Brevet FR2941349A1 — publié le 20100723

Etat de l'art Un variateur électronique de puissance utilise une association d'interrupteurs électroniques commandés et non commandés, par exemple des transistors de puissance commandés en tout ou rien et des diodes. Ils sont montés selon les cas seuls, avec une diode (anti-parallèle ou série). La figure 1, présente la structure générique d'un tel variateur, dite bras de hacheur, à partir de laquelle on construit toutes les autres structures de variateurs électroniques de puissance. On y reconnaît : • la source d'énergie a6, qui alimente le variateur au travers d'un filtre a8 • la charge connectée au point a7, qui peut être de toute nature, avec ou sans filtre • la section de commande al, qui mesure les signaux a2 intérieurs ou extérieurs au système (températures, pressions, etc.) • elle communique avec les processus extérieurs a3, au travers de protocoles de toute nature (bus CAN, série, parallèle, USB, etc.) • elle mesure les signaux internes au variateur par des capteurs a4 et a l 1 (courants, tensions, etc.) • elle communique avec le processeur de contrôle a9, via un connecteur al0 • elle envoie les impulsions de commande a5 et a12 isolées ou non aux interrupteurs composant le variateur La source peut être réalisée à partir d'un pont redresseur à diodes, ou être directement continue. Elle peut inclure des fusibles, diodes d'anti-retour, filtres, inductance ou capacité de lissage, etc. Un variateur peut utiliser une structure de tension, comme le présente la figure 2, où la source est une source de tension, où les interrupteurs Ti et T2 sont réalisés avec des interrupteurs de puissance (ou autre) montés en anti-parallèle avec des diodes. Les fonctionnalités à réaliser sont identiques à celles de la figure 1. 1 A partir d'un seul bras, qû'il soit de tension, comme à la figure 2, ou qu'il soit de courant, c'est à dire avec une source d'énergie continue inductive, il est possible de réaliser toutes les structures de conversion de puissance. L'état de l'art à ce sujet est exhaustif Nous citerons la figure 3, issue d'une publication du docteur François Bernot (François Bernot, Électronique de puissance - Introduction, Encyclopédie des Techniques de l'Ingénieur, article E3958). L'état de l'art comprend de nombreuses solutions, concernant soit la structure elle-même, soit la réalisation de ses sous-éléments, soit les combinaisons de sous-ensembles, soit les modes de commande, etc. Le fait est que pour réaliser un variateur, il faut mettre en oeuvre toutes (ou presque) les fonctionnalités décrites à la figure 1. Lorsque le concepteur veut passer d'une réalisation à une autre, il lui faut modifier ses circuits de commande et de puissance, ce qui lui prend du temps. C'est ici que la présente invention se place, en proposant une disposition originale des éléments constituant un variateur électronique de puissance, afin de réaliser un variateur électronique de puissance pré-caractérisé, laquelle disposition permet de configurer très rapidement un variateur électronique de puissance aux spécifications désirées. Description de l'invention La présente invention se caractérise par l'intégration sur un même circuit imprimé de toutes les fonctions dont un variateur électronique de puissance peut avoir besoin et de leur agencement judicieux, afin de les rendre aisément paramétrables. Chacun des éléments décrits ci-dessous est connu de l'ingénieur. Ce qui n'est pas connu dans l'état de l'art actuel, c'est la combinaison de tous ces éléments pour former un variateurs électronique de puissance, que l'utilisateur pourra paramétrer aisément. Le variateur ainsi obtenu se configure aisément pour une puissance de 100W jusqu'à une puissance de 1MW, en y intégrant des éléments pré-caractérisés externes si nécessaire, par exemple les sections de puissance proposées par les sociétés ARCEL et SEMIKRON. Des puissances supérieures à 1MW peuvent être obtenues, mais cette valeur limite de puissance de 1MW correspond à l'offre commerciale de sections de puissance pré caractérisées au moment du dépôt de ce brevet. La plupart des structure électroniques de puissance peuvent être réalisées à l'aide de la présente invention. La figure 4, présente une application de variateur à six bras de hacheur tels que décrits à la figure 1. Nous y retrouvons séparées diélectriquement par la ligne de séparation d40 deux sections, l'une de commande et l'autre de puissance. Chacune des deux comporte ses propres plans de masse et d'alimentation, ainsi que ses propres alimentations d19 et d36. La section de puissance comporte : • un connecteur d'alimentation continue d29 • son alimentation régulée interne d36 avec un écrêteur de tension • un écrêteur de tension d17 monté en parallèle sur la connexion d'entrée de source d'énergie d29 • un limiteur de courant d'appel à la mise sous tension d41, monté en série avec la 3 connexion d'entrée de la source'd'énergie d29, qui'utilise une résistance variable à la chaleur (dite CTN coefficient de température négatif) ou tout autre dispositif de limitation • un filtre capacitif d13, d14, qui fournit un point milieu d'alimentation d15 • six bras de hacheur indépendants numérotés de 1 à 6, comportant chacun une me-sure de tension et de courant (dl, d3, d5, d7, d9, d 1l) et un connecteur de sortie (d2, d4, d6, d8, d 10, d12) • chaque bras de hacheur comporte en plus une sortie sur connecteur des signaux de commande avant amplification de grille et une autre sortie sur connecteur des signaux envoyés aux grilles des interrupteurs de puissance, tels que décrit à la figure 8, et décrit dans les deux paragraphes ci-dessous • des sorties auxiliaires, une par bras, d39, d42, d43, d44, d45, d46, qui reproduisent les impulsions de commande des interrupteurs de puissance après isolement galvanique et avant amplification de niveau, tels que décrit à la figure 8 • des sorties auxiliaires, deux par bras, d37, d38, d47, d48, d49, d50, d51, d52, d53, d54, d55, d56, qui reproduisent les impulsions de commande des interrupteurs de puissance après isolement galvanique et amplification de niveau, c'est à dire sur les grilles de commande • une mesure de courant et de tension côté entrée continue d16 • des dispositifs d'isolement galvanique, qui s'ils sont de type opto-coupleur sont très économiques et compacts (d30, d31, d32, d33, d34, d35) La section de commande comporte : • une alimentation régulée interne à découpage ou linéaire 19 avec son écrêteur de tension d'entrée d18 • une ou plusieurs sections d'affichage d20, par exemple à diodes LED • un ou plusieurs connecteurs pour carte d'extension d21, intégrant les alimenta- tions • un ou plusieurs connecteurs pour synchro-resolver ou autre capteur de position d24 • un ou plusieurs connecteurs pour entrées digitales d25 • un ou plusieurs connecteurs pour entrées analogiques d26 • une ou plusieurs interfaces de communication numérique de type RS485, bus CAN ou autre d27 • un ou plusieurs amplificateurs différentiels d28 pour mesures de signaux d'entrées faible niveau ou perturbés • un ou plusieurs potentiomètres d37 pour donner une information analogique au processeur de contrôle • un ou plusieurs interrupteurs d23 pour donner une information digitale au processeur de contrôle La juxtaposition astucieuse des ces deux zones de commande et de puissance, le placement du filtre capacitif d'entrée d13, d14 par exemple au niveau de la zone de séparation entre les deux zones de commande et de puissance et la présence sur la carte électronique de toutes les fonctions décrites précédemment, constitue une activité inventive. En effet les variateurs électroniques commercialisés à ce jour ne comportent jamais toutes les fonctions nécessaires de façon ouverte et paramétrable aisément pour l'utilisateur, surtout lorsqu'il s'agit de variateurs électroniques à vocation industrielle. Il est intéressant de prévoir dans la zone de commande des écrêteurs placés sur les entrées analogiques et digitales, afin de limiter les conséquences d'un dépassement de tension d'alimentation. Comme le propose la figure 10, ces écrêteurs peuvent être constitués de résistances j l connectées en série avec des écrêteurs de tension j2, par exemple des diodes dites Zener dans une réalisation particulière. Ces écrêteurs peu-vent aussi être constitués de paires de diodes il et i2 dites de clamping, comme le propose la figure 9. Dans ce derniér cas, un régulateur de tension i4 fournit une tension réduite, adaptée à la tension maximale du processeur de contrôle. Un jeu de trois picots i5, permet de choisir par l'intermédiaire d'un cavalier reliant deux d'entre eux, soudé ou non, la tension appropriée de limitation à fournir au processeur de contrôle, qui est connecté en i6. Le régulateur de tension i4 doit pouvoir absorber un courant. Ceci signifie que i4 peut être par exemple être constitué d'une diode écrêteuse montée en série avec une résistance, ou encore être constitué d'un régulateur chargé par une résistance. Les signaux d'entrée de mesure arrivent sur les fils i3 repérés AnaDSPAO à AnaDSP7 dans la figure 9. Ils peuvent chacun être montés ou non en série avec une résistance i7, afin de limiter le courant d'écrêtage, qui peut être destructeur pour le dispositif qui est connecté à cette dernière résistance i7. La présente invention comporte de plus une disposition de la carte de contrôle parti-culière sous la carte principale, comme le décrit la figure 5. Les cartes de contrôle e2 et e3, c'est à dire celles qui reçoivent le processeur de contrôle, sont placées sous (ou dessus) la carte principale el décrite à la figure 4. Elles sont connectées par des connecteurs débrochables e4 et e5. De cette façon elles sont facilement interchangeables et peuvent aussi s'empiler, afin de réaliser des fonctions complexes. On peut par exemple dédier une carte de contrôle au processeur de commande et l'autre à des circuits de commande numérique rapide programmables. Il est intéressant d'utiliser pour les connecteurs de liaison e4 et e5 un standard industriel, correspondant à des cartes commercialisées par des grands noms de l'industrie. Une réalisation possible, en considérant une carte de commande à processeur de signaux digitaux de la marque Texas Instruments, consiste à utiliser le connecteur d'interface public proposé par la marque Spectrum Digital, comme le présentent la figure 11, pour les signaux digitaux et la figure 12, pour les signaux analogiques. Une réalisation possible de ce connecteur est proposée à la figure 13 pour la partie digitale. Une réalisation possible de ce connecteur est proposée à la figure 14, pour la partie analogique. Ces d'eux dernières figures présentent la correspondance entres les signaux issus du processeur de contrôle de la figure 1, et les signaux de la carte de commande et de puissance. Les noms de certains signaux utilisés sont ceux de la marque Texas Instruments, sachant que tout type de processeur de contrôle peut être utilisé. La présente invention comporte une personnalisation de son câblage par des connecteurs interchangeables, comme le présente la figure 6. La carte fl, qu'elle soit de commande et de puissance, ou de contrôle, comporte des connections, notamment celles du processeur de contrôle, reliées à des picots f3, entourés d'un ou de plusieurs picots f2, f4. Un connecteur débrochable f5 vient effectuer la connexion soit entre les picots f2 et f3, soit entre les picots f3 et f4. En multipliant ces picots, il est possible de rendre l'ensemble très flexible et de le personnaliser facilement. Lorsqu'on place sur un même circuit imprimé une section de commande et une autre de puissance, il faut prendre soin de réaliser correctement les câblages, afin d'éliminer les interférences. Une parade connue consiste à réaliser le circuit imprimé en multi-couches, par exemple quatre, qui est un bon optimum économique. On utilise alors un plan de masse, un plan d'alimentation et deux plans de connexions. Chacune des deux sections comporte ses propres plan de masse et d'alimentation, qui font ainsi écran aux interférences. La ligne de séparation d40 à la figure 4, est suffisamment large afin de respecter les normes en vigueur. Des pontages sont prévus, au travers par exemple de colonnettes pré-montées sur le circuit imprimé pour recevoir des câbles de connexion, afin de relier les deux plans de masse, celui de commande et celui de puissance. Ceci permet alors de commander le variateur sans isolement galvanique, comme le requièrent certaines applications. Les capteurs de courant (dl, d3, d5, d7, d9, d Il) présentés dans la figure 4, doivent être isolés galvaniquement afin de ramener une mesure non perturbante au processeur de contrôle. La figure 7, présente l'utilisation astucieuse d'une gamme de cap- teurs de courant g2, présentant uné fenêtre céntrale, Ôû passe le fil g4, qui véhicule le courant à mesurer. La présente invention propose une utilisation judicieuse desdits capteurs g2, placés sur la carte support gl, en les plaçant à côté des connecteurs de sortie de puissance g3. L'utilisateur peut alors personnaliser la sensibilité de ces capteurs g2, en effectuant le nombre de passages du fil de sortie g4, qu'il souhaite dans la fenêtre du capteur de courant. Le positionnement des capteurs de courant g2 sur le plan de masse de la section de commande, permet de bénéficier de l'effet d'écran des plans de masse et d'alimentation de cette dernière zone, afin de minimiser les interférences entre la commande et la puissance. Une utilisation astucieuse de ce variateur consiste à lui permettre de s'adapter à la puissance requise par l'adjonction de modules supplémentaires. Il existe en effet des modules d'interrupteurs de puissance, mais lorsqu'ils sont fournis avec des amplificateurs de grille, ils sont souvent très chers. La présente invention permet d'alimenter ces modules de puissance extérieurs, comme le propose la figure 8, qui présente ces connexions, soit en utilisant leurs amplificateurs de grille d39 (du bras n°4 de la figure 4), soit en se connectant directement aux grilles de commande rapprochée des interrupteurs de puissance d37 et d38 (figure 4). La figure 8, présente une réalisation possible de cette adaptation astucieuse à la puissance requise. L'amplificateur de grille hl, de type IR2213, reçoit les signaux issus du processeur de commande nommés Drive Bras IL et Drive_Bras 1 H. Les connecteurs h9 et hl 0 permettent à l'utilisateur de brancher ces signaux de commande sur les entrées d'amplificateurs d'un montage pré-caractérisé, qui intègre l'amplification de grille et la puissance. Une offre commerciale très complète existe dans ce domaine, mais elle est rarement proposée avec la carte de commande. Dans cette version, le variateur pré-caractérisé décrit à la figure 4, est réduit au simple rôle de carte de commande. Il peut être livré au client sans sa section de puissance, afin d'en réduire le coût. Les commandes rapprochées de grille issues de l'amplificateur IR2213 uti- lisent un montage classiquè fourni par le constructeur: Il est néanmoins astucieux de monter les résistances de grille h2, h3, h4 et h5 des interrupteurs de puissance sur des picots, afin de les changer facilement, et de faciliter le réglage de la commutation dans lesdits interrupteurs. Les connecteurs hl 1 et h12 proposent à l'utilisateur d'utiliser les paires de signaux (Grille-L 1 /GND_PWR) et (Grille-L 1 /PM 1), qui correspondent respectivement aux signaux' envoyés sur les grilles de commande des transistors de puissance h7 et h6. Dans cette réalisation, l'utilisateur peut alors directement commander des modules de transistors de puissance, dépourvus d'amplificateurs de grille, dont le prix est particulièrement avantageux. La présente invention se caractérise aussi par le paramétrage du gain des amplificateurs différentiels, comme le propose dans une réalisation particulière la figure 15. L'amplification différentielle est réalisée par un amplificateur intégré o4 de référence INAl28, mais elle peut utiliser toute autre marque ou association de composants. Le signal différentiel arrive sur un connecteur ol à trois broches, dont l'une d'elles est reliée à la masse. Un amplificateur o5 permet, grâce au potentiomètre o8, de régler l'offset de tension sur le signal de sortie o9 fourni par l'amplificateur différentiel o4. Cet amplificateur o5 permet de transposer le signal mesuré ol symétrique en tension, en un signal centré autour d'une valeur positive adaptée à la commande par processeur, car ces derniers utilisent des tensions d'alimentation positives. Un amplificateur o6 permet d'amplifier le signal de sortie de ce montage, tout en limitant le courant fourni grâce à la résistance o 10, qui intervient lorsque les écrêteurs des entrées analogiques du processeur de contrôle a9 sont mis en fonctionnement. Les connecteurs o2, o3 et o7 permettent de programmer le gain de cet amplificateur différentiel dans une large plage de valeurs, par exemple dans cette réalisation, de 0dB à 80dB. Si ces connecteurs o2, o3 et o7 sont réalisés avec des cavaliers montés sur des picots, comme le propose la figure 6, pour la personnalisation du processeur de contrôle, alors l'utilisateur pourra très facilement changer le gain de son appareil, sans opération de dessoudage. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits, mais s'étend à toute modification et variante évidente pour un homme du métier, tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées. 3 Liste des figures inentibnnées dans le document figure 1 : Fonctionnalités d'un variateur électronique de puissance figure 2 Fonctionnalités d'un variateur électronique de puissance à source de tension figure 3 génération des variateurs électroniques de puissance à partir du bras élémentaire figure 4 variateur universel pré-caractérisé figure 5 : agencement des cartes de contrôle figure 6 : personnalisation du câblage figure 7 : capteur de courant figure 8 : commande de grille figure 9 : dispositif de protection par écrêtage des entrées en mode clamping figure 10 : dispositif de protection par écrêtage des entrées avec une diode Zener figure 11 : connecteur digital public proposé par spectrum Digital pour ses cartes de com-mande à processeur de signaux digitaux Texas Instruments F2808 figure 12 : connecteur analogique public proposé par spectrum Digital pour ses car-tes de commande à processeur de signaux digitaux Texas Instruments F2808 figure 13 : Connecteurs zone configuration DSP - Digital Port figure 14 : Connecteurs zone configuration DSP - Analog Port figure 15 : Entrées Instrumentées voie n°l Revendications1/ Variateur électronique de puissance caractérisé par l'intégration sur un même circuit imprimé, monocouche ou multicouches, de plusieurs bras de hacheur élémentaires, avec les éléments réalisant les fonctions communications avec le processus de supervision extérieur a3, mesures du milieu extérieur analogiques et digitales a2, mesures de courant et de tension internes a4 et al 1, commande amplifiée et isolée des interrupteurs de puissance a5 et a12, filtre d'entrée continue a8, processeur de contrôle a9, la section puissance et la section commande étant séparées en deux zones isolées électriquement. 2/ Variateur électronique de puissance, selon la revendication n°1, caractérisé en ce que la source d'alimentation b6 est une source de tension continue. 3/ Variateur électronique de puissance, selon la revendication n°2, caractérisé en ce qu'il contient au moins trois bras de hacheur. 4/ Variateur électronique de puissance, selon la revendication n°2, caractérisé en ce qu