Brevet FR2952481A1 — publié le 20110513

DISPOSITIF POUR CONVERTIR DE L'ENERGIE ELECTRIQUE La présente invention concerne un dispositif pour convertir de l'énergie électrique. Elle s'applique notamment dans le domaine des convertisseurs statiques de puissance. De plus en plus, les convertisseurs de puissance sont basés sur des convertisseurs multi-phases entrelacés. Malheureusement, ces convertisseurs ont pour principal inconvénient qu'ils sont encombrants. La 10 tendance actuelle pour tenter d'éviter cet inconvénient consiste à utiliser des structures de filtrage à inductances, grâce auxquelles un temps de réponse rapide peut être atteint, sans rien sacrifier au rendement et à l'encombrement. Ainsi, une topologie classique de convertisseur multicellulaire 15 parallèle repose sur une association de plusieurs cellules de commutation couplées par l'intermédiaire d'inductances enroulées autour d'un noyau magnétique. Les inductances sont couramment appelées inductances de liaison ou filtres. En effet, la mise en parallèle des cellules de commutation autorise l'utilisation de composants plus performants quoique de calibre 20 inférieur. Elle permet également d'atteindre des puissances inaccessibles avec des composants isolés et elle améliore les formes d'onde à l'entrée et à la sortie du convertisseur par une augmentation du nombre de degrés de liberté. La mise en parallèle des cellules de commutation permet enfin de réduire le coût total du convertisseur. 25 Les principales méthodes de couplage magnétique actuellement utilisées sont le couplage monolithique utilisant un seul noyau magnétique et le couplage par utilisation de transformateurs montés en cascade cyclique. Ces deux méthodes seront détaillées par la suite. Mais pour certains systèmes fortement critiques, il est nécessaire 3o de maintenir la disponibilité du convertisseur même en cas de panne. Or, même si les coupleurs magnétiques sont très efficaces du point de vue du filtrage et de l'encombrement, malheureusement toutes les phases doivent fonctionner simultanément pour garantir le fonctionnement du convertisseur. II est donc difficile d'autoriser un fonctionnement en mode dégradé ou un fonctionnement avec un nombre variable de cellules. En effet, pour minimiser la structure magnétique et maîtriser les pertes, il est indispensable de choisir une structure de filtrage réalisant une répartition du flux symétrique dans les différentes parties des circuits magnétiques. Or, une cellule non utilisée peut avoir d'importantes répercussions sur cette répartition des flux et causer d'importants déséquilibres, ceci quelle que soit la technique choisie (couplage monolithique ou couplage par transformateurs). Ainsi, outre l'impossibilité de maintenir la fonction du convertisseur et le risque de destruction du convertisseur, les circuits magnétiques peuvent être saturés et les équilibres des courants peuvent être rompus comme détaillé par la suite. Il s'agit là de l'un des problèmes techniques que la présente invention se propose de résoudre. L'invention a notamment pour but de fiabiliser le fonctionnement d'un convertisseur entrelacé utilisant un coupleur magnétique en sortie, que le coupleur soit monolithique ou à transformateurs et quel que soit le nombre de phases utilisées. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif pour convertir de l'énergie électrique. Le dispositif comporte une pluralité de cellules de commutation fournissant chacune du courant par sa phase de sortie, ainsi que des moyens magnétiques pour coupler les cellules de commutation. Les moyens magnétiques de couplage comportent des inductances enroulées autour d'au moins un noyau magnétique, la phase de sortie de chaque cellule étant connectée à l'une des inductances. Le dispositif comporte des moyens pour court-circuiter au moins l'une des inductances, de manière à perpétuer les flux magnétiques dans les moyens de couplage même lorsque la phase de sortie connectée à ladite inductance ne fournit pas de courant. Par exemple, les moyens pour court-circuiter l'inductance peuvent 30 comporter au moins un interrupteur, l'interrupteur pouvant être fermé afin de court-circuiter l'inductance. Avantageusement, le dispositif peut également comporter des moyens pour isoler la cellule dont la phase de sortie ne fournit pas de courant. Par exemple, les moyens pour isoler la cellule peuvent comporter au moins un interrupteur, l'interrupteur pouvant être ouvert afin d'isoler la cellule. Dans un mode de réalisation, les moyens magnétiques de couplage peuvent comporter un unique noyau magnétique afin de coupler les inductances. L'unique noyau magnétique peut contenir un matériau de type N97. L'unique noyau magnétique peut également être symétrique, les inductances pouvant être enroulées par paires autour du noyau en des emplacements symétriques parcourus par des flux magnétiques identiques, les moyens pour court-circuiter l'inductance pouvant court-circuiter simultanément l'inductance enroulée à l'emplacement symétrique. Dans un autre mode de réalisation, les moyens magnétiques de couplage peuvent comporter une pluralité de noyaux magnétiques interconnectés afin de coupler les inductances. L'un au moins des noyaux magnétiques peut contenir un matériau de type N97. Par exemple, les moyens magnétiques de couplage peuvent comporter une pluralité de transformateurs, chaque transformateur pouvant comporter son propre noyau magnétique et deux inductances, les transformateurs pouvant être interconnectés en cascade cyclique afin de coupler leurs inductances. L'invention a encore pour principaux avantages qu'elle permet de réadapter la fréquence de découpage du convertisseur, afin d'éviter la saturation des circuits magnétiques et de garantir le taux d'ondulation du courant de sortie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui 30 représentent : - la figure 1 illustre, par un synoptique, une structure entrelacée multicellulaire selon l'art antérieur; - la figure 2 illustre, par un graphique, des signaux de commande d'une structure entrelacée multicellulaire selon l'art antérieur; - la figure 3 illustre, par un synoptique, une autre structure entrelacée multicellulaire selon l'art antérieur; la figure 4 illustre, par un graphique, un inconvénient majeur des structures entrelacée multicellulaire selon l'art antérieur; la figure 5 illustre, par un synoptique, des principes de base de l'invention; - la figure 6 illustre, par un synoptique, un exemple de dispositif selon l'invention pour isoler une cellule de commutation; - les figures 7 et 8 illustrent, par un synoptique et par un graphique respectivement, un exemple de mise en oeuvre de l'invention sur un convertisseur dont les cellules de commutation sont couplées par l'intermédiaire de transformateurs montés en cascade cyclique; - la figure 9 illustre, par un synoptique, un exemple de mise en oeuvre de l'invention sur un convertisseur dont les cellules de commutation sont couplées par l'intermédiaire d'un coupleur monolithique; - les figures 10a et 10b illustrent, par une vue en perspective, un exemple de circulation des flux dans un circuit magnétique selon l'invention. La figure 1 illustre un exemple de structure entrelacée à p cellules de commutation C1 à Cp et p-1 multi-niveaux NPC ("Neutral-Point-Clamped") selon l'art antérieur. Un filtrage magnétique monolithique est utilisé, c'est-à- dire à partir d'un unique noyau magnétique K. Dans l'exemple de la figure 1, le noyau magnétique K présente la topologie dite "en échelle". Des inductances L1 à Lp partagent le noyau magnétique K. Un signal de commande ik où 1 Le couplage monolithique utilisant un seul noyau magnétique n'est que l'une des principales méthodes de filtrage par couplage magnétique. Une autre méthode de filtrage par couplage est le couplage par transformateurs, comme illustré par la figure 3 selon l'art antérieur. Sur cette figure, des transformateurs TI, T2, T3, T4, T5, T6 et T7 sont montés selon l'art antérieur "en cascade cyclique" entre les phases de sortie 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7 d'un convertisseur entrelacé. Ils sont tous couplés électriquement et réalisent une chaîne circulaire comme illustré par la figure. 10 Une cellule non utilisée peut avoir d'importantes répercussions sur la répartition des flux et causer d'importants déséquilibres, ceci quelle que soit la technique choisie (couplage monolithique ou couplage par transformateurs). Ainsi, outre l'impossibilité de maintenir la fonction du 15 convertisseur et le risque de destruction du convertisseur, les circuits magnétiques selon l'art antérieur peuvent être saturés et les équilibres des courants peuvent être rompus comme illustré par la figure 4. Sur cette figure est illustrée en ordonnée la répartition de la composante DC du courant dans chacune des phases d'un convertisseur selon l'art antérieur comportant six 20 cellules représentées en abscisse, les six cellules étant couplées par cascade cyclique et la cellule 4 étant désactivée. II apparaît clairement que l'équilibre des courants est rompu. II s'agit là de l'un des problèmes techniques que la présente invention se propose de résoudre. 25 La figure 5 illustre par un synoptique les principes de base de l'invention. Six cellules de commutation 11, 12, 13, 14, 15 et 16 sont entrelacées avec un décalage en phase de 60°. Elles sont couplées par l'intermédiaire d'un coupleur magnétique 17, qui peut indifféremment être monolithique ou à transformateurs. L'invention propose notamment de court- 30 circuiter la phase du filtre magnétique en sortie d'une cellule dès lors que celle-ci est défectueuse. Avantageusement, la cellule défectueuse peut également être isolée, de sorte que son point de sortie ne soit pas relié à un potentiel dangereux. Dans le présent exemple, c'est notamment le rôle des modules 18 de court-circuit et 19 d'isolement, qui permettent respectivement 35 de court-circuiter la phase du filtre magnétique en sortie de n'importe laquelle des six cellules 11 à 16 et d'isoler n'importe laquelle des six cellules 11 à 16. Comme décrit par la suite, ce principe peut être mis en oeuvre aussi bien sur un convertisseur entrelacé comportant un coupleur monolithique que sur un convertisseur entrelacé comportant un coupleur à transformateurs. La figure 6 illustre par un synoptique un exemple de dispositif selon l'invention, comme le module 19, pour isoler une cellule de commutation 20 dans un convertisseur entrelacé. En cas de 1 o dysfonctionnement de la cellule 20, la continuité de service peut avantageusement être envisagée par l'intégration d'interrupteurs 21, 22 et 23 dans le convertisseur, afin de confiner la défaillance. Dans le présent exemple, trois dispositifs d'isolement comme les interrupteurs 21, 22 et 23 peuvent utilisées pour isoler totalement la cellule 20 de l'ensemble des 15 potentiels environnants, puisque la cellule 20 est un tripôle. Les figures 7 et 8 illustrent, par un synoptique et par un graphique respectivement, un exemple de mise en oeuvre de l'invention sur un 20 convertisseur comportant six cellules de commutation entrelacées 31, 32, 33, 34, 35 et 36 décalées en phase de 60°, ainsi qu'un coupleur comportant avantageusement six transformateurs 41, 42, 43, 44, 45 et 46 montés en cascade cyclique. La figure 7 illustre plus particulièrement un interrupteur 50 pouvant 25 avantageusement permettre de court-circuiter le filtrage selon l'invention en cas de dysfonctionnement de la cellule 34. En effet, fermer l'interrupteur 50 en cas de dysfonctionnement de la cellule 34 permet de perpétuer la conduction du courant dans l'ensemble des transformateurs 41, 42, 43, 44, 45 et 46. Dans un cas idéal, la transmission du courant sera totale. Mais 30 dans la pratique, ce procédé engendre des pertes supplémentaires dues à la phase intermédiaire. Cependant, pour un mode de fonctionnement dégradé ou à puissance réduite, cela constitue un bon compromis. Or, dans le cas du coupleur à transformateurs, la section de fer S fer dépend du nombre de phases Nphase . Les éléments magnétiques ne 35 pouvant être changés en cours d'utilisation, cette stratégie de commande 5 doit modifier la fréquence de découpage des différentes cellules. L'équation (1) ci-dessous doit être respectée pour garantir une surface de fer toujours supérieure à la saturation du noyau magnétique, ceci quel que soit le nombre de phases : (1) 4 x Nspire x BEC x f x N phase Sfer i E 4 où E désigne la tension d'entrée du convertisseur, Nspi,e désigne le nombre de spires, Be,T désigne l'induction magnétique maximale et Lin désigne la 10 fréquence de découpage minimale. Par exemple, le tableau 1 ci-dessous donne les fréquences de découpage en fonction du nombre de cellules actives d'un convertisseur qui compte six cellules au total, en partant du principe que la surface de fer Sfer a été dimensionnée dans le cas le plus critique où l'induction magnétique 15 maximale acceptée par le noyau magnétique est à 292kHz. Cette condition est la plus appropriée pour un convertisseur qui optimise le rendement avec un nombre de cellules variable. Nombre de cellules actives 6 5 4 3 2 1 Fréquence de découpage (kHz) 48 58 73 97 146 292 Tableau 1 20 La figure 8 illustre, pour quelques matériaux magnétiques usuels et pour une densité de perte de l'ordre de 300mW/cm3, l'induction maximale en teslas en fonction de la fréquence de découpage en hertz. Une courbe 60 25 correspond au matériau 500F, une courbe 61 correspond au matériau N97, une courbe 62 correspond au matériau 3C92, une courbe 63 correspond au matériau 3C94 et une courbe 64 correspond au matériau PC40. En effet, pour garantir un volume minimal, il faut tenir compte des variations de l'induction magnétique maximale selon la fréquence de découpage. Cette 30 solution est plus adaptée à une stratégie de commande à cellules fixes acceptant un mode dégradé à cause d'une ou deux cellules défectueuses, car cette solution impose des variations de fréquence de découpage plus importante, comme indiqué par le tableau 2 ci-dessous. Le tableau 2 indique, pour les matériaux de type 500F et N97, la fréquence de découpage de chaque cellule en kilohertz en fonction du nombre de cellules actives. Nombre de cellules actives 6 5 4 3 2 1 Noyau 500F 20 90 150 240 330 660 Noyau N97 30 40 62 110 210 420 Tableau 2 II est donc préférable d'avoir la variation de l'induction magnétique la plus faible possible, de sorte que les variations de fréquence, quoique 10 nécessaires au bon fonctionnement, ne soient pas trop importantes. Avantageusement, le noyau N97 a une variation relativement faible, il peut donc très bien convenir à un fonctionnement avec un nombre variable de cellules. Alors que le noyau 500F a une variation très importante, il est donc plus adapté à une application avec un nombre fixe de cellules. 15 La figure 9 illustre par un synoptique un exemple de mise en oeuvre de l'invention sur un convertisseur entrelacé comportant un coupleur monolithique à topologie circulaire. 20 II existe de nombreuse façon de réaliser un coupleur monolithique. La topologie la plus courante est la topologie dite en échelle illustrée par la figure 1. Mais cette topologie souffre d'un problème de surdimensionnement, car le flux local se concentre dans le circuit magnétique. D'autres topologies, communément appelées topologies circulaires, évitent ce 25 surdimensionnement, leur symétrie équilibrant naturellement le flux dans l'intégralité de la structure. La figure 9 illustre une topologie circulaire dite "à noyau standard", car elle a l'avantage de ne pas nécessiter la conception d'un noyau magnétique ad hoc. La figure 9 illustre plus particulièrement le schéma de réluctance d'un exemple de topologie circulaire comportant un 30 noyau 90 standard, dont des zones symétriques 91 et 91' sont avantageusement parcourues par des flux magnétiques identiques, dont des zones symétriques 92 et 92' sont avantageusement parcourues par des flux magnétiques identiques, dont des zones symétriques 93 et 93' sont5 avantageusement parcourues par des flux magnétiques identiques et dont des zones symétriques 94 et 94' sont avantageusement parcourues par des flux magnétiques identiques. Il apparaît ainsi que les différentes barres transversales du noyau ont des flux qui sont tous de formes identiques. Dans certaines phases, les flux sont en phase et ont même amplitude, ils présentent une certaine symétrie. Toutes les zones décalées de 180° sont traversées par les même flux. Dans le présent exemple de réalisation, la solution permettant d'assurer la continuité du fonctionnement est de court-circuiter non seulement le filtre de la cellule désactivée ou défectueuse, mais également le filtre disposé symétriquement sur le noyau. Dans le présent exemple de réalisation, si cette condition n'était pas respectée, alors une concentration locale de flux se produirait, le circuit magnétique saturerait et le fonctionnement du convertisseur serait alors compromis. Il est à noter que, avec d'autres structures monolithiques, il n'est pas indispensable de court- circuiter deux cellules simultanément pour assurer le fonctionnement. Les figures 10a et 10b illustrent par des flèches la circulation des flux dans le circuit magnétique d'un coupleur 100 à quatre cellules selon l'invention. La figure 10a illustre le cas où deux cellules sur quatre sont utilisées et où aucun filtre n'est court-circuité. On se retrouve avec deux inductances parfaitement indépendantes l'une de l'autre et, en l'absence d'entrefer et d'échange de flux, les noyaux magnétiques saturent immédiatement. La figure 10b illustre le cas où deux cellules sur quatre sont utilisées et où les filtres correspondants aux phases inactives sont court-circuités. Les filtres court-circuités voient circuler un courant qui engendre un flux qui s'oppose à celui qui lui a donné naissance. Les flux n'empruntent donc pas ce chemin et passent par les cellules encore actives. En effet, dans le cas des coupleurs monolithiques, la section de fer S fer ne dépend pas du nombre de phases. L'équation (2) ci-dessous garantit une section de fer S fer toujours constante, même avec un nombre variable de cellules en fonctionnement : E 8 X Nspire x Be x fini. (2) Ainsi, il peut être intéressant de modifier la fréquence de découpage, afin de maintenir une amplitude fixe d'ondulation du courant de sortie. Avantageusement, une structure de contrôle peut être implémentée dans un FPGA ("Field-Programmable Gate Array"), de manière à adapter les déphasages des PWM ("Pulse Width Modulation") en fonction du nombre de phases à commander, avec l'aide d'un microprocesseur qui se charge des calculs et de l'analyse des mesures. Une référence sinusoïdale peut être placée dans une mémoire interne au FPGA. L'amplitude ainsi que la fréquence de génération de la sinusoïde peuvent être commandées par le microprocesseur. Le module PWM peut générer des DPWM ("Digitally adjusted Pulse Width Modulation ") à haute résolution double rampe. Ce modèle fait appel à des PLL ("Phase-Locked Loop ") déphasées qui ajoute des points de comparaison entre deux fronts d'horloge. L'invention décrite précédemment a encore pour principal avantage qu'elle est applicable aussi bien aux convertisseurs entrelacés comportant un coupleur monolithique qu'aux convertisseurs entrelacés comportant un coupleur à transformateurs montés en cascade cyclique. S fer REVENDICATIONS1. Dispositif pour convertir de l'énergie électrique, le dispositif comportant une pluralité de cellules de commutation (11 à 16) fournissant chacune du courant par sa phase de sortie, le dispositif comportant des moyens magnétiques (17) pour coupler les cellules de commutation, les moyens magnétiques de couplage comportant des inductances enroulées'autour d'au moins un noyau magnétique, la phase de sortie de chaque cellule étant connectée à l'une des inductances, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (18) pour court-circuiter au moins l'une des inductances, de manière à perpétuer les flux magnétiques dans les moyens de couplage même lorsque la phase de sortie connectée à ladite inductance ne fournit pas de courant. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (18) pour court-circuiter l'inductance comportent au moins un interrupteur, l'interrupteur étant fermé afin de court-circuiter l'inductance. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (19) pour isoler la cellule dont la phase de sortie ne fournit pas de courant. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens (19) pour isoler la cellule (20) comportent au moins un interrupteur (21, 22, 23), l'interrupteur étant ouvert afin d'isoler la cellule. 25 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens magnétiques de couplage (17) comportent un unique noyau magnétique afin de coupler les inductances. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'unique noyau 30 magnétique contient un matériau de type N97. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'unique noyau magnétique (90) est symétrique, les inductances étant enroulées par paires autour du noyau en des emplacements symétriques parcourus par20des flux magnétiques identiques, les moyens pour court-circuiter l'inductance court-circuitant simultanément l'inductance enroulée à l'emplacement symétrique. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens magnétiques de couplage comportent une pluralité de noyaux magnétiques interconnectés afin de coupler les inductances. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'un au moins 1 o des noyaux magnétiques contient un matériau de type N97. 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens magnétiques de couplage comportent une pluralité de transformateurs (41 à 46), chaque transformateur comportant son propre noyau 15 magnétique et deux inductances, les transformateurs étant interconnectés en cascade cyclique afin de coupler leurs inductances.