Brevet FR2850806A1 — publié le 20040806

PERFECTIONNEMENTS AUX CONVERTISSEURS DE PUISSANCE DOMAINE GENERAL ET ART ANTERIEUR La présente invention est relative aux convertisseurs électriques. Elle trouve notamment - mais non limitativement - avantageusement application dans le domaine de la conversion de puissance, par exemple pour les convertisseurs d'alimentation de réseaux de bord et/ou de 10 climatisation dans les trains, ou encore pour les convertisseurs d'alimentation de motrices. De façon plus générale, elle trouve avantageusement application pour tous les convertisseurs de puissance (typiquement, de 1 W à 100 MW ou plus). 15 Les convertisseurs de puissance posent des problèmes notamment en terme d'encombrement et de poids. Les composants de leurs circuits primaires et ou secondaires sont en effet 20 dimensionnés pour pouvoir supporter des tensions élevées et sont par conséquent généralement lourds et volumineux. Il existe donc un besoin pour des convertisseurs de tension d'un encombrement et d'un poids fortement diminués. 25 Il a déjà été proposé dans la demande de brevet EP 1.231.704 de la demanderesse, une structure de convertisseur qui comporte plusieurs enroulements primaires et plusieurs enroulements secondaires. Les enroulements primaires sont reliés entre eux, ainsi qu'aux bornes d'entrée 30 de la structure, par l'intermédiaire de ponts de moyens de commutation qui sont aptes à être commandés pour permettre de connecter lesdits enroulements primaires selon différentes configurations dans lesquelles ils sont en série et/ou en parallèle. Les enroulements secondaires sont également reliés entre eux, ainsi qu'aux bornes de sortie de la structure, par l'intermédiaire de ponts de moyens de commutation qui permettent eux aussi différentes configurations de montages en série et/ou en parallèle. Une telle structure permet de fractionner le convertisseur en plusieurs convertisseurs en série pour des tensions d'entrée élevées, ou de disposer de plusieurs convertisseurs en parallèle pour des tensions d'entrée basses. Il est ainsi possible de traiter des plages de tensions d'entrée correspondant à des variations de tension importantes, sans nécessiter pour les composants des différents circuits primaires et secondaires les mêmes dimensionnements que dans une structure de convertisseur classique. Une telle structure a en outre l'avantage de permettre, le cas échéant, de faire face aux pannes de certains composants. Il a par ailleurs déjà été proposé par la publication: " Multilevel Converter with 2 Stage Conversion " - C. CHABERT; A.RUFER des structures de convertisseurs DC/AC comportant une pluralité de modules élémentaires constitués chacun d'un transformateur dont les enroulements primaire et secondaire sont commandés par des ponts 25 d'interrupteurs en H. Il est montré dans cette publication qu'il est possible de commander les interrupteurs en mode ZCS (commutation au zéro du courant) côté primaire et en mode ZVS (commutation au zéro de tension) du côté du secondaire. Ce type de structure et de fonctionnement permet une diminution des pertes et un gain au niveau du dimensionnement des composants. Toutefois, pour des tensions importantes, on constate que ce type de structure et de fonctionnement ne permet pas d'annuler totalement les pertes des interrupteurs secondaires. C'est notamment le cas lorsque la tension en sortie nécessite d'utiliser au secondaire des IGBTs de fort calibre (1,7 kV, 3,3 kV ou plus), qui, même avec un fonctionnement ZVS, présente des pertes dynamiques importantes, ce qui empêche des tensions de fonctionnement élevées. PRESENTATION DE L'INVENTION Un but de l'invention est de proposer des solutions permettant de gagner encore plus en encombrement et en poids. 15 La solution proposée permet quant à elle d'augmenter la fréquence de fonctionnement et de réduire le nombre de transformateurs et donc au final de diminuer sensiblement la masse du convertisseur. Plus précisément, l'invention propose un convertisseur de puissance comportant une pluralité de transformateurs, les enroulements primaires de ces transformateurs étant reliés entre eux par des moyens de commutation, leurs enroulements secondaires étant également reliés entre eux, ainsi qu'à au moins un condensateur montés entre les bornes de sortie dudit 25 convertisseur, par des moyens de commutation, caractérisé en ce qu'un transformateur comporte plusieurs enroulements secondaires, les enroulements secondaires de plusieurs transformateurs étant regroupés électriquement pour être reliés par des moyens de commutation à plusieurs condensateurs montés en série entre les bornes de sortie dudit 30 convertisseur. Avantageusement notamment, les moyens de commutation qui relient plusieurs enroulements secondaires a un même condensateur sont aptes à être commandés pour permettre différentes configurations o lesdits enroulements secondaires sont en série et/ou en parallèle. Le convertisseur comporte également de façon avantageuse des moyens pour commander les moyens de commutation en mode à commutation au zéro de tension. Par ailleurs, un transformateur regroupe également préférentiellement plusieurs enroulements primaires. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages et inventions sortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative non limitative et doit être lue au regard des deux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un convertisseur conforme à la mode de réalisation possible de l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique d'un convertisseur conforme à un autre mode de réalisation possible de l'invention. DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION Le convertisseur illustré à titre d'exemple sur la figure 1 comporte quatre transformateurs référencés de TI à T4. Chacun de ces transformateurs Tl à T4 comprend deux enroulements primaires pl, p2, associés à deux enroulements secondaires sI, s2. Chaque enroulement primaire pl, p2 ou secondaire si, s2 est montés sur un pont d'interrupteurs en H, avec lequel il constitue un module élémentaire M au primaire ou au secondaire. Les différents modules élémentaires M ainsi définis au primaire sont montés en série les uns par rapport aux autres, ainsi qu'en série avec une inductance d'entrée Zl. Au secondaire, les quatre modules élémentaires Mréférencés par 10 correspondant aux enroulements sl sont montés en parallèle à un condensateur CI, tandis que les quatre modules élémentaires correspondant aux enroulements s2 sont montés en parallèle à un condensateur C2. Les deux sous structures de secondaires ainsi constituées sont montées en série. A titre d'exemple, pour des tensions d'entrée de l'ordre de 15000 Vac et des puissances d'entrée de 1,5 MW, une telle structure permet avec quatre 20 transformateurs de deux primaires et deux secondaires une conversion donnant en sortie une tension redressée de 1500Vdc. Les interrupteurs utilisés au primaire (au nombre de 32) sont alors par exemple des IGBTs bidirectionnels destinés à supporter 6.5 kV et 150 A, 25 tandis que les interrupteurs utilisés au secondaire (également au nombre de 32) sont des IGBTs unidirectionnels destinés à supporter 1.2 kV et 600 A. La fréquence de commutation peut alors être de 5000 Hz. 30 La figure 2 illustre un autre mode de réalisation possible. Dans ce mode de réalisation, il est prévu quatre transformateurs TI à T4 comportant chacun quatre enroulements primaires (pi à p4) et trois enroulement secondaires (sI à s3). Les différents enroulements primaires pi sont reliés en parallèle par des demi-ponts d'interrupteurs, et montés sur une structure de pont en H qui commande l'alimentation du module ainsi constitué. Il en est de même des enroulements primaires p2, des enroulements 10 primaires p3 et des enroulements primaires p4. Les enroulement secondaires sl (respectivement s2 et s3) sont montés sur des ponts d'interrupteurs en H qui définissent avec eux quatre modules élémentaires montés en parallèle à un condensateur Cl (resp. C2, C3). Les 15 ponts en H des modules associés aux transformateurs Tl et T2 pour les enroulements sl (respectivement s2, s3) comportent deux interrupteurs en commun. Il en est de même des interrupteurs des ponts en H associés aux transformateurs T2 et T3 et des interrupteurs des ponts en H associés aux transformateurs T3 et T4. Les condensateurs Cl à C3 et les trois modules qui leurs sont associés sont montés en série. A titre d'exemple, pour des tension et puissance d'entrée et des tensions de 25 sortie similaires à celles indiquées en référence à la figure 1, on utilise au secondaire 30 interrupteurs bidirectionnels de 1,2 kV, et au primaire 24 interrupteurs bidirectionnels de 6,5 kV et 16 interrupteurs bidirectionnels de 3,3 kV. Une telle structure permet une fréquence de commutation de 5000 Hz. Avec les structures qui viennent d'être décrites, les interrupteurs qui relient plusieurs enroulements secondaires a un même condensateur sont aptes à être commandés pour permettre différentes configurations o lesdits enroulements secondaires sont en série et/ou en parallèle. Egalement, ces interrupteurs peuvent être commandés par un calculateur externe pour fonctionner en mode à commutation au zéro de tension. Comme on l'aura compris, les structures proposées permettent d'éviter 10 d'utiliser au secondaire des IGBTs trop haute tension, qui, même avec un fonctionnement ZVS, sont à l'origine de pertes importantes à l'ouverture. Par ailleurs, outre le fait que le montage ainsi réalisé ne comporte pas de perte dynamique, que ce soit au primaire ou au secondaire, on notera que 15 le regroupement de plusieurs parties primaires ou secondaires sur un même transformateur contribue aussi à diminuer la masse totale du système. Les deux effets combinés d'augmentation de la fréquence et de la réduction 2 0 du nombre de transformateurs permettent au final de diminuer sensiblement la masse du convertisseur. REVENDICATIONS 1. Convertisseur de puissance comportant une pluralité de transformateurs, les enroulements primaires de ces transformateurs 5 étant reliés entre eux par des moyens de commutation, leurs enroulements secondaires étant également reliés entre eux, ainsi qu'à au moins un condensateur montés entre les bornes de sortie dudit convertisseur, par des moyens de commutation, caractérisé en ce qu'un transformateur comporte plusieurs enroulements 10 secondaires, les enroulements secondaires de plusieurs transformateurs étant regroupés électriquement pour être reliés par des moyens de commutation à plusieurs condensateurs montés en série entre les bornes de sortie dudit convertisseur. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commutation qui relient plusieurs enroulements secondaires a un même condensateur sont aptes à être commandés pour permettre différentes configurations o lesdits enroulements secondaires sont en série ettou en parallèle. 20 3. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour commander les moyens de commutation en mode à commutation au zéro de tension. 4. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un transformateur regroupe également plusieurs enroulements primaires.