les commutations d'un interrupteur. Un tel circuit permet le filtrage actif du courant et l'obtention en entrée de la charge d'un courant à intensité contrôlée, notamment par exemple d'un courant quasi-sinusoïdal. L'avantage de cette solution est qu'elle procure un composant propre , c'est-à-dire dont les émissions harmoniques restent faibles. Cette solution est donc étudiée actuellement par les industriels pour passer la norme 1000-3-2 sur les limites d'émissions harmoniques. En particulier, sont concernées les applications de vitesse variable associées aux moteurs à induction (par exemple un climatiseur à vitesse variable ou de l'électroménager à vitesse variable). Toutefois, cette solution présente l'inconvénient d'un surcoût relativement important, puisqu'elle requiert un étage supplémentaire, et en particulier un interrupteur statique supplémentaire. En parallèle, de nouvelles structures électroniques propres sont apparues dans le domaine de l'éclairage fluo-compact. Ces structures mettent en oeuvre une alimentation de type charge pump qui repose sur l'utilisation d'oscillations haute fréquence. Tout au long de l'arche de tension d'entrée, on charge une capacité de stockage au travers de ces oscillations. Cette charge est progressive avec le niveau de tension d'entrée. On obtient en sortie une forme de courant proche de la sinusoïde donc propre et un haut facteur de puissance. De telles structures sont destinées à l'alimentation de ballasts électroniques. Ce sont généralement des structures en demi-pont comportant un circuit à résonance série. La fréquence de commutation des interrupteurs du ou des demi-ponts est égale à la fréquence propre du circuit résonant. On obtient donc un signal de sortie dont la fréquence est fixe, égale à la fréquence des oscillations HF du circuit résonant, soit en général 30 kHz en éclairage. De telles structures ne permettent donc pas de réaliser une commande variable. L'invention propose quant à elle un procédé pour contrôler l'alimentation délivrée à une charge par un montage comportant une source de tension, un circuit onduleur à résonance qui est alimenté par ladite source et qui comporte plusieurs demi-ponts d'interrupteurs montés aux bornes de moyens capacitifs, ledit montage comportant également des moyens pour commander l'ouverture et la fermeture de ces interrupteurs, caractérisé en ce qu'on modifie cette fréquence de découpage. Une telle modification de la commande de découpage permet d'obtenir des fréquences de sortie de l'ordre du Hz en commandant les interrupteurs avec des fréquences de découpage de l'ordre du kHz. L'invention propose également un dispositif de commande d'alimentation comprenant un montage du type précité et des moyens pour modifier cette fréquence de découpage. Avantageusement, ce dispositif comporte un pont d'éléments formant diodes monté entre la source et les demi-ponts du circuit onduleur, ainsi que des moyens capacitifs de résonance montés entre les points milieux des branches du pont de diodes et les points milieux des demi-ponts du circuit onduleur. Notamment, les moyens de résonance montés entre les points milieux des branches du pont de diodes et les points milieux des demi-ponts du circuit onduleur peuvent comporter en outre des moyens inductifs en série avec des moyens capacitifs. Néanmoins, dans un mode de réalisation préférentiel, les moyens de résonance comportent en outre des moyens inductifs montés de part et d'autre du pont d'élément formant diodes. L'invention propose notamment un onduleur basse fréquence ou un dispositif pour la commande d'un moteur à induction, caractérisé en ce qu'il est constitué par un tel dispositif d'alimentation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non- limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquelles - la figure 1 est un schéma d'un montage charge pump ; - les figures 2a à 2c sont des graphes qui illustrent un cycle de fonctionnement d'un montage du type de celui de la figure 1 avec une fréquence supérieure à la fréquence de ces circuits de résonance ; - la figure 3 illustre un autre montage possible pour l'invention ; - la figure 4 illustre le courant de charge obtenu aux bornes de la charge avec ce montage ; - les figures 5 et 6 illustrent deux montages possibles pour la réalisation d'une alimentation triphasée ; - la figure 7 illustre une autre variante de montage possible. La figure 1 représente un circuit charge pump à deux demi-pont, apte à permettre de réaliser une alimentation monophasée conforme à un mode de mise en oeuvre de l'invention. Ce circuit comprend deux branches ADB et AEB connectées en parallèle entre un point A et un point B. Chacune des branches comprend deux diodes montées en série. La diode D1 (respectivement D2) a sa cathode en B et son anode en D (respectivement E). Ce circuit comporte en outre - un générateur de signal sinusoïdal basse fréquence dont une borne est connectée sur la première branche au point D entre les diodes D1 et D3, et l'autre borne est connectée sur la deuxième branche au point E entre les diodes D2 et D4, - un pont de diodes constitué par deux branches parallèles BJC et BKC connectées entre le point B et un point C comprenant chacune deux diodes. La diode D5 (respectivement D6) a sa cathode en B et son anode en J (respectivement K) est montée en série avec la diode D7 (respectivement D8). La diode D7 (respectivement D8) est montée entre le point J et le point C dans le même sens que la diode D5 (respectivement D6). - un onduleur constitué par un pont d'interrupteurs en H connecté entre les points C et A comprenant quatre interrupteurs, S1 et S3 sur la branche CFA, S2 et S4 sur la branche CGA. S1 (respectivement S2) relie les points C et F (respectivement G), et S3 (respectivement S4) relie les points F (respectivement G) et A. La charge est connectée aux points F et G. - un condensateur de stockage Cs monté en parallèle avec le pont en H entre les points C et A, - un premier circuit résonant comprenant un condensateur C1 en série avec une inductance L1 et connecté entre les points J et F, - un deuxième circuit résonant qui en l'occurrence est identique au premier, ce circuit oscillant comprenant un condensateur C2 en série avec une inductance L2 et étant connecté entre les points K et G. Les interrupteurs S1 et S4 d'une part et S2 et S3 d'autre part sont ouverts et fermés de façon simultanée, et les interrupteurs d'un même demi-pont sont commandés en alternance (lorsque S1 est ouvert, S3 est fermé, et vice versa). Le cycle d'ouverture et de fermeture des interrupteurs du pont en H est commandé à une fréquence que l'on fait varier pour contrôler la puissance d'alimentation de la charge et qui est inférieure à la fréquence de résonance des circuits oscillants. Ainsi que l'illustrent les figures 2a à 2c, le fonctionnement (pour un rapport cyclique d'ouverture/fermeture qui en l'occurrence est de 50 %, mais qui pourrait être différent, selon la commande que l'on cherche à réaliser) est alors le suivant El Phase 1 : S1 et S4 sont ouverts, S2 et S3 sont fermés, D5 est passante Le condensateur C1 du circuit résonant se charge à travers D1, D5, S3 et D4. La charge est alimentée par le condensateur Cs. G Phase 2 : S1 et S4 sont ouverts, S2 et S3 sont fermés, D7 est passante La tension aux bornes du condensateur C1 est supérieure à la tension aux bornes de la capacité de stockage Cs et à la tension aux bornes de l'alimentation. La capacité C1 se décharge à travers D7, chargeant ainsi la capacité de stockage Cs et alimentant la charge avec une intensité de courant plus importante que pendant la phase 1. E Phase 3 : S1 et S4 sont ouverts, S2 et S3 sont fermés, D5 et D7 sont bloquées La tension aux bornes de la capacité C1 se maintient constante. La capacité de stockage Cs fournit du courant à la charge à travers S2 et S3. L'intensité du courant à travers la charge est la même que celle de la phase 1. G Phase 4 : S1 et S4 sont fermés, S2 et S3 sont ouverts, D7 est passante L'interrupteur S1 étant fermé, le circuit résonant L1, C1, oscille à travers la diode D7 et l'interrupteur S1. La tension aux bornes de C1 et C2 s'inverse. El Phase 5 : S1 et S4 sont fermés, S2 et S3 sont ouverts, D5 est passante La tension aux bornes de C2 étant comprise entre la tension aux bornes de la capacité Cs et la tension à la sortie de l'alimentation, la capacité C2 va charger Cs à travers l'interrupteur S4. Il Phase 6 : S1 et S4 sont fermé, S2 et S3 sont ouverts, D5 et D7 sont bloquées La capacité de stockage Cs fournit du courant à la charge à travers S 1 et S4. On comprend aisément, notamment si l'on se réfère à la figure 2c, qu'il est possible, en ajustant la fréquence du cycle d'ouverture fermeture des interrupteurs, de modifier l'intensité moyenne du courant de charge et ainsi de réguler la puissance fournie à la charge. Une variante de réalisation préférée est toutefois représentée sur la figure 3. Dans cette variante, , le circuit charge pump a été modifié. Les inductances des circuits résonants L C (L1C1, L2C2 sur la figure 1) ne sont plus placées en série avec les capacités de résonance C1 et C2 : elles sont remplacées par deux inductances La et Lb de chaque côté du pont de diodes. Ainsi, par rapport au circuit de la figure 1, les inductances ne sont plus associées aux capacités, mais partagées par l'ensemble des capacités de résonance. Le fonctionnement au niveau d'un bras de l'onduleur d'une telle structure est le suivant il Phase 1 : S1 et S4 sont ouverts, S2 et S3 sont fermés, D5 est passante, D7 bloquée. Le condensateur C1 du circuit résonant se charge à travers LaC1 et l'interrupteur S3 jusqu'à ce que la diode D7 devienne passante ou que le courant dans La s'annule. El Phase 2 : S1 et S4 sont ouverts, S2 et S3 sont fermés, D5 et D7 passantes. Si la diode D7 est devenue passante, l'alimentation va charger la capacité de stockage Cs directement à travers L1 et L2, jusqu'à ce que le courant s'annule. C Phase 3 : S1 et S4 sont ouverts, S2 et S3 sont fermés, D5 et D7 sont bloquées. Quand le courant s'est annulé dans les inductances, l'alimentation est totalement découplée de la charge. La capacité Cs continue à fournir le courant de charge. El Phase 4 : S1 et S4 sont fermés, S2 et S3 sont ouverts, D7 est passante L'amorçage de S1 entraîne une oscillation de courant dans les circuits résonnants qui se termine par la conduction des diodes D6 et D7 (ou l'annulation du courant dans les inductances) et l'inversion de la tension dans les capacités C1 et C2. il Phases 5 et 6 : même situations que dans les phases 1 et 2 en inversant D5 et D7. Le courant de charge alors obtenu aux bornes de la charge est du type illustré sur la figure 4. Comme dans le cas du montage de la figure 1, ce courant de charge peut être régulé en modifiant la fréquence de découpage de l'onduleur. On notera que les inductances La et Lb - outre qu'elles permettent un découplage plus important entre la source d'alimentation en entrée et la capacité de stockage en sortie - permettent de réduire fortement les harmoniques. On notera que l'invention trouve avantageusement application dans le cas d'une alimentation triphasée. C'est ce qu'illustre le montage de la figure 5. Par rapport au montage de la figure 2, ce montage comprend deux diodes D9 et D10 supplémentaires montées en parallèle entre les points B et C, un demi-pont supplémentaire composé des interrupteurs S5 et S6, et un troisième circuit résonant C3 L3. La charge est commandée en triphasée, elle est connectée aux points F, G et M. Les interrupteurs sont commandés en modulation à largeur d'impulsions à la même fréquence mais déphasés de telle sorte que les trois demi-ponts alimentent successivement la capacité de stockage. On démontre que la modification de la fréquence de découpage de l'onduleur d'un tel montage permet de réguler la puissance fournie à la charge. Une autre variante de montage triphasé est encore présentée sur la figure 6. Sur ce montage, les trois inductances L1 à L3 sont remplacées par deux inductances La, Lb de part et d'autre du pont de diodes. Les avantages sont alors similaires à ceux exposés ci-dessus en référence au montage de la figure 3. En outre, ce montage permet d'avoir à n'utiliser que deux inductances (au lieu de 3 dans le cas du montage de la figure 5). Une structure du type de celles qui viennent d'être décrites peut avantageusement être utilisée pour la réalisation d'onduleurs à modulations à largeur d'impulsions ou pour la réalisation de variateurs de vitesses. A titre d'exemple, elle permet des puissances de sortie de 1 kW et des fréquences de sortie de 1 à 50 kHz, ce qui dans le cas de la commande de moteur à induction répond au besoin des applications électroménagers. Le dimensionnement des différents composants se fait avantageusement de la façon suivante : on choisit les valeurs des différentes capacités en fonction de la puissance souhaitée. Puis, la valeur de l'inductance Lb est fixée de façon à obtenir une fréquence de résonance deux fois supérieure à la fréquence de commutation maximale des interrupteurs (transistors). Enfin, la valeur de La est ajustée pour diminuer le taux d'harmoniques sans changer le comportement global du circuit. D'autres variantes de réalisation sont bien entendu encore envisageables. Notamment, il peut avantageusement être prévu sur les circuits qui viennent d'être décrits des moyens permettant, en cours de fonctionnement, de déconnecter indépendamment les uns des autres les sous-circuits oscillants auxquels les points milieux des différents demi-ponts d'interrupteurs sont connectés. Cette déconnexion peut par exemple être réalisée au moyen d'interrupteurs commandés disposés sur les différentes branches reliant les points milieux des demi-ponts d'interrupteurs aux sous- circuits oscillants. En variante encore, dans le cas d'un montage triphasé, il peut être possible de réaliser une alimentation propre avec un seul circuit résonnant. Un exemple de mode de réalisation en ce sens est illustré sur la figure 7. Dans ce mode de réalisation, les diodes D6, D7, D9 et D10, ainsi que les condensateurs C1 et C2 sont supprimés, seul l'un des bras de l'onduleur (celui en l'occurrence constitué des interrupteurs S1 et S6) étant relié au circuit résonnant La, C. Revendications 1. Procédé pour contrôler l'alimentation délivrée à une charge par un montage comportant une source de tension, un circuit onduleur à résonance qui est alimenté par ladite source et qui comporte plusieurs demi-ponts d'interrupteurs montés aux bornes de moyens capacitifs, ledit montage comportant également des moyens pour commander l'ouverture et la fermeture de ces interrupteurs, caractérisé en ce qu'on modifie cette fréquence de découpage. 2. Dispositif de commande d'alimentation comprenant un montage comportant une source de tension, un circuit onduleur à résonance qui est alimenté par ladite source et qui comporte plusieurs demi-ponts d'interrupteurs montés aux bornes de moyens capacitifs, ledit montage comportant également des moyens pour commander l'ouverture et la fermeture de ces interrupteurs, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour modifier cette fréquence de découpage. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un pont d'éléments formant diodes monté entre la source et les demi-ponts du circuit onduleur, ainsi que des moyens capacitifs de résonance montés entre les points milieux des branches du pont de diodes et les points milieux des demi-ponts du circuit onduleur. 4. Dispositif selon I a revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de résonance montés entre les points milieux des branches du pont de diodes et les points milieux des demi-ponts du circuit onduleur comportent en outre des moyens inductifs en série avec des moyens capacitifs. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de résonance comportent en outre des moyens inductifs montés de part et d'autre du pont d'élément formant diodes. 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens aptes à déconnecter sélectivement les points milieux des différents ponts d'interrupteurs et les moyens de résonance qui y sont reliés. 7. Dispositif de commande triphasé selon l'une des revendications 2 à 6. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le point milieu d'un seul des demi-ponts du circuit onduleur est relié directement à des moyens de résonnance. 9. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que les interrupteurs sont commandés en modulation à largeur d'impulsions. 10. Onduleur basse fréquence, caractérisé en ce qu'il est constitué par un dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 2 à 9. 11. Dispositif pour la commande d'un moteur à induction caractérisé en ce qu'il est constitué par un dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 2 à 9.