Brevet FR2843499A1 — publié le 20040213

CONVERTISSEUR D'ENERGIE La présente invention concerne un convertisseur d'énergie comportant au moins une source de tension destinée à alimenter au moins une charge, ce convertisseur 5 comprenant au moins un bras d'interrupteurs formé d'au moins deux interrupteurs, un premier et un second interrupteurs, montés en cascade, l'un devant être à l'état fermé quand l'autre est à l'état ouvert et inversement, chaque interrupteur étant pourvu d'une grille de commutation couplée à un organe de commande apte à envoyer sur ladite grille de commutation un signal de commutation pour faire changer d'état ledit 10 interrupteur. Ce type de convertisseur d'énergie peut se retrouver aussi bien dans les circuits électriques ou électroniques que dans les circuits hydrauliques ou pneumatiques ainsi que dans tous les circuits transférant de l'énergie cinétique. Un des exemples 15 d'application concerne les amplificateurs de musique linéaires ou à découpage. De ce fait, la présente invention ainsi que son état de la technique font référence aux circuits électroniques mais peuvent être transposés à tout autre circuit électrique, hydraulique, pneumatique, etc. Les travaux de formalisation de l'électronique de puissance menés depuis une vingtaine d'années ont conduit à représenter les convertisseurs électroniques de puissance sous la forme d'association d'interrupteurs, qui relient des sources entre elles. Il est possible de démontrer que tous les convertisseurs électroniques de puissance existants dérivent de la cellule générique 10, représentée à la figure 1. 25 Cette théorie est largement commentée et démontrée dans l'article E3958 "Introduction à l'électronique de puissance" de F. BERNOT publié dans les Techniques de Ingénieur. Cette cellule générique 10 comporte un ensemble S de trois sources: deux sources continues DC de même nature (tension ou courant) et une source alternative AC de nature opposée aux deux premières (respectivement courant ou tension). La nature des sources continues DC qualifie le convertisseur: hacheur ou onduleur de courant, hacheur ou onduleur de tension. Cette cellule générique 10 fait apparaître la notion de bras d'interrupteurs B. Chaque 5 interrupteur T1, T2 comporte autant d'éléments actifs (transistors, thyristors) que d'éléments passifs (diodes). Dès qu'un convertisseur électronique d'énergie utilise plus d'un interrupteur Tl ou T2 commandé, il est nécessaire d'utiliser un isolement galvanique entre leur organe de commande C1, C2, ces organes de commande étant reliés à un même générateur de signaux GS (cf. fig. 2). Dans le convertisseur de 10 tension 11 illustré partiellement à la figure 2, le neutre N peut être relié ou non au point milieu E' de la source continue DC. Le nombre de bras B, B', B' dépend de la charge et de son nombre de phases. Un hacheur réversible de tension utiliserait cette topologie avec un seul bras B. L'organe de commande C1 reçoit les informations de commande directement du générateur de signaux GS, tandis que l'organe de 15 commande C2 les reçoit au travers d'un module d'isolement galvanique IG. Tous les organes de commande C1, C'1, C1 sont au potentiel bas O et peuvent être reliés directement au générateur de signaux GS, tandis que les autres organes de commande C2, C2, C2 ont besoin de modules d'isolement galvanique IG étant donné que la grille de commande des interrupteurs T2, T'2, Tr2 est référencée au potentiel flottant 20 des points I entre O et E. La problématique est similaire pour les convertisseurs de courant (source continue de courant). Ce module d'isolement galvanique IG a 1inconvénient d'avoir un cot prohibitif dans le cas d'applications économiques. En effet, le prix des opto-coupleurs et autres transformateurs est nettement supérieur à celui des composants de puissance utilisés dans ce type de convertisseur électronique 25 d'énergie. La présente invention vise à pallier cet inconvénient en proposant un convertisseur électronique d'énergie dans lequel le module déisolation galvanique n'est plus nécessaire et peut être supprimé, ce qui permet de réduire le prix de revient notamment pour les applications économiques. Dans ce but, l'invention concerne un convertisseur d'énergie du genre indiqué en 5 préambule, caractérisé en ce que l'organe de commande du premier interrupteur comporte un générateur de signaux et en ce que l'organe de commande du second interrupteur comporte ledit premier interrupteur agencé pour envoyer au second interrupteur un signal de commutation quand il change d'état. Chaque interrupteur est de préférence constitué d'au moins un composant actif choisi parmi le groupe comprenant au moins les transistors, les thyristors, les triacs, les deux interrupteurs d'un même bras d'interrupteurs pouvant être constitués de composants actifs identiques ou différents. Au moins le second interrupteur est commandé en mode "normalement fermé" Le second interrupteur est avantageusement référencé à un potentiel flottant tandis que le premier interrupteur est référencé au potentiel bas ou au potentiel haut de ladite source, ce qui permet de coupler le premier interrupteur à la grille de commutation du second interrupteur et, par l'intermédiaire d'au moins un clapet 20 unidirectionnel de référencer la grille de commutation du second interrupteur au potentiel de référence dudit premier interrupteur quand ce dernier est à l'état fermé. La grille de commutation du second interrupteur peut être alimentée par au moins une source auxiliaire associée à au moins une résistance, cette source auxiliaire 25 pouvant être choisie parmi le groupe comprenant au moins un secteur redressé, une batterie, un transformateur, une pompe à diodes, une charge passive. La source auxiliaire peut également comporter un étage amplificateur unipolaire ou bipolaire. Chaque interrupteur peut être associé en parallèle à au moins un clapet unidirectionnel, ces clapets unidirectionnels étant de préférence des diodes. Le convertisseur d'énergie selon l'invention peut être avantageusement intégré dans un semi-conducteur. Il peut également comporter autant de bras d'interrupteurs que la charge comporte de phases, cette charge pouvant être choisie parmi le groupe comprenant au moins les moteurs alternatifs synchrones, asynchrone, à réluctance variable, les 10 transformateurs, les haut-parleurs, les résistances, toute charge inductive ou rendue inductive par adjonction d'une inductance montée en série avec ladite charge. Cette charge peut être reliée, du côté de la source, à l'un des points choisis parmi le potentiel bas, le potentiel haut, un potentiel intermédiaire de ladite source, le neutre si 15 elle comporte plusieurs phases, ce qui permet de réaliser tous les types de convertisseurs choisis parmi le groupe comprenant au moins les hacheurs, les onduleurs, les convertisseurs multi-étages, les convertisseurs matriciels, les gradateurs, les cycloconvertisseurs, les convertisseurs de fréquence. La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement la structure d'un convertisseur 25 d'énergie existant, - la figure 2 représente schématiquement et de manière partielle un exemple de montage d'un convertisseur d'énergie existant, - la figure 3 représente schématiquement un exemple de montage d'un convertisseur d'énergie selon l'invention, - les figures 3A et 3B représentent schématiquement le convertisseur d'énergie de la figure 3 dans ses deux modes de fonctionnement, - la figure 4 représente schématiquement le convertisseur d'énergie de la figure 3 dans un montage inversé, - la figure 5 représente schématiquement un autre exemple de montage d'un convertisseur d'énergie selon 1 Invention, - la figure 6 représente schématiquement le convertisseur d'énergie de la figure dans un montage simplifié, et - la figure 7 représente schématiquement un exemple de topologie d'un semiconducteur correspondant au convertisseur d'énergie de la figure 6. La présente invention est décrite en référence à des convertisseurs électroniques 20 d'énergie dits "normalement fermés" ou encore "normallyon", dans lesquels, au sein de chaque bras B, un seul ou les deux interrupteurs Tl, T2 sont placés dans un état de conduction par défaut. C'est à dire, qu'en l'absence d'un signal de commande, ils sont normalement passants. Ce principe est largement décrit dans la théorie de la dualité émise par l'école de pensée française. La publication WO 01/91295 du même 25 titulaire présente une application de ce principe dans les modes auto-oscillants et pulsés des thyristors, thyristors diode dual, etc. La figure 3 illustre le principe de lInvention dans un convertisseur électronique d'énergie 20 à un seul bras dinterrupteurs B. Ce principe consiste à transmettre à l'interrupteur T2 référencé au potentiel flottant I un ordre de blocage provenant de l'interrupteur Tl référencé au potentiel bas O et non plus en provenance du générateur de signaux GS comme dans l'art antérieur. Dans ce cas, le module d'isolation galvanique IG de la figure 2 n'est plus nécessaire. La structure classique du bras B à deux interrupteurs T1, T2 du convertisseur 11 de la figure 2 est modifiée en déplaçant la connexion de l'interrupteur Tl du point I à la grille G2 de l'interrupteur T2. Dans cette configuration, l'interrupteur T2 est de type "normalement conducteur" ou "normalement fermé", mais sans aucun effet mémoire. 10 Ce mode de conduction par défaut est réalisé grâce à la résistance R2 qui alimente la grille G2 de l'interrupteur T2 au moyen d'une source auxiliaire S2 quelconque. Pour bloquer l'interrupteur T2, il suffit d'annuler ou d'inverser la tension à sa grille G2. L'analyse de la figure 3 est donnée en référence aux figures 3A et 3B qui représentent 15 le fonctionnement du convertisseur 20 lorsque l'interrupteur Tl est respectivement bloqué donc ouvert et conducteur donc fermé. Dans la figure 3A, l'interrupteur T1 est bloqué et l'interrupteur T2 est rendu conducteur par la présence d'une tension positive sur sa grille G2. La tension Vc aux bornes de la charge C est alors positive quel que soit le signe du courant qui la traverse, selon que l'interrupteur T2 ou la diode D2 20 conduit. Dans la figure 3B, la mise en conduction de l'interrupteur T1, par le générateur de signaux GS qui envoie un signal de tension sur la grille G1, provoque la mise en conduction de la diode D' i qui annule ou inverse légèrement la tension sur la grille G2 de l'interrupteur T2 et bloque l'interrupteur T2. L'interrupteur T2 étant bloqué, la tension Vc aux bornes de la charge C devient négative. Son courant peut 25 être négatif ou positif, selon que l'interrupteur Tl ou la diode Dl conduit. Dès que l'interrupteur Tl est bloqué, par le générateur de signaux GS qui annule le signal de tension sur la grille G1, l'interrupteur T2 est remis automatiquement en conduction grâce à la résistance R2 (effet "normalement fermé") et le convertisseur 20 se retrouve dans la configuration de la figure 3A. Ce bras d'interrupteurs B à déclenchement assisté se comporte comme un amplificateur inverseur de tension. Une tension de commande positive sur la grille G1 de l'interrupteur Tl provoque une tension Vc négative sur la charge C, et 5 réciproquement une tension de commande négative ou nulle sur la grille G1 de IInterrupteur Tl provoque une tension Vc positive sur la charge C. De ce fait, il n'y a plus besoin de module d'isolement galvanique entre les deux interrupteurs T1 et T2 d'un même bras B. Le seul cot de la fonction de transmission de l'information de commande, depuis le générateur de signaux vers IInterrupteur T2, correspond au prix 10 d'une diode D'i supplémentaire qui, pour des applications nécessitant un faible courant, est nettement plus économique qu'un opto-coupleur ou un transformateur. Le générateur de signaux GS peut être choisi parmi ceux existants à savoir: à modulation à largeur d'implulsions, à modulation pleine onde, à commutation 15 assistée, etc. Le principe de commutation de l'invention décrit en référence à la figure 3 est applicable à tous les convertisseurs électroniques d'énergie issus de la cellule générique de la figure 1, qu'ils soient hacheurs, onduleurs, simples ou associés en 20 modules complets (convertisseurs multi-étages, matriciels, cycloconvertisseurs, gradateurs, convertisseurs de fréquence, etc.). Dans le cas d'un hacheur, le point E' peut être relié au point O. Dans le cas d'un onduleur polyphasé, la connexion du neutre E' peut être éliminée. Selon le type de convertisseur d'énergie, la charge C peut être reliée, du côté de la source S, au potentiel bas O, au potentiel haut E, au 25 potentiel intermédiaire E' de la source S ou au point neutre N dans le cas d'une charge polyphasée. Les interrupteurs actifs Tl, T2 peuvent être constitués par tout type de composant actif ayant une fonction de commutation, à savoir les transistors avec ou sans grille BJT, IGBT, MOSFET, SIT; les thyristors GTO, MCT, SITH; les triacs, etc. Les deux interrupteurs T1, T2 d'un même bras B peuvent être constitués par des composants actifs identiques ou différents. Le convertisseur 20 de la figure 3 est transposable à des interrupteurs Tl, T2 pour lesquels la grille G1, G2 est référencée au potentiel haut égal à E, tels que des interrupteurs MOS type P, transistors bipolaires PNP, MCT, etc. La figure 4 illustre un tel convertisseur 21 qui est obtenu en inversant le montage du convertisseur 20 suivant une symétrie verticale. Dans le convertisseur 20 de la figure 3, la source auxiliaire S2 de l'interrupteur T2 peut être réalisée par un secteur redressé, une batterie, un transformateur, une pompe à diodes appelée "bootstrap", une charge passive ou par tout autre système équivalent. Un étage amplificateur A2 peut être intégré entre le point G et la grille 15 G2 de l'interrupteur T2. La figure 5 illustre un convertisseur 22 dans lequel ces deux variantes sont représentées. Dans ce convertisseur 22, la diode D"1 remplit la fonction de "pompe à diodes" en rechargeant un condensateur C2 à chaque fois que l'interrupteur Tl conduit. Il faut 20 noter que, dans ce cas, la procédure de mise sous tension du convertisseur 22 doit être la suivante: * appliquer la tension de la source auxiliaire S2, * envoyer quelques impulsions de commande sur la grille G1 de l'interrupteur Tl afin de charger le condensateur C2, * appliquer ensuite la tension de puissance E, E' de la source S, et * lancer le fonctionnement normal. L'étage d'amplification A2 de la grille G2 peut être de type unipolaire (+ 15V, cas de la figure 5) ou bipolaire (_15V alimentation symétrique ou non). La résistance R2 peut être reliée directement au point E référencé au potentiel haut de l'interrupteur T2 et correspondant au drain pour un transistor à effet de champ, avec pour inconvénient une plus grande dissipation de puissance à l'état passant si les interrupteurs Tl, T2 ne présentent pas d'effet mémoire. En revanche, avec des interrupteurs T1, T2 à 5 mémorisation d'amorçage comme les thyristors MCT, SITH, GTO, cette connexion directe permet de simplifier le montage du convertisseur 22 pour obtenir le convertisseur 23 illustré par la figure 6. Les différentes versions de convertisseur 20 à 23 peuvent être intégrées entièrement 10 ou partiellement dans un composant électronique obtenu par la technologie des semiconducteurs. La figure 7 illustre un exemple de réalisation selon cette technologie du montage de 1linterrupteur T2 de la figure 6. Dans cet exemple, les deux diodes D'1 et D2 sont diffusées sur le substrat d'un composant et la résistance R2 peut être diffusée ou épitaxiée sur le substrat. Les zones de type P et N correspondent chacune à deux 15 dopages opposés du substrat. Cette technologie des semiconducteurs peut se transposer aisément à d'autres technologies de réalisation de composants, utilisant d'autres matériels, comme par exemple à des circuits hydrauliques, à des circuits pneumatiques, etc. Le principe du bras d'interrupteurs B du convertisseur 20-23 de lInvention peut s'étendre à tous les modes de fonctionnement du thyristor dual et du thyristor diode décrits dans la publication WO 01/91295 du même titulaire. Il peut également s'appliquer pour alimenter des charges aussi bien monophasées que polyphasées, le neutre pouvant être relié ou non au potentiel intermédiaire E'. Ces charges peuvent 25 être des moteurs alternatifs synchrones, asynchrone, à réluctance variable, des transformateurs, des haut-parleurs, des résistances, toute autre charge inductive ou rendue inductive par adjonction d'une inductance montée en série avec ladite charge. Dans ce cas, il y a autant de bras d'interrupteurs B que de phases et le générateur de signaux GS peut être commandé par une cellule logique de commande matricielle. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification, variante et application évidentes pour un homme du métier, tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées. Revendications 1. Convertisseur d'énergie (20-23) comportant au moins une source (S) de tension destinée à alimenter au moins une charge (C), ce convertisseur comprenant au moins 5 un bras dinterrupteurs (B) formé d'au moins deux interrupteurs, un premier (T1) et un second (T2) interrupteurs, montés en cascade, l'un devant être à l'état fermé quand l'autre est à l'état ouvert et inversement, chaque interrupteur étant pourvu d'une grille de commutation (G1, G2) couplée à un organe de commande apte à envoyer sur ladite grille de commutation un signal de commutation pour faire changer d'état ledit 10 interrupteur, caractérisé en ce que l'organe de commande du premier interrupteur (Tl) comporte un générateur de signaux (GS) et en ce que l'organe de commande du second interrupteur (T2) comporte ledit premier interrupteur (T1) agencé pour envoyer au second interrupteur (T2) un signal de commutation quand il change d'état. 2. Convertisseur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque interrupteur (Tl, T2) est constitué d'au moins un composant actif choisi parmi le groupe comprenant au moins les transistors, les thyristors, les triacs. 3. Convertisseur d'énergie selon la revendication 2, caractérisé en ce que les 20 interrupteurs (Tl, T2) d'un même bras dinterrupteurs (B) sont constitués de composants actifs identiques ou différents. 4. Convertisseur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second interrupteur (T2) est référencé à un potentiel flottant (I) et en ce que le premier 25 interrupteur (Tl) est référencé au potentiel bas (O) ou au potentiel haut (E) de ladite source (S). 5. Convertisseur d'énergie selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier interrupteur (Ti) est couplé à la grille de commutation (G2) du second interrupteur (T2) et comporte au moins un clapet (D'1) unidirectionnel agencé pour référencer la grille de commutation (G2) du second interrupteur (T2) au potentiel de référence dudit premier interrupteur (T1) quand ce dernier est à l'état fermé. 6. Convertisseur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins le second interrupteur (T2) est commandé en mode "normalement fermé". 7. Convertisseur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille de commutation (G2) du second interrupteur (T2) est alimentée par au moins une source 10 auxiliaire (S2) associée à au moins une résistance (R2). 8. Convertisseur d'énergie selon la revendication 7, caractérisé en ce que la source auxiliaire (S2) est choisie parmi le groupe comprenant au moins un secteur redressé, une batterie, un transformateur, une pompe à diodes, une charge passive. 15 9. Convertisseur d'énergie selon la revendication 7, caractérisé en ce que la source auxiliaire (S2) comporte un étage amplificateur (A2) unipolaire ou bipolaire. 10. Convertisseur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque 20 interrupteur (T1, T2) est associé en parallèle à au moins un clapet (Dl, D2) unidirectionnel. 11. Convertisseur d'énergie selon les revendications 5 et 10, caractérisé en ce que les clapets (Dl, D2, D'1) unidirectionnels sont des diodes. 25 12. Convertisseur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est intégré dans un semi-conducteur. 13. Convertisseur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte autant de bras d'interrupteurs (B) que la charge (C) comporte de phases. 14. Convertisseur d'énergie selon la revendication 13, caractérisé en ce que la charge 5 (C) est choisie parmi le groupe comprenant au moins les moteurs alternatifs synchrones, asynchrone, à réluctance variable, les transformateurs, les haut-parleurs, les résistances, toute charge inductive ou rendue inductive par adjonction d'une inductance montée en série avec ladite charge. 15. Convertisseur d'énergie selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite charge (C) est reliée, du côté de la source (S), à l'un des points choisis parmi le potentiel bas (O), le potentiel haut (E), un potentiel intermédiaire (E) de ladite source (S), un neutre (N) si la charge comporte plusieurs phases. 16. Convertisseur d'énergie selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il est agencé pour former un convertisseur électronique d'énergie choisi parmi le groupe comprenant au moins les hacheurs, les onduleurs, les convertisseurs multi-étages, les convertisseurs matriciels, les gradateurs, les cycloconvertisseurs, les convertisseurs de fréquence.