Brevet FR2907983A1 — publié le 20080502

La présente invention concerne un dispositif de précharge d'un convertisseur à découpage. Les convertisseurs à découpage, tels que des onduleurs de tension destinés par exemple à alimenter des moteurs asynchrones, sont munis de condensateurs qu'il est nécessaire de charger sous une tension d'alimentation continue nominale lors de la mise en fonctionnement du convertisseur ou avant sa mise en fonctionnement. Le convertisseur est associé à un dispositif de limitation de courant pour éviter, lors de l'application de la tension d'alimentation nominale, que le courant de charge des condensateurs n'atteigne une valeur largement supérieure à celle du courant nominal du convertisseur. En effet, une telle surintensité pourrait par exemple causer le déclenchement des protections situées en amont du convertisseur, des perturbations électromagnétiques transitoires, la détérioration des condensateurs, etc. Ce dispositif de limitation de courant également appelé dispositif de précharge permet de charger les condensateurs de l'onduleur sous un courant maîtrisé. Ce dispositif de précharge comporte un organe de limitation de courant (le plus souvent une résistance) ainsi qu'un organe de commutation (tel qu'un relais, un transistor ou encore un thyristor) disposé en parallèle de l'organe de limitation de courant. Initialement, l'organe de commutation est ouvert de sorte que le courant traverse l'organe de limitation de courant pendant la charge des condensateurs. Une fois ces condensateurs chargés, l'organe de commutation est commandé à la fermeture afin de mettre en court-circuit l'organe de limitation de courant pour éviter les désagréments que ce dernier pourrait occasionner durant le fonctionnement de l'onduleur (chute de tension et pertes énergétiques). On connaît déjà des dispositifs de précharge comportant un organe de commande de l'organe de commutation à base d'électronique logique adaptée à déterminer, à partir d'une mesure de tension aux bornes des condensateurs, le moment où l'ordre de fermeture de l'organe de commutation doit être envoyé (c'est 2907983 2 à dire dès que les condensateurs sont chargés mais avant que l'onduleur ne démarre) et adaptée à transmettre cet ordre à l'organe de commutation. L'invention vise à fournir un dispositif de précharge à la fois plus fiable, moins coûteux et plus simple à mettre en oeuvre. 5 Elle propose à cet effet un dispositif de précharge d'un convertisseur de tension, ledit convertisseur étant adapté à transformer un signal de tension d'entrée en un signal de tension obtenu par découpage dudit signal de tension d'entrée, ledit dispositif comportant un organe de limitation du courant de précharge dudit convertisseur, un organe de commutation disposé en parallèle dudit organe de 10 limitation du courant de précharge et un organe de commande dudit organe de commutation ; caractérisé en ce que ledit organe de commande est adapté à commander la fermeture ou l'ouverture dudit organe de commutation en fonction dudit signal de tension obtenu par découpage. Contrairement aux dispositifs de l'art antérieur susmentionnés, où la 15 commande de l'organe de commutation et la transmission de l'ordre de commutation sont relativement coûteuses et complexes à mettre en oeuvre (car nécessitant des éléments additionnels complexes tels qu'une alimentation auxiliaire isolée, un transformateur d'impulsion ou encore des circuits intégrés par exemple), dans le dispositif selon l'invention, l'utilisation d'un signal obtenu par 20 découpage à partir du convertisseur pour la commande de l'organe de commutation permet de simplifier significativement la commande de l'organe de commutation puisque dans un tel cas seuls de simples composants standards (condensateurs, diodes, alimentation simple) sont nécessaires pour cette commande. 25 En effet, dans le dispositif selon l'invention c'est le démarrage de l'onduleur lui-même qui assure la commande de fermeture de l'organe de commutation, la fin de la précharge des condensateurs étant directement associée au démarrage de l'onduleur de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'ajouter une électronique de commande complexe (par exemple pour la mesure de tension et la 30 détection de franchissement de seuil aux bornes des condensateurs). Selon des caractéristiques préférées, pour des raisons de simplicité et de commodité tant à la fabrication qu'à l'utilisation : 2907983 3 - ledit organe de commande est uniquement constitué d'éléments électroniques passifs ; - ledit organe de commutation est commandé à partir d'un signal de tension fourni par ledit organe de commande ; 5 - le signal de tension de commande est le signal de tension pris aux bornes d'un condensateur de commande que comporte ledit organe de commande ; - ledit condensateur de commande est relié directement ou indirectement à un condensateur auxiliaire lui-même relié directement ou 10 indirectement audit convertisseur ; - l'organe de commutation est un transistor de type MOSFET dont la grille est reliée audit organe de commande ; et/ou - l'organe de limitation de courant est une résistance. L'invention vise également sous un deuxième aspect un ensemble de 15 conversion de tension, caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur de tension à découpage et un dispositif de précharge dudit convertisseur tel qu'exposé ci-dessus disposé en entrée dudit convertisseur. Selon des caractéristiques préférées, pour des raisons de simplicité à la fabrication et à l'utilisation : 20 - ledit convertisseur est un onduleur ; - ledit onduleur comporte au moins deux bras, ledit signal de tension obtenu par découpage étant le signal de tension d'au moins un desdits bras ; et/ou - ledit organe de commande comporte, pour chaque bras, un condensateur auxiliaire relié directement ou indirectement audit bras 25 correspondant et à un condensateur de commande dudit organe de commutation . La récupération à l'identique pour chacun des bras de l'onduleur d'un signal de tension obtenu par découpage permet en particulier d'obtenir une commande plus rapide de l'organe de commutation et de s'affranchir momentanément de l'état de commutation de l'un ou l'autre des bras (par 30 exemple si l'un des bras ne commute plus). Selon d'autres caractéristiques préférées lesdits bras sont commandés en phase. 2907983 4 Le fonctionnement en phase des bras de l'onduleur permet d'annuler la puissance qu'est susceptible de fournir l'onduleur et permet ainsi de protéger l'organe de commutation de cette puissance qu'il aurait à dissiper pendant la commutation sinon. 5 L'invention vise également sous un troisième aspect un aéronef équipé d'un dispositif tel qu'exposé ci-dessus ou d'un ensemble tel qu'exposé ci-dessus. L'exposé de l'invention sera maintenant poursuivi par la description détaillée d'un exemple de réalisation, donné ci-après à titre illustratif mais non 10 limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique du dispositif de précharge et d'un onduleur auquel il est associé ; et - la figure 2 est un chronogramme montrant avec une échelle de temps commune portée en abscisse et une échelle de tension portée en 15 ordonnée comment varient respectivement (de haut en bas) en fonction du temps, dès lors qu'une tension continue E est appliquée en entrée du dispositif de précharge, la tension en entrée de l'onduleur, la tension aux bornes d'un condensateur auxiliaire que comporte le dispositif de précharge, la tension aux bornes d'un condensateur de commande que comporte le dispositif de 20 précharge, la tension aux bornes de l'organe de commutation, et la tension de sortie d'un des bras de l'onduleur. Le dispositif de précharge 1 comporte une résistance de précharge 2, un interrupteur 3 (ici un transistor de type MOSFET à enrichissement à canal N) et un organe de commande 4 de cet interrupteur. 25 Ce dispositif de précharge présente deux points de connexion d'entrée 5 et 6 entres lesquels est appliquée une tension continue E et deux points de connexion 7 et 8 à un onduleur 15. L'onduleur 15 comporte un bus continu 18 et un groupe d'interrupteurs 17 commandé par un organe de commande 16. 30 Le bus 18 présente une première ligne équipotentielle 19 (également appelée point chaud du bus continu) et une seconde ligne équipotentielle 20 (également appelée point froid du bus continu) ainsi que deux condensateurs 21 et 22 reliant tous deux entre elles les lignes 19 et 20. 2907983 5 Le groupe d'interrupteurs 17 comporte trois bras 24 à 26 munis chacun de deux interrupteurs 23 (ici des transistors) commandés alternativement pour générer sur chaque bras de l'onduleur une tension en créneau alternative à partir de la tension continue appliquée en entrée du dispositif de précharge 1. 5 L'onduleur 15 présente trois points de connexion de sortie 27 à 29 chacun relié à un bras correspondant. Dans le dispositif de précharge 1, le drain 30 du transistor 3 est relié au point d'entrée 5, la grille 32 est reliée à un point de connexion 33 de l'organe de commande 4 tandis que la source 31 est reliée à un point de connexion 36 de cet 10 organe de commande 4 ainsi qu'à l'équipotentielle 19. La résistance de précharge 2 est reliée au drain 30 et à la source 31 du transistor, ce transistor étant ainsi monté en parallèle de la résistance 2. Le dispositif de précharge comporte également un élément de protection 49 contre les surtensions disposé entre la source 31 et la grille 32. 15 L'organe de commande 4 en outre des points de connexion 33 et 36 présente un troisième point de connexion 34 relié au point de connexion 27 de l'onduleur, de sorte que la tension de sortie de l'onduleur forme une tension d'entrée pour l'organe de commande 4, et un quatrième point de connexion 35 relié à une source d'alimentation auxiliaire en tension positive 48, référencée à 20 l'équipotentielle 20 (ici +15 Volts par rapport à cette équipotentielle). Cet organe 4 comporte une série de condensateurs montés en parallèle 40, une diode 41, une diode 42, une série de condensateurs montés en parallèle 43, et plusieurs résistances 44 à 47. La série de condensateurs 40 forme un condensateur de commande 25 tandis que la série de condensateurs 43 forme un condensateur auxiliaire. La série de condensateurs 40 ainsi que la résistance 44, en parallèle de la série de condensateurs 40, sont reliés aux points de connexion 33 et 36 (eux-mêmes respectivement reliés à la grille 32 et à la source 31 du transistor 3). La série de condensateurs 43 est reliée d'une part au point de 30 connexion 34 par l'intermédiaire de la résistance 47 et d'autre part à l'anode de la diode 41 et à la cathode de la diode 42. 2907983 6 La cathode de la diode 41 est reliée à la grille 32 du transistor 3 tandis que l'anode de la diode 42 est reliée au point de connexion 35 par l'intermédiaire des résistances 45 et 46 montées en parallèle. La série de condensateurs 40 est composée de trois condensateurs de 5 100 nF, la série de condensateurs 43 est composée de trois condensateurs de 1 pF, la résistance 2 est une résistance de 100 û, la résistance 44 est une résistance de I MO, les résistances 45 et 46 sont de 1 kû et la résistance 47 est de 33,2 0. On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif de précharge 1 pendant la phase de précharge des condensateurs 21 et 22 de l'onduleur 15 et au- 10 delà à l'aide des courbes illustrées sur la figure 2. Lorsqu'une tension continue E est appliquée à partir d'un instant to entre les points de connexion 5 et 6 du dispositif de précharge 1, l'interrupteur 3 reste ouvert le temps nécessaire pour que le courant de précharge, en passant au travers de la résistance de précharge 2, entraîne la charge contrôlée des 15 condensateurs 21 et 22 dont la tension à leurs bornes est illustrée par la courbe 50 de la figure 2. Parallèlement à la charge des condensateurs 21 et 22, la tension aux bornes de l'interrupteur 3 (entre le drain 30 et la source 31) diminue progressivement comme illustré sur la courbe 53. 20 A l'instant t1 correspondant à l'instant de fin de précharge des condensateurs 21, 22, ceux-ci sont chargés avec une tension à leurs bornes qui est proche de la tension de charge maximale VI égale à la tension d'entrée E. L'électronique de commande de l'onduleur 15 détecte la charge de ces condensateurs et commande le démarrage de l'onduleur 15 qui présente alors une 25 tension de sortie en créneaux alternés avec un rapport cyclique et une fréquence de découpage prédéterminée dépendant de la fréquence de commutation des interrupteurs 23 jusqu'à un instant t4 (courbe 54). On notera ainsi que le dispositif de précharge selon l'invention profite du signal de démarrage fourni par l'électronique de commande à l'onduleur pour 30 déterminer quand fermer l'organe de commutation 3. Cette tension de sortie de l'onduleur oscille entre la tension nulle et la tension de créneau V5 sensiblement égale à V1 et se retrouve en entrée de l'organe de commande 4, au niveau du point de connexion 34. 2907983 7 La période de découpage T de l'onduleur (t2-t1 et t3-t2 sur la figure 2) est très petite devant la durée de précharge To (t1-to sur la figure). Lorsque la tension de sortie de l'onduleur est égale à V5, la différence de potentiel aux bornes de la série de condensateurs 43 entraîne la charge de ces 5 condensateurs comme illustré par la courbe 51 de la figure 2 jusqu'à atteindre une tension de charge maximale V2. La série de condensateurs 43 se charge ainsi sous une tension V2 proche de la tension d'alimentation auxiliaire 48 sous un courant limité grâce à la résistance 47. 10 A chaque retour de la tension de sortie de l'onduleur à zéro, la série de condensateurs 43 cède une partie de sa charge à la série de condensateurs 40 comme illustré par la courbe 52. Après plusieurs commutations du bras de l'onduleur, la série de condensateurs 40 se charge ainsi sous une tension de charge maximale V3 15 sensiblement égale à la tension d'alimentation auxiliaire. Au cours de la charge, la tension aux bornes de la série de condensateurs 40 passe par une valeur de seuil VS à un instant t4 qui correspond à la tension de déclenchement du transistor 3 du dispositif de précharge 1 et qui entraîne ainsi la commande de fermeture de ce transistor 3, la tension aux bornes 20 du transistor 3 (entre le drain 30 et la source 31) s'annulant à cet instant (voir la courbe 53 à t4) après avoir varié de façon inverse à la tension aux bornes des condensateurs 21 et 22. L'interrupteur 3 étant alors fermé, la résistance 2 est en court-circuit et n'interfère plus avec le fonctionnement de l'onduleur 15 illustré par la courbe 54 au- 25 delà de l'instant t4, celui-ci pouvant alors être amené par l'organe 16 vers son mode nominal de fonctionnement (au-delà de t4). Dans l'exemple illustré VI et V4 sont égaux à 270V, V2 à environ 14V, V3 environ 13V, V5 environ 269V et VS environ 4V. Dans le cas où l'onduleur consommerait une puissance importante 30 pendant la commutation, l'organe 3 aurait à dissiper cette puissance ce qui risquerait de le détériorer. Pour résoudre ce problème l'organe 16 est programmé pour que les bras 24 à 26 soient commandés en phase de sorte qu'aucune puissance ne soit fournie à l'organe de commutation par l'onduleur. 2907983 8 L'utilisation du signal d'un des bras de l'onduleur pour commander la fermeture de l'interrupteur 3 permet de réaliser de façon simple et avec des composants passifs la commande du dispositif de précharge à partir de l'onduleur lui-même. 5 On entend ici par composants passifs les éléments de base permettant de modifier le signal par opposition aux composants actifs tels que des transistors ou encore des circuits intégrés. On notera que le montage formé de la série de condensateurs 43 de la source de tension 48 et des diodes 41 et 42 permet d'obtenir à partir de la tension 10 en créneau alternative en sortie d'un des bras de l'onduleur une tension qui sert de référence à la commande de l'interrupteur. On parle également pour ce montage d'un montage dit en bootstrap . Lorsque l'onduleur est arrêté, la série de condensateurs 40 se décharge 15 au travers de la résistance 44 et l'interrupteur 3 s'ouvre de sorte que, lors du redémarrage de l'onduleur, le courant de précharge puisse traverser de nouveau la résistance de précharge 2. Dans une variante, le motif de l'onduleur (rapport cyclique, fréquence de découpage) reste le même pendant et après l'instant t4 et/ou les séries de 20 condensateurs 40 et 43 sont chacune remplacées par un unique condensateur. Dans une autre variante, afin d'obtenir une commande plus rapide et plus régulière de l'organe 3, on utilise plusieurs condensateurs 43, chacun associé à un bras correspondant de l'onduleur, l'état d'un bras peut ainsi être figé pendant plus périodes de découpage sans que cela n'ait de conséquence sur la commande 25 de l'organe 3. Dans une autre variante encore le transistor MOSFET est remplacé par un transistor bipolaire commandé non pas en tension mais en courant en intercalant une résistance entre le condensateur de commande et la base du transistor ou en remplaçant ce condensateur par une bobine. 30 Dans une autre variante encore l'organe 3 n'est pas un transistor mais tout autre interrupteur commandable en tension ou en courant (tel qu'un thyristor ou un relais par exemple). 5 2907983 9 Dans une autre variante encore, le dispositif de précharge n'est pas associé à un convertisseur continu-alternatif tel qu'un onduleur mais à un autre type de convertisseur comme par exemple un convertisseur continu-continu (hacheur). De nombreuses autres variantes sont possibles en fonction des circonstances, et l'on rappelle à cet égard que l'invention ne se limite pas aux exemples décrits et représentés. REVENDICATIONS 1. Dispositif de précharge d'un convertisseur de tension (15), ledit convertisseur (15) étant adapté à transformer un signal de tension d'entrée (50) en un signal de tension (54) obtenu par découpage dudit signal de tension d'entrée (50), ledit dispositif comportant un organe de limitation (2) du courant de précharge dudit convertisseur (15), un organe de commutation (3) disposé en parallèle dudit organe de limitation (2) du courant de précharge et un organe de commande (4) dudit organe de commutation (3) ; caractérisé en ce que ledit organe de commande (4) est adapté à commander la fermeture ou l'ouverture dudit organe de commutation (3) en fonction dudit signal de tension (54) obtenu par découpage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe de commande (4) est uniquement constitué d'éléments électroniques passifs (42, 43, 44, 45, 46, 47). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit organe de commutation (3) est commandé à partir d'un signal de tension fourni par ledit organe de commande (4). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le signal de tension de commande est le signal de tension pris aux bornes d'un condensateur de commande (40) que comporte ledit organe de commande (4). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit condensateur de commande (40) est relié directement ou indirectement à un condensateur auxiliaire (43) lui-même relié directement ou indirectement audit convertisseur (15). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe de commutation est un transistor de type MOSFET (3) dont la grille (32) est reliée audit organe de commande (4). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'organe de limitation de courant est une résistance (2). 8. Ensemble de conversion de tension, caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur de tension à découpage (15) et un dispositif de 2907983 11 précharge (1) dudit convertisseur (15) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 disposé en entrée dudit convertisseur (15). 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit convertisseur est un onduleur (15). 5 10. Ensemble selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit onduleur comporte au moins deux bras (24, 25, 26), ledit signal de tension (54) obtenu par découpage étant le signal de tension d'au moins un desdits bras (26). 11. Ensemble selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit organe de commande (4) comporte, pour chaque bras (24, 25, 26), un 10 condensateur auxiliaire (43) relié directement ou indirectement audit bras correspondant (24, 25, 26) et à un condensateur de commande (40) dudit organe de commutation (3). 12. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que lesdits bras (24, 25, 26) sont commandés en phase. 15 13. Aéronef équipé d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou d'un ensemble selon l'une quelconque des revendications 8 à 12. 20