Brevet FR2977996A1 — publié le 20130118

Convertisseur de puissance comportant un module onduleur à transistors à effet de champ normalement fermés Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un convertisseur de puissance comportant des transistors à effet de champ de type normalement fermé. Etat de la technique De manière connue, un convertisseur de puissance destiné à commander une 1 o charge électrique comporte principalement : un bus continu d'alimentation sur lequel est appliquée une tension redressée, le bus continu d'alimentation étant doté d'un ou plusieurs condensateurs de bus permettant de maintenir la tension du bus à une valeur constante, 15 en sortie, un module onduleur destiné à transformer la tension du bus continu d'alimentation en une tension variable à appliquer à la charge électrique. Le convertisseur peut également comporter en entrée un module redresseur composé en règle générale d'un pont de diodes destiné à redresser la tension 20 alternative fournie par un réseau électrique. Le module onduleur comporte plusieurs bras de commutation, en règle générale trois bras de commutation connectés à la ligne positive et à la ligne négative du bus continu d'alimentation. Pour le module onduleur, les transistors employés sont par exemple à effet de champ et de type normalement fermé, leur chemin Drain- 25 Source étant passant en l'absence d'une tension de commande appliquée sur leur Grille. Pour assurer son blocage, chaque transistor doit ainsi être commandé à l'aide d'un dispositif de commande spécifique permettant de lui appliquer une tension de commande adaptée. Les dispositifs de commande des transistors sont alimentés par un système d'alimentation auxiliaire connecté à la ligne positive et à la ligne négative 30 du bus continu d'alimentation. Lors du démarrage du convertisseur de puissance, le système d'alimentation auxiliaire n'est pas chargé, empêchant alors toute commande des transistors. Même si le module onduleur emploie des transistors à effet de champ de type normalement fermé, il faut permettre au démarrage le chargement du condensateur de bus pour charger le système d'alimentation auxiliaire. Le but de l'invention est de proposer un convertisseur de puissance employant des bras de commutation à composants normalement fermés et permettant la montée en tension du bus au démarrage. Exposé de l'invention 1 o Ce but est atteint par un convertisseur de puissance destiné à la commande d'une charge électrique, comportant : un bus continu d'alimentation sur lequel est appliquée une tension redressée et comportant une ligne d'alimentation positive et une ligne d'alimentation négative, 15 un module onduleur connecté en amont au bus continu d'alimentation et en aval à plusieurs phases de sortie, - un condensateur de bus, connecté à la ligne d'alimentation positive et à la ligne d'alimentation négative du bus continu d'alimentation, - une résistance de limitation connectée en série sur la ligne d'alimentation 20 négative du bus continu d'alimentation, en amont du condensateur de bus et destinée à limiter le courant de charge du condensateur de bus, le module onduleur comportant plusieurs bras de commutation connectés entre la ligne d'alimentation positive et la ligne d'alimentation négative du bus continu d'alimentation, chaque bras de commutation comportant un 25 transistor haut et un transistor bas en série et un point milieu de connexion situé entre le transistor haut et le transistor bas et relié à une charge électrique, les transistors hauts et bas étant de type à effet de champ normalement fermés, plusieurs dispositifs de commande de Grille permettant d'appliquer chacun 30 une tension de Grille aux transistors hauts et transistors bas pour les commander à la fermeture ou à l'ouverture, dans le convertisseur, les dispositifs de commande de Grille des transistors bas sont chacun connectés à la ligne d'alimentation négative du bus continu d'alimentation et le convertisseur comporte une source de démarrage connectée en parallèle de la résistance de limitation et à chaque dispositif de commande de Grille des transistors bas et agencée pour se charger par une tension négative lors du démarrage du convertisseur de puissance. Selon une particularité, la source de démarrage comporte un condensateur et une diode Zener montés en parallèle et connectés à la ligne d'alimentation négative et au dispositif de commande de Grille de chaque transistor bas. Selon une autre particularité, la source de démarrage comporte également une résistance et une diode connectées d'une part à la diode Zener et d'autre part à la 1 o résistance de limitation. Selon une autre particularité, la source de démarrage est connectée à chaque dispositif de commande de Grille des transistors bas via une résistance. Selon une autre particularité, le convertisseur de puissance comporte un interrupteur connecté en parallèle de la résistance de limitation. 15 Selon une autre particularité, les transistors hauts et les transistors bas des bras de commutation sont de type JFET. Selon une autre particularité, les transistors hauts et les transistors bas de type JFET sont fabriqués en carbure de silicium ou nitrure de gallium. 20 Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente le schéma d'un convertisseur de puissance selon l'invention, 25 - la figure 2 représente un transistor bas du module onduleur du convertisseur de puissance de l'invention et son dispositif de commande. Description détaillée d'au moins un mode de réalisation Un convertisseur de puissance est par exemple destiné à appliquer une 30 tension de sortie à une charge électrique 2. En référence à la figure 1, un convertisseur de puissance comporte par exemple : un bus continu d'alimentation recevant une tension redressée et doté d'une ligne d'alimentation positive 10 et d'une ligne d'alimentation négative 11, un condensateur de bus Obus connecté d'une part à la ligne d'alimentation positive 10 du bus continu d'alimentation et d'autre part à la ligne d'alimentation négative 11 du bus continu d'alimentation et destiné à maintenir constante la tension continue Vbus du bus continu d'alimentation, un module onduleur connecté au bus continu d'alimentation, en aval du condensateur de bus Cbus, comportant n phases et ayant 2n transistors de commutation sur chaque phase. Sur la figure 1, le module onduleur est à trois phases U, V, W et comporte donc trois bras de commutation connectés chacun à la ligne d'alimentation positive 10 et à la ligne d'alimentation négative 11 du bus continu d'alimentation. Chaque bras de commutation comporte un transistor haut T2, T4, T6 et un transistor bas Ti, T3, T5 séparés par un point milieu de connexion M1, M2, M3 destiné à être relié à la charge électrique 2. une résistance de limitation RL appelée également résistance de précharge montée en série sur la ligne d'alimentation négative 11, entre le module redresseur 4 et le condensateur de bus Obus et en parallèle de laquelle est monté un interrupteur Sw1. Cette résistance de limitation RL est active au démarrage pendant la phase de charge du bus continu d'alimentation. Dans un variateur de vitesse, elle permet de limiter le courant d'entrée à travers le module redresseur 4. Une fois le condensateur de bus Obus chargé, la résistance de limitation RL est court-circuitée par le premier interrupteur Sw1 monté en parallèle. Comme représenté sur la figure 1, un convertisseur de puissance tel qu'un variateur de vitesse comporte également en entrée : trois phases d'entrée L1, L2, L3 connectées à un réseau de distribution 30 électrique 1, un module redresseur 4 connecté aux trois phases d'entrée L1, L2, L3 et destiné à redresser une tension alternative fournie par le réseau de distribution électrique 1, la tension redressée étant appliquée sur le bus continu d'alimentation. 10 15 20 25 Dans le module onduleur, chaque transistor T1-T6 du module de commutation est du type à effet de champ (FET pour "Field Effect Transistor"). Un transistor à effet de champ tel que par exemple un JFET ou un MOSFET est un interrupteur électronique de puissance connu qui comporte une Grille de commande (G) dont la fonction est d'autoriser ou non le passage d'un courant entre un Drain (D) et une Source (S). Un tel transistor est dit de type normalement fermé (ou "Normally ON") si son chemin Drain-Source est passant ou conducteur en l'absence de tension de commande VGS. En présence d'une tension de commande VGS entre sa Grille G et sa Source S qui est négative, le transistor à effet de champ normalement fermé est commandé à l'ouverture. Un transistor de type JFET est commandé à l'ouverture en appliquant une tension Grille-Source VGS par exemple au moins égale à -15 Volts et un transistor de type MOSFET avec une tension VGS par exemple nulle ou négative. Par ailleurs, le transistor est dit de type normalement ouvert (ou "normally OFF") si, en l'absence d'une tension VGS entre Grille et Source, le chemin Drain-Source n'est pas conducteur. Il nécessite donc une tension Grille-Source VGS qui soit positive pour être commandé à la fermeture. Pour un transistor de type JFET normalement ouvert, cette tension positive est par exemple comprise entre +1 Volt et +3 Volts. Les transistors à effet de champ employés dans le convertisseur de puissance de l'invention seront par exemple fabriqués dans un matériau à grande énergie de bande interdite (appelé également "matériau à grand gap" ou "wide-band gap material") tel que par exemple le carbure de silicium ou le nitrure de gallium. De manière connue, un transistor JFET réalisé dans un matériau à grande énergie de bande interdite et de type normalement fermé présente les avantages d'être plus rapide à commuter, de générer moins de pertes en conduction à l'état passant (faible résistance RDson à l'état passant), d'avoir une meilleure tenue en température et d'avoir une taille plus petite. Dans la suite de la description et sur la figure 1, les transistors T1-T6 utilisés sont par exemple de type JFET normalement fermé. Chaque transistor à effet de champ T1-T6 des bras de commutation est commandé à l'ouverture grâce à un dispositif spécifique de commande CT1-CT6 de Grille, via une résistance de Grille RG. Chaque dispositif de commande CT1-CT6 de Grille est alimenté (A) grâce à un système d'alimentation auxiliaire AUX connecté à la ligne d'alimentation positive 10 et à la ligne d'alimentation négative 11 du bus continu d'alimentation et permet d'appliquer au transistor une tension de Grille VG pour commander le transistor à la fermeture ou à l'ouverture. En plus de l'alimentation (A), chaque dispositif de commande CT1-CT6 reçoit d'un système central de commande 3 des signaux de commande S1 à S6 à modulation de largeur d'impulsion (PWM en anglais pour "Pulse Width Modulation") respectant une loi de commande exécutée par le système central de commande 3. En référence à la figure 2, un dispositif de commande de Grille, tel que celui du transistor bas Ti, comporte notamment deux transistors Q1, Q2 de type MOSFET reliés en série par l'intermédiaire d'un point milieu de connexion P1 connecté à la Grille G du transistor Ti, via la résistance de Grille RG, et un ensemble de deux condensateurs Cl, C2 montés également en série. Un point milieu de connexion P2 1 o situé entre les deux condensateurs Cl, C2 est connecté à la ligne négative 11 du bus continu d'alimentation, c'est-à-dire à la Source S du transistor commandé (ici Ti). Le transistor Q1 du dispositif de commande est du type normalement ouvert tandis que le transistor Q2 du dispositif de commande est du type normalement fermé. Le système d'alimentation auxiliaire AUX alimente le dispositif de commande de Grille à travers 15 une diode D1 et une inductance L4 qui constitue le secondaire du transformateur du système d'alimentation auxiliaire AUX en générant les tensions VGS ON et VGS OFF nécessaires respectivement à la fermeture et à l'ouverture du transistor Ti. A partir des tensions VGS ON et VGS OFF, les transistors Q1, Q2 appliquent la tension de Grille VG au transistor JFET pour le commander à l'ouverture ou à la fermeture. 20 Dans la suite de la description, on considérera que chaque dispositif de commande de Grille présente la même architecture et se décrit par les mêmes références. Chaque dispositif de commande de Grille CT2, CT4, CT6 des transistors hauts T2, T4, T6 est par exemple connecté au point milieu de connexion M1, M2, M3 25 du bras de commutation de son transistor tandis que chaque dispositif de commande CT1, CT3, CT5 des transistors bas Ti, T3, T5 est connecté, par son point milieu P2, à la Source du transistor bas Ti, T3, T5 commandé. Par ailleurs, le convertisseur comporte également une source de démarrage Sd activée lors du démarrage du convertisseur de puissance pour commander les 30 transistors bas Ti, T3, T5 du module onduleur à l'ouverture le temps du démarrage et ainsi permettre la charge du condensateur de bus Cbus. Préférentiellement, la source de démarrage Sd est commune à tous les transistors bas Ti, T3, T5 du module onduleur et permet ainsi de commander les trois bras de commutation à l'ouverture lors du démarrage du convertisseur de puissance. Cette source de démarrage Sd comporte un condensateur C3 connecté à la ligne d'alimentation négative 11 du bus continu d'alimentation, à la Source S de chaque transistor bas, et au point milieu P1 des deux transistors Q1, Q2 de chaque dispositif de commande de Grille des transistors bas Ti, T3, T5 via une résistance R2, formant une impédance entre le point P1 et la source de démarrage Sd. La source de démarrage Sd comporte également une diode Zener Dz1 connectée également à la ligne négative 11 du bus continu d'alimentation, à la Source S de chaque transistor bas, et au point milieu P1 via la résistance R2. Par ailleurs, la source de démarrage Sd comporte également une résistance R1 et une diode D2 connectées d'une part à la 1 o diode Zener Dz1 et au condensateur C3 et d'autre part à une borne de la résistance de limitation. La source de démarrage Sd est ainsi connectée en parallèle de la résistance de limitation RL et à chaque dispositif de commande de Grille CT1, CT3, CT5 des transistors bas Ti, T3, T5. Le fonctionnement du convertisseur de puissance de l'invention est explicité ci-dessous en se focalisant sur un seul bras de commutation et sur le transistor bas Ti. Il faut comprendre que le fonctionnement est similaire pour les autres bras de commutation. 20 A l'état initial, aucune tension d'entrée n'est appliquée sur le bus continu d'alimentation. La tension du bus continu d'alimentation Vbus est donc nulle et le système d'alimentation auxiliaire AUX n'est pas activé. Les transistors T1-T6 du module de commutation sont à l'état fermé. Au démarrage du variateur de vitesse, les tensions VDS1 et VDS2 entre Drain et 25 Source des deux transistors Ti, T2 du bras de commutation sont nulles étant donné que ces transistors sont en conduction. Le système d'alimentation auxiliaire AUX n'est pas encore activé et ne peut donc fournir une tension suffisante en vue du blocage de ces transistors Ti, T2. Comme les bras de commutation court-circuitent le condensateur de bus Obus, le courant qui traverse ces bras de commutation et la 30 résistance de limitation RL entraîne une chute de tension aux bornes de la résistance de limitation RL. Cette chute de tension aux bornes de la résistance de limitation RL entraîne le chargement du condensateur C3, créant une tension négative entre la Grille G et la Source S du transistor Ti. Lorsque la tension aux bornes du condensateur C3 devient inférieure à une tension seuil correspondant à la tension de 15 blocage du transistor Ti, le transistor Ti est commuté à l'état ouvert, permettant alors la charge du condensateur de bus. Une fois que le système d'alimentation auxiliaire AUX a terminé son démarrage, il peut alimenter les dispositifs de commandes CT1-CT6 des transistors T1-T6 du module onduleur. Les transistors T1-T6 peuvent donc être commandés directement à l'ouverture par leur dispositif de commande CT1-CT6. Une fois le condensateur de bus Obus chargé, la résistance de limitation RL peut être court-circuitée par l'interrupteur Sw, lors du fonctionnement normal du variateur de vitesse. 1 o Par un montage simple et peu onéreux, il est ainsi possible de s'affranchir des contraintes liées à l'emploi de composants normalement fermés dans le module onduleur d'un variateur de vitesse. 5 15 20 25 30 REVENDICATIONS1. Convertisseur de puissance destiné à la commande d'une charge électrique (2), comportant : un bus continu d'alimentation sur lequel est appliquée une tension redressée et comportant une ligne d'alimentation positive (10) et une ligne d'alimentation négative (11), un module onduleur connecté en amont au bus continu d'alimentation et en aval à plusieurs phases de sortie (U, V, W), un condensateur de bus (Cbus), connecté à la ligne d'alimentation positive (10) et à la ligne d'alimentation négative (11) du bus continu d'alimentation, une résistance de limitation (RL) connectée en série sur la ligne d'alimentation négative (11) du bus continu d'alimentation, en amont du condensateur de bus (Cbus) et destinée à limiter le courant de charge du condensateur de bus (Cbus), le module onduleur comportant plusieurs bras de commutation connectés entre la ligne d'alimentation positive (10) et la ligne d'alimentation négative (11) du bus continu d'alimentation, chaque bras de commutation comportant un transistor haut (T2, T4, T6) et un transistor bas (Ti, T3, T5) en série et un point milieu de connexion (Ml, M2, M3) situé entre le transistor haut et le transistor bas et relié à une charge électrique (2), les transistors hauts et bas étant de type à effet de champ normalement fermés, plusieurs dispositifs de commande de Grille (CT1-CT6) permettant d'appliquer chacun une tension de Grille aux transistors hauts et transistors bas pour les commander à la fermeture ou à l'ouverture, caractérisé en ce que : les dispositifs de commande de Grille des transistors bas (Ti, T3, T5) sont chacun connectés à la ligne d'alimentation négative (11) du bus continu d'alimentation, et en ce que le convertisseur comporte une source de démarrage (Sd) connectée en parallèle de la résistance de limitation (RL) et à chaque dispositif de commande de Grille (CT1, CT3, CT5) des transistors bas (Ti, T3, T5) et agencée pour se charger par une tension négative lors du démarrage du convertisseur de puissance. 2. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de démarrage comporte un condensateur (C3) et une diode Zener (Dz1) montés en parallèle et connectés à la ligne d'alimentation négative (11), et au dispositif de commande de Grille de chaque transistor bas. 3. Convertisseur de puissance selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source de démarrage comporte également une résistance (R1) et une diode (D2) connectées d'une part à la diode Zener (Dz1) et d'autre part à la résistance de limitation (RL). 4. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de démarrage (Sd) est connectée à chaque dispositif de commande de Grille (CT1, CT3, CT5) des transistors bas (Ti, T3, T5) via une résistance (R2). 5. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un interrupteur (Swi) connecté en parallèle de la résistance de limitation (RL). 6. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transistors hauts et les transistors bas (T1-T6) des bras de commutation sont de type JFET. 7. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transistors hauts et les transistors bas de type JFET sont fabriqués en carbure de silicium ou nitrure de gallium.25