Brevet FR2960110A1 — publié le 20111118

Procédé de commande à MLI d'un convertisseur de puissance La présente invention se rapporte à un procédé de commande à Modulation de Largeur d'Impulsion d'un convertisseur de puissance. Ledit convertisseur de puissance est destiné à être utilisé sous la forme d'un onduleur ou d'un redresseur actif dans un variateur de vitesse, un système d'alimentation sécurisé, un filtre actif ou un convertisseur DC-DC. De manière classique, la commande des interrupteurs d'un convertisseur de 1 o puissance est réalisée par modulation de largeur d'impulsion (ci-après MLI). Une MLI est caractérisée par sa période de découpage Ts, la largeur T de l'impulsion définissant les instants de commutation des interrupteurs du convertisseur pour chaque période de découpage et par le rapport cyclique a de commutation qui correspond au rapport entre la largeur T de chaque impulsion et la période de 15 découpage Ts. Chaque impulsion peut notamment être obtenue en réalisant une MLI de type intersective qui consiste à comparer une porteuse triangulaire de période Ts, normalisée ente 0 et 1, avec une modulante de valeur a. La MLI employant une porteuse triangulaire symétrique en vue d'obtenir des impulsions centrées sur la 20 période de découpage est considérée comme satisfaisante dans la plupart des situations. Cependant, dans certaines situations, par exemple pour atténuer les tensions de mode commun, il s'avère utile d'employer une porteuse triangulaire asymétrique ou de changer la valeur de la modulante au cours de la commande comme décrit dans le 25 brevet EP1855375. De même, pour obtenir des commutations simultanées en vue d'améliorer la CEM, il s'avère intéressant de changer la pente de la porteuse asymétrique. Or ces nouvelles techniques de MLI entraînent des distorsions sur le courant de sortie à destination de la charge (voir l'évolution du courant is sur la partie de la courbe représentée en pointillés sur la figure 8). 30 En employant une porteuse triangulaire asymétrique, les non-linéarités inhérentes à la MLI s'accentuent et des distorsions apparaissent sur le courant de sortie notamment en cas d'échantillonnage de la modulante, de modification du rapport cyclique de la porteuse (changement de pente - voir par exemple la figure 8) ou d'injection d'une composante homopolaire dans un système à plusieurs phases. Alors que l'art antérieur préconise le plus souvent de poursuivre l'emploi de porteuses triangulaires symétriques, le but de l'invention est de proposer un procédé de commande d'un convertisseur de puissance fonctionnant en boucle ouverte et utilisant une MLI avec une porteuse asymétrique et dans lequel un changement de porteuse et/ou de modulante n'entraîne pas ou peu l'apparition de distorsions dans le courant de sortie obtenu. Ce but est atteint par un procédé de commande d'un convertisseur de puissance comportant un ou plusieurs interrupteurs pilotés par une modulation de largeur d'impulsions de type intersective qui consiste à comparer sur une ou plusieurs périodes de découpage une porteuse triangulaire asymétrique avec au moins une modulante de référence de manière à obtenir pour chaque période de découpage une impulsion définissant les instants de commutation de chaque interrupteur en vue d'obtenir une tension de commande de référence à délivrer à une charge électrique. Selon l'invention, le procédé comporte, pour une période de découpage, une étape de détermination d'une modulante corrigée à appliquer à la porteuse asymétrique, ladite modulante corrigée tenant compte de la modulante de référence et étant déterminée de manière à obtenir une impulsion modifiée dont l'influence sur la charge électrique est équivalente à celle qu'aurait apportée une modulation de largeur d'impulsions employant une porteuse triangulaire symétrique. Si on utilise une première méthode de modulation intersective avec une porteuse asymétrique et une seule modulante, on obtient alors que, pour une période de découpage, la modulante corrigée est déterminée en tenant compte de la modulante de référence (an) à appliquer sur ladite période de découpage, du rapport cyclique (Rn) de la porteuse à appliquer sur ladite période de découpage, de la modulante de référence (an_1) associée à la période de découpage précédente et du rapport cyclique (8n4 de la porteuse appliquée sur la période de découpage précédente. Plus précisément, pour chaque période de découpage, la modulante corrigée est alors déterminée à partir des relations suivantes : ^ ^n^Kn^Knox Kn ^^n EU ^^n) ^n ^ l 2 n Dans lesquelles : - an. correspond à la modulante corrigée pour la période de découpage n, - an correspond à la modulante de référence pour la période de découpage n, - 3, correspond au rapport cyclique de la porteuse sur la période de découpage n, Si on utilise une deuxième méthode de modulation intersective avec une porteuse asymétrique et deux modulantes de référence, le procédé comporte alors une étape de détermination d'une première modulante corrigée et d'une deuxième 1 o modulante corrigée tenant compte chacune de la première modulante de référence à appliquer pour ladite période de découpage, de la deuxième modulante de référence à appliquer pour ladite période de découpage, de la première modulante de référence associée à la période de découpage précédente et de la deuxième modulante de référence associée à la période de découpage précédente. 15 Plus précisément, dans le cadre de cette deuxième méthode de MLI, pour chaque période de découpage, la première modulante corrigée est déterminée à partir des relations suivantes : in ^1^1^ (Kn ^Knox) si ^n ^1 En ^n ^ 1 Avec Kn ^ 2(^nn ^^in)(^in ^^nn ^1) et ^nn ^^in ^^net 20 Dans lesquelles : - ain* correspond à la première modulante corrigée pour la période de découpage n, - ain correspond à la première modulante de référence pour la période de découpage n, 25 - affin correspond à la deuxième modulante de référence pour la période de découpage n. Pour sa part, la deuxième modulante corrigée est déterminée à partir des relations suivantes : in 30 1^^.. ^nn^ n(Kn^Knoi) ^n^1 1^^n sI ^n ^1 Avec Kn ^ 2 1 (^ün ^^in)( in ^^iin ^1) et ^ün Dans lesquelles : - a;;n correspond à la deuxième modulante corrigée pour la période de découpage n, - a;n correspond à la première modulante de référence pour la période de découpage n, - a;;, correspond à la deuxième modulante de référence pour la période de découpage n. Selon l'invention, le procédé de commande est mis en oeuvre pour chaque période de découpage. Selon une autre particularité, le procédé comporte une étape de détection d'un changement de rapport cyclique de porteuse et/ou de changement de la modulante de référence. Dans cette situation, le procédé peut effectuer la correction que lorsque cela est nécessaire. L'invention s'applique également au convertisseur de puissance permettant de mettre en oeuvre le procédé de commande décrit ci-dessus. Ce convertisseur de puissance est par exemple un onduleur de type NPC. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente un onduleur de type NPC, les figures 2A et 2B représentent deux techniques de MLI utilisant respectivement une porteuse triangulaire asymétrique et une seule modulante et une porteuse triangulaire asymétrique en dents de scie et deux modulantes ainsi que les instants de commutation des interrupteurs obtenus grâce à ces deux techniques de MLI, m n la figure 3 illustre le principe de fonctionnement d'une MLI intersective utilisant une porteuse asymétrique et une modulante et dans laquelle, intervient un changement de pente de la porteuse asymétrique et une modification de la modulante, la figure 4 reprend la MLI intersective représentée sur la figure 3 et ajoute une porteuse triangulaire virtuelle équivalente ainsi que la modulante virtuelle associée permettant d'obtenir les mêmes instants de commutation, la figure 5 représente une MLI intersective employant une porteuse triangulaire asymétrique et une modulante et montre l'application d'une modulante corrigée lors de la transition marquée par le changement de pente de la porteuse et le changement de modulante, la figure 6 reprend la figure 5 et ajoute une nouvelle délimitation de la porteuse virtuelle triangulaire équivalente lors de la transition, la figure 7 reprend la figure 6 et indique en plus les volts-secondes souhaités par l'application de la modulante de référence et les volts-secondes obtenus par l'application de la modulante corrigée, la figure 8 montre notamment l'évolution du courant de sortie lors du changement de pente d'une porteuse asymétrique, cette évolution étant représentée en traits pointillés lorsque la porteuse est comparée à une modulante de référence et en traits pleins lorsque la porteuse est comparée à la modulante corrigée selon le procédé de commande de l'invention. 25 L'invention s'applique à un convertisseur de puissance employé dans un variateur de vitesse, un système d'alimentation sécurisé (UPS), un filtre actif... Ce type de convertisseur comporte par exemple un onduleur ou un redresseur actif doté de plusieurs bras de commutation comportant chacun plusieurs interrupteurs de puissance de type transistor. Chaque interrupteur est commandé à l'ouverture ou à la 30 fermeture pour appliquer une tension de commande de référence à une charge électrique connectée en aval. En référence à la figure 1, l'onduleur est par exemple de type NPC (pour "Neutral Point Clamped") et comporte trois bras de commutation 1, 2, 3 dotés de quatre interrupteurs T1,, T12, T13, T14, T21, T22, T23, T24, T31, T32, T33, T34. chacun. Deux condensateurs Cl, C2 sont connectés en série de part et d'autre du 15 20 point neutre O. Le convertisseur comporte des moyens de commande doté de moyens de traitement permettant de mettre en oeuvre le procédé de commande de l'invention. L'invention vise à proposer un procédé de commande employant une MLI de type intersective consistant à comparer une porteuse triangulaire asymétrique avec une ou plusieurs modulantes de référence comparées à la porteuse pour réaliser les impulsions de tension définissant les instants de commutation des interrupteurs du convertisseur en vue de commander la charge électrique à une tension de commande de référence. 1 o De manière connue, à chaque période de découpage, une commande MLI est définie par deux paramètres : la largeur de l'impulsion obtenue qui est définie par le produit entre le rapport cyclique de commutation a et la période de découpage Ts. La position de l'impulsion au cours de la période de découpage. Elle peut 15 être caractérisée par le rapport cyclique 13 de la porteuse ayant servi à générer l'impulsion (figure 2A). On normalise par exemple la période de découpage à 1, de même que l'amplitude de la porteuse. De cette manière, la valeur de la modulante de référence comparée à la porteuse est égale au rapport cyclique de l'impulsion résultante 20 obtenue. Dans la suite de la description, le symbole a correspond donc indifféremment à la valeur de la modulante de référence ou au rapport cyclique de commutation. En référence à la figure 2A, on obtient alors pour chaque période de découpage : L'instant de début de l'impulsion : =13(1-a) L'instant de fin de l'impulsion : y;; = (3(1- a) + a 25 L'instant milieu de l'impulsion : = (3(1- a) + a/2 Par ailleurs, il existe deux méthodes de MLI intersective équivalentes permettant d'obtenir les mêmes impulsions définissant les instants de commutation des interrupteurs du convertisseur. La première méthode représentée sur la figure 2A 30 utilise une porteuse triangulaire asymétrique P et une seule modulante de référence a constante sur chaque période de découpage et la deuxième méthode représentée en figure 2B utilise une porteuse asymétrique P' en dents de scie et deux modulantes de référence a;, a, constantes sur chaque période de découpage. Dans cette deuxième méthode, la première modulante de référence a; détermine l'instant de montée de l'impulsion I et la deuxième modulante de référence a;; détermine l'instant de descente de l'impulsion. L'écart entre les deux modulantes de référence a;, a;; détermine le rapport cyclique et donc la durée de l'impulsion I générée et est équivalent à la valeur de la modulante de référence a utilisée dans la première méthode. Si l'impulsion I a été générée par la MLI de la deuxième méthode, il est bien entendu possible de se ramener à la première méthode représentée sur la figure 2A en déterminant le rapport 1 o cyclique R de la porteuse asymétrique équivalente qui aurait généré la même impulsion par comparaison avec une seule modulante. Dans la suite de la description, le principe de l'invention est explicité à partir d'une MLI du type de la première méthode décrite ci-dessus, c'est-à-dire comportant une porteuse asymétrique et une seule modulante. Le procédé de commande de l'invention permet de limiter les distorsions sur le courant de sortie lorsque, d'une période de découpage à l'autre, le rapport cyclique [3 de la porteuse asymétrique et/ou la valeur de la modulante de référence change. Comme représenté sur la figure 3, le but de l'invention est donc de gérer la 20 transition d'une période de découpage Ts2 à une autre période de découpage Ts3 lorsque le rapport cyclique [3 de la porteuse et/ou la valeur de la modulante sont modifiées lors de cette transition. Il faut notamment s'assurer que le changement de rapport cyclique de la porteuse ou la modification de la modulante n'entraîne pas de distorsions sur le courant de sortie. 25 Pour cela, l'invention consiste à appliquer une correction sur la modulante de référence qui doit être appliquée lors de cette transition. Dans la suite de la description, on notera a la valeur de la modulante de référence, sans compensation et a* la valeur modifiée avec compensation. Comme l'amplitude de la porteuse est normalisée à 1, les rapports cycliques de commutation 30 sont également notés a et les rapports cycliques de porteuse sont notés [3. Des indices sont affectés à ces symboles pour indiquer leur changement de valeur. Le principe de l'invention consiste à prendre en compte les variations de la modulante ainsi que du rapport cyclique de la porteuse triangulaire asymétrique et à 15 modifier l'impulsion obtenue de sorte que l'influence de cette impulsion soit équivalente à celle qu'aurait apportée une MLI utilisant une porteuse triangulaire symétrique. Pour mieux comprendre l'invention, on peut imaginer un système virtuel dans lequel une porteuse virtuelle triangulaire et symétrique remplace la porteuse réelle quelconque, par exemple asymétrique, et dans lequel une modulante de référence virtuelle remplace la modulante de référence réelle, la modulante de référence virtuelle étant choisie de telle sorte que les points de comparaison avec la porteuse virtuelle coïncident avec les instants de commutation des interrupteurs dans le système réel. Le système virtuel est ainsi équivalent au système réel et le convertisseur se comporte 1 o comme s'il appliquait le système virtuel. La figure 3 montre ainsi une MLI employant une porteuse triangulaire asymétrique P1 changeant de rapport cyclique (131 à [32) d'une période de découpage à une autre et une modulante de référence dont la valeur est modifiée (a, à a2) lors de la transition entre les deux périodes de découpage TS2, TS3. La figure 4 indique en plus 15 la porteuse virtuelle triangulaire symétrique P10 équivalente à la porteuse asymétrique distincte P1 et les modulantes de référence virtuelles au), a2O qui lui sont associées en vue d'obtenir les mêmes instants de commutation que le système réel. Lors de la transition marquée par le changement de rapport cyclique de la porteuse et le changement de modulantes, on remarque sur la figure 4 que pour obtenir les mêmes 20 instants de commutation, les modulantes de référence virtuelles au), a2O appliquées ne sont pas égales aux modulante de référence réelles a,, a2 correspondantes. Ainsi, en appliquant une modulante de référence réelle sur la porteuse réelle asymétrique, les volts secondes réellement obtenus (zones grisées), reflétés par l'application de la modulante virtuelle sur la porteuse virtuelle symétrique équivalente, ne seraient pas 25 égaux aux volts secondes souhaités (zones hachurées). Par conséquent, pour obtenir les volts secondes souhaités en vue de commander la charge de manière satisfaisante, c'est-à-dire sans distorsions sur le courant de sortie, il est nécessaire d'appliquer une correction à la modulante de référence pour que le convertisseur puisse se comporter comme s'il appliquait une 30 porteuse triangulaire ou autrement dit pour que l'impulsion résultant de la comparaison entre la porteuse asymétrique et la modulante corrigée ait une influence sur la charge qui soit équivalente à celle qu'aurait apportée une MLI employant une porteuse symétrique. En référence à la figure 5, on remarque que lors de la transition, l'application 35 d'une modulante corrigée a2* à la porteuse asymétrique réelle P1 entraîne une modification de la largeur et de la position (yi2 , y2) de l'impulsion. Comme représenté sur la figure 6, lors de la transition, la porteuse virtuelle P10 présente ainsi une nouvelle délimitation. Ainsi pour éviter qu'une erreur se propage sur la période de découpage suivante, en plus de la modulante corrigée a2*, on introduit une nouvelle inconnue qui est la délimitation W2 de la porteuse virtuelle triangulaire dessinée lors la transition (figure 6). En référence à la figure 7, l'application de la modulante corrigée a2* permet ainsi de s'assurer que les volts-secondes souhaités (zones hachurées) sont égaux aux volts secondes obtenus (zones grisées claires et foncées). 1 o Selon l'invention, la modulante corrigée a2* peut ainsi être déterminée à partir du système d'équation écrit ci-dessous et obtenu en considérant l'égalité des volts-secondes souhaités et obtenus sur deux périodes de découpage dites virtuelles car redéfinies par rapport à la nouvelle délimitation des porteuses virtuelles. Pour la période de découpage n, les moyens de commande du convertisseur mettent ainsi en 15 oeuvre une étape de détermination de la modulante corrigée selon les relations suivantes : an =an +Kn -Kn-1 1` Kn = an . (1 - an) Rn Dans lesquelles : - an. correspond à la modulante corrigée pour la période de découpage n, 20 - an correspond à la modulante de référence pour la période de découpage n, - Gan correspond au rapport cyclique de la porteuse sur la période de découpage n, Lorsque la MLI est réalisée selon la seconde méthode détaillée ci-dessus en 25 référence à la figure 2B, pour la période de découpage n, les moyens de commande du convertisseur mettent en oeuvre une étape de détermination des deux modulantes corrigées selon les relations suivantes : in -1 ah, (Ki, - Kn-1) si ran 1 n an =1 1-a.. ann + 1- aln (Kn si an n 1r r _ Avec K _ n 2 (aiin -ain )(sain +aiin -1) et Iota - sain = an Dans lesquelles : - ain* correspond à la première modulante corrigée pour la période de découpage n, - aiin correspond à la deuxième modulante corrigée pour la période de découpage n, - ain correspond à la première modulante de référence pour la période de découpage n, - aiin correspond à la deuxième modulante de référence pour la période de découpage n, Ces nouvelles relations applicables pour une modulation du type représenté sur la figure 2B sont équivalentes à celles écrites ci-dessus pour la modulation représentée en figure 2A. Ainsi on modifie dynamiquement la modulante de référence réelle envoyée au modulateur réel de sorte que la modulante de référence virtuelle qui lui est associée donne les volts secondes souhaités au cours d'une période du modulateur virtuel. Les équations de compensation écrites ci-dessus permettent de calculer, en temps réel et en boucle ouverte, la valeur corrigée an* de la modulante de référence an requise pour la période n. Cette compensation calculée permet de remédier simultanément aux trois sources de perturbations identifiées : porteuse asymétrique+échantillonnage de la modulante, changement de rapport cyclique de la porteuse, injection de composante homopolaire avec porteuse asymétrique. Ainsi, comme représenté sur la figure 8, l'application de la modulante corrigée sur la porteuse asymétrique lors du changement de pente permet d'obtenir un courant de sortie is (en trait plein) non distordu. Idéalement, le procédé de commande de l'invention qui permet de déterminer la modulante corrigée an* peut être mis en oeuvre pour chaque période de découpage an =1 afin de réduire au maximum les distorsions sur le courant de sortie. Cependant, ce procédé pourrait tout à fait ne pas être appliqué pour toutes les périodes de découpage, par exemple une période de découpage. Dans ce cadre, on peut imaginer appliquer le procédé de commande uniquement lorsqu'un changement du rapport cyclique de porteuse et/ou de modulante de référence est détecté par des moyens appropriés. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un convertisseur de puissance comportant un ou plusieurs interrupteurs (T1, à T34) pilotés par une modulation de largeur d'impulsions de type intersective qui consiste à comparer sur une ou plusieurs périodes de découpage une porteuse triangulaire asymétrique (P1) avec au moins une modulante de référence (an) de manière à obtenir pour chaque période de découpage une impulsion définissant les instants de commutation de chaque interrupteur (T1, à T34) en vue d'obtenir une tension de commande de référence à 1 o délivrer à une charge électrique, caractérisé en ce que le procédé comporte, pour une période de découpage, une étape de détermination d'une modulante corrigée (an*) à appliquer à la porteuse asymétrique, ladite modulante corrigée (an*) tenant compte de la modulante de référence (an) et étant déterminée de manière à obtenir une impulsion modifiée dont l'influence sur la charge électrique est 15 équivalente à celle qu'aurait apportée une modulation de largeur d'impulsions employant une porteuse triangulaire symétrique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une période de découpage, la modulante corrigée est déterminée en tenant compte de la modulante de référence (an) à appliquer sur ladite période de découpage, du 20 rapport cyclique (I3n) de la porteuse à appliquer sur ladite période de découpage, de la modulante de référence (an_,) associée à la période de découpage précédente et du rapport cyclique (3n_,) de la porteuse appliquée sur la période de découpage précédente. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour chaque 25 période de découpage, la modulante corrigée est déterminée à partir des relations suivantes : ic(*i, = an + Ki, - Kn 1 1` Kn =an -(1-an) Rn -- 2/ Dans lesquelles : - an. correspond à la modulante corrigée pour la période de découpage n, 30 - an correspond à la modulante de référence pour la période de découpage n, - Rn correspond au rapport cyclique de la porteuse sur la période de découpage n, 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la modulation de largeur d'impulsions consiste à comparer sur une ou plusieurs périodes de découpage une porteuse triangulaire asymétrique (P') avec une première modulante de référence (ain) et une deuxième modulante de référence (aiin) de manière à obtenir pour chaque période de découpage une impulsion définissant les instants de commutation des interrupteurs (T11 à T34) en vue d'obtenir la tension de commande de référence à délivrer à la charge électrique et en ce qu'il comporte, pour une période de découpage, une étape de détermination d'une 1 o première modulante corrigée (ain*) et d'une deuxième modulante corrigée (aiin*) tenant compte chacune de la première modulante de référence à appliquer pour ladite période de découpage, de la deuxième modulante de référence (aiin) à appliquer pour ladite période de découpage, de la première modulante de référence (ain-1) associée à la période de découpage précédente et de la 15 deuxième modulante de référence (aiin-1) associée à la période de découpage précédente. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, pour chaque période de découpage, la première modulante corrigée est déterminée à partir des relations suivantes : 1aa (Kn -Kn-i) si an 1 n an =1 Avec Kn 2 (aiin - ah, )(sain +aiin -1) et aiin - ah, = an et Dans lesquelles : - ain correspond à la première modulante corrigée pour la période de découpage n, 25 - ain correspond à la première modulante de référence pour la période de découpage n, - aiin correspond à la deuxième modulante de référence pour la période de découpage n. 30 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que, pour chaque période de découpage, la deuxième modulante corrigée est déterminée à partir des relations suivantes : 201-a.. iin + 1 - aln (Ki, - Kn-1) si an OEn an = 1 Avec Kn \aiin - ah, )(sain +aiin -1) et Iota - ah, = an Dans lesquelles : - aiin correspond à la deuxième modulante corrigée pour la période de découpage n, - ain correspond à la première modulante de référence pour la période de découpage n, - aiin correspond à la deuxième modulante de référence pour la période de 1 o découpage n. 7. Procédé de commande selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre pour chaque période de découpage. 8. Procédé de commande selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé 15 en ce qu'il comporte une étape de détection d'un changement de rapport cyclique de porteuse et/ou de changement de la modulante de référence. 9. Convertisseur de puissance comportant un ou plusieurs interrupteurs de commutation (T1, à T34) et des moyens de commande mettant en oeuvre une modulation de largeur d'impulsions en vue de réaliser des impulsions de tension 20 définissant les instants de commutation de chaque interrupteur, caractérisé en ce que les moyens de commande mettent en oeuvre le procédé de commande tel que défini dans l'une des revendications 1 à 8. 10. Convertisseur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un onduleur de type NPC. 25