Brevet FR2969862A1 — publié le 20120629

La présente invention a pour objet un système de conversion d'énergie à découpage, formant un bras de hacheur de tension. On sait qu'un variateur électronique de puissance utilise une association d'interrupteurs électroniques commandés et non commandés, par exemple 15 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 représente la structure générique d'un tel variateur, formant un bras de hacheur, à partir de laquelle on construit toutes les autres structures 20 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 ; 25 - la section de commande a1, 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 a11 30 (courants, tensions, etc.) ; elle communique avec le processeur de contrôle a9, via un connecteur a10 ; elle envoie les impulsions de commande a5 et a12 isolées ou non aux interrupteurs composant le variateur. -1- -2- 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 électronique peut utiliser une structure de tension, comme le représente la figure 2, où la source est une source de tension, où les interrupteurs T1 b et T2b sont réalisés avec des interrupteurs de puissance (ou autre) montés en anti-parallèle respectivement avec les diodes D1 b et D2b, pour former un bras b13. Les fonctionnalités à réaliser sont identiques à celles de la figure 1. A partir d'un seul bras, qu'il soit de tension, comme représenté sur la figure 2, ou qu'il soit de courant, c'est à dire avec une source d'énergie continue a6 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 correspondant à -la réalisation -de la section de- commande isolée a5 ou a12 est très étendu et recèle de nombreuses publications et brevets. Le brevet n° FR 2 809 234 expose une méthode de commande, qui étend le principe du thyristor dual. Dans ce brevet, en se référant notamment la figure 4, l'ensemble c0 interrupteur de puissance Tc et commande rapprochée c6 est synthétisé avec un ensemble de composants commandant une bascule à mémoire c1, qui impose au composant c0 de suivre le cycle de fonctionnement canonique du thyristor dual. Il apparaît notamment un déclenchement de c1 en sur-courant de Tc (détecté par c2), un déclenchement de c1 en désaturation de Tc (détecté par c3), et une détection c5 de conduction de la diode Dc provoquant un réenclenchement de la bascule c1. -3- L'appellation thyristor dual est largement diffusée pour expliquer le fonctionnement de la classe des convertisseurs électroniques de puissance de tension, de type pleine onde, à avance de phase. La littérature comprend notamment le schéma électronique de la figure 5, où les effets de mémorisation, de détection de surcourant et de désaturation, ainsi que la prise en compte de la conduction de la diode Dd, sont entièrement pris en compte de façon implicite par l'association de l'interrupteur T2d, des résistances R2d et R3d, et de la diode D2d. Selon les schémas, l'impulsion de commande à l'amorçage est envoyée soit au point A de manière complémentée, soit au point B, le résultat étant identique. Dans certaines configurations une diode zener D2z est rajoutée, afin de régler la sensibilité du déclenchement sur-encourant et en désaturation. Le brevet n° FR 2 843 499 (Al) expose une méthode de commande innovante, dite normalement fermée, résumée à la figure 6. L'ensemble e0 forme un bras de hacheur de tension, dans lequel l'énergie passe par les composants électroniques Tl e, Dl e, T2e, D2e et D'1e. Le principe de la commande normalement fermée consiste à faire passer le courant de puissance de l'interrupteur T1e via la diode D'1e, ce qui provoque la décharge du primaire du circuit driver e1 et donc le blocage de l'interrupteur T2e. Il en résulte que l'interrupteur T1e commande l'état de la tension de sortie Vc avec un seul créneau de commande fourni par le générateur de signaux e2, et non plus deux signaux complémentaires, comme les convertisseurs électroniques classiques le nécessitent. Le défaut de ce dernier montage réside dans la duplication de 1a diode D1e en une diode auxiliaire D'1 e, ce qui interdit l'usage de composants intégrés en modules standards. Il convient de préciser que dans la description de la figure 6, la diode D"1e sert à alimenter le driver e1 en tension auxiliaire, par la méthode connue dite du «bootstrap», dite aussi pompe de charge. La question que se pose l'homme de l'art lorsqu'il cherche à réaliser un montage électronique de puissance économique, est d'en réduire le coût et d'en augmenter la fiabilité. La fonction a5 de translation de niveau des -4- impulsions de commande vers l'interrupteur T2 situé à potentiel haut est particulièrement pénalisante en coût, même si des circuits intégrés remplissent cette fonction de façon satisfaisante. La sécurité du variateur électronique doit quand à elle être assurée par une commande rapprochée, qui prend en compte un court-circuit brutal sur une des connexions de sortie du variateur électronique, ou encore un sur-courant. La présente invention se propose de répondre à ces questions, par la réunion des techniques de commande précédentes. La présente invention a pour objet un système de conversion d'énergie à découpage, formant un bras de hacheur de tension caractérisé par la réunion en un même bras de hacheur de tension d'une technique de commande par diode normalement fermée et par thyristor dual, ce qui permet de combiner les avantages de ces deux technologies en matière de sécurité et de coût. En outre, selon une variante d'exécution, les impulsions de commande à la fermeture et/ou à l'ouverture du ou des thyristor dual sont décalées par rapport aux créneaux de commande de l'interrupteur commande, de façon à interdire au système de passer durant les processus de fonctionnement par un état de court-circuit de la source d'énergie entre ses points P et G, correspondant respectivement à une source d'énergie positive et à une source d'énergie négative. Selon une variante d'exécution, le ou les thyristor duaux sont connectés sur une de leurs terminaisons de puissance à la source d'énergie positive P, et où le ou les interrupteurs commandés sont connectés sur une de leurs terminaisons de puissance à la source d'énergie négative G. Selon une variante d'exécution, au moins un thyristor dual comprend une bascule comportant une entrée mise à l'état inactif par le moyen d'une détection de désaturation, et/ou d'une détection de surcourant, et/ou d'un -5- signal extérieur, et/ou d'un signal lié à la mise sous tension du dispositif, ladite bascule comportant une entrée mise à l'état actif d'une détection de conduction de sa diode de roue libre, et/ou d'un signal extérieur, et/ou d'un signal lié à la mise sous tension du dispositif. Selon une variante d'exécution, au moins un thyristor dual est commandé par au moins un dispositif de translation de niveau de type normalement fermé, comportant un ou plusieurs interrupteurs reliés du côté de son/ses drains à une (ou des) diode et à une ou des résistances, formant un ou des dispositifs de commande à état actif par défaut de commande sur le/les interrupteurs. Selon une variante d'exécution, au moins un thyristor dual comporte un dispositif de prépositionnement envoyant une impulsion à la mise sous tension du bras de hacheur, ladite impulsion pouvant forcer le thyristor dual à l'état conducteur ou à l'état bloqué. Selon une variante d'exécution, plusieurs bras de hacheur sont associés sur la même ligne d'alimentation pour former un hacheur multiple, ou un onduleur ou tout autre topologie de convertisseur de puissance. Selon une variante d'exécution, au moins un thyristor dual est réalisé avec une commande rapprochée comportant une bascule formée par l'association d'un transistor, avec une diode et avec une résistance, ladite bascule étant commandée par une porte logique réalisée à l'aide de plusieurs diodes reliées par l'anode à la base du transistor de commande, ledit transistor pouvant être de type Mosfet, IGBT, bipolaire ou autre. Selon une variante d'exécution, l'alimentation auxiliaire du driver de l'interrupteur, est réalisée par un système dit de «boot strap», utilisant une diode de translation de niveau, associée à un stockage capacitif d'énergie flottante. -6- Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une représentation schématique d'un variateur électronique de puissance selon l'état de l'art. La figure 2 est une représentation schématique d'un variateur électronique de puissance selon l'état de l'art, utilisant une structure de tension spécifique. La figure 3 est une représentation schématique d'une structure de conversion de puissance selon l'état de l'art. La figure 4 est une représentation schématique d'un interrupteur de puissance et d'une commande rapprochée selon l'état de l'art. La figure 5 est une représentation schématique d'un thyristor dual selon l'état de la technique. La figure 6 est une représentation schématique d'un système de commande dit normalement fermé selon l'état de la technique. La figure 7 est une représentation schématique d'un bras de hacheur mixte à commande normalement fermée et thyristor dual, selon l'invention. La figure 8 est une représentation schématique d'un mode de 30 réalisation particulier de l'invention. La figure 9 est une représentation schématique d'un circuit selon l'invention permettant de générer un signal de mise sous tension set ou reset. 15 20 25 35 -7- Le thyristor dual n'est normalement utilisé que dans les onduleurs de tension, de type pleine onde, car ils ont besoin d'une assistance du circuit de puissance pour commuter à la fermeture. La mise en ceuvre de la présente invention se traduit par l'association d'un thyristor dual f1 à un interrupteur commandé f10, pour former un bras de hacheur de tension f0. Ledit bras peut former alors toutes les fonctions de conversion de puissance que l'état de l'art autorise, telles que décrites dans l'article E3958 de l'encyclopédie des Techniques de l'Ingénieur. L'interrupteur commandé f10 est commandé de façon forcée par des signaux en forme créneaux f12 via le driver f5, qui imposent de façon contrôlée son état de conduction ou d'ouverture. Une isolation galvanique est possible en amont dudit driver, par les méthodes connues de l'homme de l'art, telles que opto-coupleur, transformateur d'isolation ou toute autre technique connue. Lorsque l'interrupteur commandé f10 est fermé, la tension f11 de sortie du bras de hacheur est imposée à une valeur sensiblement nulle, c'est à dire limitée par la chute de tension interne de l'interrupteur commandé f10. Il est important alors que le thyristor dual soit placé au préalable dans un état de blocage, afin de ne pas provoquer de court-circuit sur la source de puissance, connectée entre les points G et P. Lorsque l'interrupteur commandé f10 est ouvert, la tension f11 de sortie du bras de hacheur est imposée par l'état de conduction du thyristor dual f1, qui peut alors devenir conducteur. Si le montage f0 est connecté à une charge qui est parcourue par un courant 1 0, alors l'ouverture de l'interrupteur commandé f10 se traduira -s- naturellement par la mise en conduction de sa diode interne D1, et le thyristor dual f1 ne pourra pas s'enclencher de façon spontanée, comme dans le cas précédent 1 Selon la configuration du variateur électronique formé par le bras f0 en hacheur abaisseur, survolteur, onduleur ou toute autre topologie, l'un et/ou l'autre des deux cas précédent d'enclenchement du thyristor dual f1 se présentera. Notamment dans le cas d'un onduleur à modulation de largeur d'impulsion, le convertisseur électronique oscillera entre les deux états à la fréquence fondamentale de la charge qui y est branchée. Il apparaît clairement dans le dispositif de l'invention f0 une protection implicite vis à vis des erreurs de commande, car le thyristor dual f1 ne peut devenir conducteur que si sa diode interne est déjà conductrice. Par conséquent, la présence simultanée de signaux de commande en f6 et en f12 ne provoque aucun dommage audit dispositif. Dans le cas où une impulsion set f7 était appliquée au thyristor dual f1 simultanément à la mise en conduction f12 de l'interrupteur commandé f10, alors un court-circuit apparaîtrait sur la source d'alimentation, entre les points P et G, lequel court-circuit disparaîtrait immédiatement au relâchement de l'impulsion de commande set f7, se traduisant par une non-conduction du thyristor dual f1. Dans son mode de fonctionnement normal, le thyristor dual f1 reçoit des signaux de blocage commandé f6, qui lui sont transmis par un interface f4, qui utilise le mode normalement fermé représenté sur la figure 6. L'ensemble f0 correspond par conséquent à un bras de hacheur dont la tension de sortie f11 est entièrement commandée par les signaux de commande f12 et f6, qui doivent pour ce faire être rigoureusement synchronisés, notamment en faisant suivre la commande à l'ouverture f6 par l'apparition de la mise en conduction de l'interrupteur commandé f10 après un délai de temps mort, qui évite la mise en court-circuit du bras de hacheur de tension f0. De la même façon, la commande set f7 doit apparaître après avoir respecté un temps mort à l'ouverture de T1. -9- Il faut rajouter aux fonctionnalités principales décrites ci-dessus, la gestion de la mise sous tension du dispositif par la fonction f2, ainsi qu'une commande à la fermeture forcée f7 du thyristor dual f1. Ces modes de commande permettent de gérer essentiellement le fonctionnement sur une charge de sortie qui ne consomme pas assez de courant. Ladite charge peut être connectée entre le point H (le point de jonction entre les interrupteurs commandés f10 et les thyristors duaux f1) et un autre point, qui peut être le point P, ou le point G, ou un point milieu d'alimentation, ou un autre bras de hacheur réalisé ou non selon le dispositif f0, ou un point milieu d'une charge polyphasée, ou tout autre point non mentionné dans ladite description. Il peut être intéressant dans certains montages comportant plusieurs bras formés du dispositif f0, tels qu'un hacheur ou un onduleur, de forcer à la mise sous tension au moins un thyristor dual f1 dans un état conducteur et au moins un autre thyristor dual f1 dans un état bloqué. Ceci permet de créer une dissymétrie dans le montage, qui autorise ensuite la commande des thyristors duaux exclusivement par des impulsions de commande au blocage f6. Cette disposition est particulièrement intéressante lorsque la charge est connectée en permanence au variateur électronique ainsi formé. Il peut être intéressant dans un montage comportant au moins un dispositif f0, dans lequel la commande set f7 du thyristor dual f1 n'est pas nécessaire, de prévoir indépendamment de la gestion de la mise sous tension f2 des impulsions de mise en conduction forcée d'un ou plusieurs thyristors duaux f1, par des impulsions f7, lesquelles impulsions devront être gérées de façon à ne pas placer lesdits bras de hacheur dans un état de court-circuit. Cette caractéristique pourra par exemple servir à améliorer le fonctionnement lorsque le courant consommé par la charge connectée aux points H est insuffisante pour rendre les diodes anti-parallèle d'un ou plusieurs thyristors duaux f1 suffisamment conductrices pour initier la mémorisation de leur cycle de conduction. -10- La figure 9 représente à partir du schéma de la figure 7 une réalisation possible de la génération f2 d'une impulsion de set ou de reset du thyristor dual à la mise sous tension. La source de tension auxiliaire h1 alimente le driver f5 et l'interface normalement fermé f4 en tension, par exemple 15 Volt. La diode de boot-strap h8 fournit au réservoir d'énergie capacitif g2 la tension auxiliaire flottante h5 requise pour alimenter le driver f3. A la mise sous tension du dispositif, la tension auxiliaire h5 apparaît avec un décalage par rapport à la tension auxiliaire h7. Durant la montée de la tension h5, le condensateur h2, initialement déchargé, se charge lentement jusqu'à une valeur égale à celle de la tension finale h5. Il en résulte juste au début de la phase de mise sous tension, l'apparition d'un signal h6 égal à «un» booléen. Puis lorsque le condensateur h2 est chargé, le signal h6 passe à un niveau «zéro» booléen. L'impulsion correspondante permet de donner l'ordre au driver f3 de se mettre en état set ou en état reset, selon son câblage interne. La diode D4 permet de vider le condensateur C4 en cas de micro-coupure sur la tension h5, afin d'imposer au dispositif de repasser par un processus de mise sous tension complet à l'issue de la micro-coupure. L'homme de l'art saura inverser la séquence de mise sous tension de l'impulsion h6, en retournant le réseau formé par R4, C4 et D4 de façon adéquate, par exemple, en connectant R4 au potentiel de h5 et C4 au potentiel de H. La figure 8 représente le synoptique d'une réalisation particulière de l'invention, où les éléments de la figure 7 sont détaillés. L'interrupteur commandé f10 est réalisé par la mise en anti-parallèle d'un interrupteur commandé T1, et d'une diode D1. Ledit interrupteur commandé T1 peut être un IGBT, ou un transistor bipolaire, ou un MOSFET, ou encore tout autre interrupteur à commande contrôlée en fermeture et en ouverture par sa entrée g14. Le thyristor dual f1 utilise le schéma synoptique de la figure 4, où les entrées reset (forçant la sortie Q à 0) et set (forçant la sortie Q à 1) de la bascule g15 sont regroupées chacune sur une porte «ou», respectivement g8 et g10. Ladite bascule g15 est conçue de préférence en mode reset prioritaire, c'est à dire que la présence simultanée d'un ordre set et d'un ordre reset, force sa sortie Q à l'état O. La première des informations qui peut imposer un reset de la bascule g15, correspondant à un état ouvert du thyristor dual f1 est la détection d'une désaturation g13, liée par exemple à une mise en conduction non sollicitée de l'interrupteur commandé f10, ou encore à l'apparition d'un court-circuit accidentel sur la sortie de puissance H, ou encore l'évolution normale du potentiel de la sortie H dans le cas d'une topologie résonante ou semi-résonante du convertisseur électronique de puissance formé à l'aide d'au moins un bras f0 ou g0. La deuxième information qui peut imposer un reset de la bascule g15 est la détection g12 d'un surcourant dans le thyristor dual f1, notamment dans son interrupteur commandé T2. Ladite détection de surcourant peut être confondue avec la détection de désaturation, notamment lorsque l'interrupteur T2 est réalisé avec un transistor MOSFET, dont la caractéristique à l'état passant correspond à une résistance, la tension g16 à l'état passant étant alors une image du courant de puissance dans T2. La troisième information qui peut imposer un reset de la bascule g15 est le reset g3 à la mise sous tension du montage complet, qui peut par exemple être commandée par un délai à l'apparition de la tension de commande auxiliaire g1, lequel délai se traduit par une impulsion h6 telle que représenté à la figure 9. La quatrième information qui peut imposer un reset de la bascule g15 est le reset commandé f6, qui dans l'invention décrite dans ce document est envoyé par le dispositif normalement fermé g17, similaire au dispositif représenté sur la figure 6, où l'interrupteur T3g vient forcer la conduction de la diode D3g. Une fois relâchée la commande de l'interrupteur T3g, la résistance R3g ramène l'entrée reset g7 à un état inactif. La première information qui peut imposer un set de la bascule g15 est le set à la mise sous tension du montage complet, qui peut par exemple être commandée par un délai à l'apparition de la tension de commande auxiliaire -12- g1, lequel délai se traduit par une impulsion h6 telle que représenté à la figure 9. La deuxième information qui peut imposer un set de la bascule g15 est le set commandé f7, qui dans l'invention décrite dans ce document est envoyé par le dispositif normalement fermé g5, où l'interrupteur T4 vient forcer la conduction de la diode D4. Une fois relâchée la commande de l'interrupteur T4, la résistance R4 ramène l'entrée reset g6 à un état inactif. La troisième information qui peut imposer un set de la bascule g15 est la détection g11 de la mise en conduction de la diode anti-parallèle D2 du thyristor dual f1. Les caractéristiques fonctionnelles et les possibilités d'utilisation du dispositif 15 g0 représenté sur la figure 8 sont en tout point identiques à celles du dispositif f0 représenté sur la figure 7. Dans les réalisations de la figure 7 et de-la figure 8, il est possible d'inverser l'emplacement du thyristor dual f1 et de l'interrupteur commandé f10, en 20 connectant le thyristor dual f1 entre les points H et G, et l'interrupteur commandé f10 entre les points H et P. Tous les éléments qui ont été présentés dans la description de cette invention peuvent être étendus au diverses classes de variateurs 25 électroniques, notamment ceux à structure en courant, caractérisés par la présence d'une source a6 inductive, dite de courant. Ladite transposition est réalisée en adaptant les schémas électriques de façon adéquate, ce que l'homme de l'art saura réaliser. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits, mais s'étend à toute modification et variante 30 évidente pour un homme du métier, tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées.