Brevet FR2963508A1 — publié le 20120203

CONVERTISSEUR DC/DC QUADRATIQUE DOUBLE BOOST BIDIRECTIONNEL EN COURANT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte à un convertisseur DC/DC de tension, c'est-à-dire un dispositif qui a pour objet d'assurer la fluence d'énergie entre deux sources de tension. L'invention se rapporte en particulier à un convertisseur du type couramment appelé hacheur, correspondant aux applications moyenne et forte puissance. D'un point de vue circuit électrique, ce type de convertisseur peut être considéré comme un transformateur de grandeurs électriques continues. Il existe deux variantes de base qui définissent le type de convertisseur DC/DC : -si la tension de sortie est inférieure à la tension d'entrée, on parle d'un convertisseur DC/DC abaisseur ou « buck », -si la tension de sortie est supérieure à la tension d'entrée, on parle d'un convertisseur DC/DC élévateur ou « boost ». Pour ce type de convertisseur, on parle de bidirectionnalité en courant lorsque le courant en entrée ou en sortie est capable de changer de sens pendant le fonctionnement du convertisseur. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les convertiseurs DC/DC élévateurs ou Boost sont particulièrement utilisés sur des véhicules 2 électriques et hybrides. Ils permettent d'interfacer la tension de la batterie et le bus continu de l'onduleur du moteur électrique en augmentant ou en réduisant la tension aux bornes du bus continu. Ils peuvent aussi être utilisé pour le couplage d'une batterie et d'un supercondensateur à l'entrée d'un onduleur. La figure 1 est un schéma représentant une chaîne de conversion électrique d'un véhicule électrique ou hybride. La référence 1 désigne une batterie délivrant une tension U entre les points A et B. L'entrée d'un onduleur 2 est connectée entre les points A et B. La sortie de l'onduleur 2 alimente le moteur électrique triphasé 3 du véhicule. Un convertisseur DC/DC 4 fait l'interface entre les points A et B d'une part et un supercondensateur 5 d'autre part. Sur le schéma, Ibat représente le courant de batterie et Isupercap représente le courant relatif au supercondensateur. Dans ce domaine, l'utilisation de convertisseurs DC/DC présente un certain nombre d'avantages. Ils permettent la gestion des flux d'énergie entre le bus continu de l'onduleur et l'organe de stockage d'énergie. Ils permettent l'utilisation de batteries de faible tension. Ils permettent d'utiliser des onduleurs avec des tensions de bus continu très élevées (machines à grande vitesse). Ils autorisent une plus grande plage de variation de vitesse. Ils procurent un meilleur rendement total de la chaîne de conversion électrique. Dans les véhicules hybrides et électriques, la tendance est orientée vers des tensions de bus 3 continu d'onduleur de plus en plus élevées. L'avantage de cette tendance est la réduction de la section du cuivre dans le bobinage et des machines électriques plus petites. Mais cela impose l'utilisation des convertisseurs DC/DC pour élever la tension de la batterie. Une deuxième utilisation des convertisseurs DC/DC de type Boost consiste à coupler des organes de stockage d'énergie embarqués. Par exemple, le couplage d'une batterie (énergie) et d'un supercondansateur (puissance). Lorsque la source d'énergie est la batterie seule, le maintien de la tension du bus continu est très délicat dans le cas où la charge peut absorber ou fournir un niveau élevé de courant durant un temps très court (accélération ou freinage du véhicule par exemple). On peut ainsi constater une fluctuation de la tension fournie par la batterie installée sur un véhicule à motorisation hybride, pendant les pics positifs et négatifs de courant. Cela est dû au fait qu'une batterie est plutôt destinée (et souvent dimensionnée) à fournir l'énergie électrique (puissance nominale) non pas la puissance instantanée. Aussi, la batterie seule n'est pas toujours capable d'absorber toute l'énergie au freinage pendant un intervalle de temps très court. L'utilisation des batteries seules (instabilité de la tension) accélère leur vieillissement. Le fait d'associer un supercondensateur (dimensionné pour la puissance) permet de réduire les fluctuations de la tension batterie pendant toutes les plages de fonctionnement de la batterie et d'utiliser 4 la totalité de l'énergie électrique disponible lors du freinage. Dans le cas de l'utilisation d'un convertisseur DC/DC pour le couplage d'une batterie et d'un supercondensateur, la batterie impose la tension en sortie du convertisseur. Ce dernier est piloté directement en courant pour fournir les pics de puissance pendant les accélérations ou absorber les pics de courant au freinage. Le convertisseur DC/DC utilisé est nécessairement de type Boost réversible en courant. Car la tension d'un supercondensateur peut chuter de 50% (pour utiliser 75% de la charge du supercondensateur). Dans une application de type véhicule électrique ou hybride, le cahier des charges type du convertisseur DC/DC imposera une tension continue en sortie avec un taux d'ondulation négligeable (inférieur à 3%). A la structure élémentaire du convertisseur vient alors s'associer les éléments linéaires (bobines d'inductance, condensateurs) qui sont des éléments d'adaptation des sources (courant/tension) et de filtrage. La figure 2 est un schéma illustrant la chaîne de conversion électrique mise en oeuvre sur le véhicule hybride de la marque Lexus équipé du moteur RX 400h. La référence 11 désigne une batterie de 288 V branchée à l'entrée d'un convertisseur DC/DC Boost réversible en courant 12 délivrant une tension de sortie de 650 V aux bornes de la résistance 13 et du condensateur de lissage 14. La tension de sortie du convertisseur alimente un premier onduleur 15 et un deuxième onduleur 16. Les entrées des onduleurs 15 et 16 sont pourvues de condensateurs de filtrage 17 et 18. L'onduleur 15 fournit une tension alternative d'alimentation au moteur 19 tandis que l'onduleur 16 5 récupère le courant généré par le moteur 20. Le convertisseur 12 reçoit la tension de la batterie 11 aux bornes du condensateur de filtrage 21. Cette tension est transmise, au travers d'une bobine d'induction 22 à un module IPM (pour « Intelligent Power Module ») 23. Les figures 3A et 3B sont des diagrammes illustrant respectivement l'évolution du rapport de transformation RT de la tension d'entrée du convertisseur 12 (convertisseur DC/DC Boost réversible en courant) et le rendement p du convertisseur (en ordonnées) par rapport au rapport cyclique RC (en abscisses). Les courbes représentées sur les figures 3A et 3B ont été tracées en modélisant les pertes dans ce type de dispositif (conduction, commutation et dans les composants passifs). Les calculs ont été faits pour un convertisseur de puissance de 40 kW (200 V en tension d'entrée et une tension de sortie contrôlée par le rapport cyclique du signal de pilotage). Les courbes des figures 3A et 3B montrent que plus les rapports de transformation en tension sont élevés, moins le convertisseur est efficace sur le plan du rendement. Le rapport cyclique du signal de pilotage correspond à la durée « temporelle » de l'impulsion de commande divisée par la période de découpage du convertisseur. Ce rapport varie dans la plage 0 à 1. 6 Généralement, lorsqu'on cherche à coupler des sources d'énergie embarquées, l'objectif est de réduire l'encombrement, le poids et le coût du dispositif embarqué tout en maintenant le même rendement. Lorsqu'un supercondensateur est couplé à une batterie, il ne faut pas que ce couplage engendre des contraintes d'encombrement, de coût et de poids plus importantes que le simple ajout de cellules supplémentaires dans la batterie. En d'autres termes, la tension du supercondensateur doit être plus faible que celle de la batterie. Si par exemple la tension du supercondensateur est égale à la moitié de la tension de la batterie, on peut utiliser le convertisseur Boost standard réversible avec un rendement de l'ordre de 92%. Cependant, si l'on souhaite utiliser toute la plage de charge du supercondensateur, le convertisseur atteindra un rendement beaucoup plus faible (de l'ordre de 80%). En effet, pour atteindre 50% de la tension du supercondensateur, il faut prévoir un rapport de transformation de la tension supérieur à 4. Ce problème est d'autant plus important que la tension nominale du supercondensateur est faible. EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour remédier aux problèmes de l'art antérieur détaillés ci-dessus, il est proposé une nouvelle topologie de conversion DC/DC de type Boost capable d'effectuer des rapports de transformation plus élevés que les dispositifs de l'art antérieur, avec un rendement identique. Ce nouveau dispositif peut être 7 dénommé « convertisseur DC/DC quadratique double boost réversible en courant. » L'invention a donc pour objet un convertisseur DC/DC Boost réversible en courant destiné à servir d'interface entre une première source de tension continue et une deuxième source de tension continue, la tension de la première source de tension continue étant inférieure à la tension de la deuxième source de tension continue, le convertisseur ayant une topologie constituée des branches suivantes : - une première branche reliant les pôles positifs de la première et de la deuxième source de tension continue et comprenant, en série de la première à la deuxième source de tension continue, une première bobine d'induction, un premier interrupteur commandé en ouverture et en fermeture, une deuxième bobine d'induction et un troisième interrupteur commandé en ouverture et en fermeture, - une deuxième branche reliant les pôles négatifs de la première et de la deuxième source de tension continue, une troisième branche, connectée en parallèle sur le premier interrupteur et la deuxième bobine mis en série, comprenant une diode dont l'anode est du côté du pôle positif de la première source de tension, - une quatrième branche, connectée entre la deuxième branche et la partie de la première branche située entre la première bobine d'induction et le premier interrupteur, comprenant une deuxième diode dont l'anode est du côté de la deuxième branche, 8 - une cinquième branche, connectée entre la deuxième branche et la partie de la première branche située entre le premier interrupteur et la deuxième bobine d'induction, comprenant un premier condensateur, - une sixième branche, connectée entre la deuxième branche et la partie de la première branche située entre la deuxième bobine d'induction et le troisième interrupteur, comprenant un deuxième interrupteur commandé en ouverture et en fermeture, - une septième branche, connectée en parallèle sur la deuxième source de tension continue, et comprenant un deuxième condensateur, le convertisseur comprenant des moyens de commande des interrupteurs pour que : - lorsque le courant dans le convertisseur circule de la première vers la deuxième source de tension, pendant une période de commande allant de 0 à T et pour un rapport cylique a, - du temps t=0 au temps t=OET, avec 0 - du temps t=0 au temps t=OET, avec 0 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 4 est un schéma illustrant la topologie d'un convertisseur quadratique double boost réversible en courant selon la présente invention. Le convertisseur représenté sur cette figure assure l'interface entre le supercondensateur 5, aux bornes (les points C et D) duquel existe une tension d'entrée Uin, et les points A et B (voir la figure 1) entre lesquels existe une tension de sortie U t Entre les points C et A sont branchés en série une première bobine d'induction L1r un premier interrupteur QI, une deuxième bobine d'induction L2 et 11 un troisième interrupteur Q3. La liaison entre les points D et B est une connexion à la masse. Une diode D1 est branchée en parallèle sur les éléments Q1 et L2 mis en série. L'anode de la diode D1 est du côté du point C tandis que sa cathode est du côté du point A. Une diode D2 est branchée entre la masse et la connexion reliant les éléments L1 et Q. L'anode de la diode D2 est connectée à la masse. Un condensateur Cl est branché entre la masse et la connexion reliant les éléments Q1 et L2. Un condensateur C2 est branché entre les points A et B. Un deuxième interrupteur Q2 est branché entre la masse et la connexion reliant les éléments L2 et Q3. Les interrupteurs QI, Q2 et Q3 sont des interupteurs commandés en ouverture et en fermeture, de type MOSFET ou IGBT avec des diodes montées en antiparallèle. La figure 5 est un diagramme illustrant le principe du rapport cyclique des signaux de pilotage en fonction du temps t pour le convertisseur selon l'invention. Les interrupteurs Q1 et Q3 sont pilotés par le même signal de commande appelé Cmd1. L'interrupteur Q2 est piloté par le signal de commande Cmd2, complémentaire de Cmd1. Le diagramme de la figure 5 illustre le principe du rapport cyclique OE des signaux de pilotage au sein d'une période de commande T. Les bobines d'induction L1 et L2 présentent des résistances internes r1 et r2 respectivement. On appelle R la résistance équivalente à la charge entre 12 les points A et B. La durée des impulsions de commande (représentée par le rapport cyclique oc) conditionne le rapport de transformation du convertisseur. L'expression de la tension de sortie par rapport à la tension d'entrée s'écrit : (1) A partir de la relation (1) on peut tracer la courbe de variation du rapport Uout/Uin en fonction du rapport cyclique oc. Cette courbe est référencée 31 dans le diagramme de la figure 6. Dans ce diagramme, on a aussi représenté sous la référence 32 la courbe de variation correspondante pour un convertisseur DC/DC boost réversible selon l'art connu (voir la figure 3A). A titre d'exemple, le convertisseur selon l'invention peut présenter les valeurs suivantes r1 = r2 = 10 mn L1 = 625 pH et L2 = 1250 pH C1 = 500 pF et C2 = 250 pF R = 10 S fréquence de découpage : 20 kHz Uin = 25 V et Uout = 100 V Iin = 40 A et Iout = 10 A Etant donné les limitations en fréquence de commutation des interrupteurs (MOSFET, IGBT, ...) et pour ne pas accroître les pertes par commutation dans les convertisseurs DC/DC, le rapport cyclique est généralement compris entre 0,25 et 0,75. Dans ces 13 conditions, la topologie du convertisseur selon l'invention présente un gain très supérieur à la topologie standard. On notera que les deux courbes de la figure 6 sont tracées dans des conditions de rendement identiques. On va maintenant décrire le principe de focntionnement de la topologie de convertisseur DC/DC double boost réversible selon l'invention. Pour cela, on va se baser sur les deux signaux de commande représentés sur le diagramme de la figure 5. On parle de sens direct de fonctionnement lorsque le courant circule de Uin vers Uout et de sens inverse lorsque le courant circule de Uout vers Uin. Fonctionnement en sens direct (Boost) La figure 7A illustre le fonctionnement du convertisseur selon l'invention pendant la phase de fonctionnement comprise entre t=0 et t=OET (c'est-à-dire Cmd2=0 et Cmd2=1). Les interrupteurs Q1 et Q3 sont ouverts et l'interrupteur Q2 est fermé. La diode D1 conduit naturellement et la diode D2 est bloquée. Ceci permet de charger les bobines d'induction L1 et L2 en parallèle. La bobine L1 est chargée par la source d'entrée Uin et la bobine L2 est chargée à travers le condensateur Cl. La figure 7B illustre le fonctionnement du convertisseur selon l'invention pendant la phase de fonctionnement comprise entre t=OET et t=T (c'est-à-dire Cmd2=1 et Cmd2=0). Les interrupteurs Q1 et Q3 sont fermés et l'interrupteur Q2 est ouvert. Les deux diodes D1 et D2 restent bloquées. Ceci entraîne la décharge en 14 série des deux bobines d'induction L1 et L2 dans la sortie Uout tout en rechargeant de nouveau le condensateur Cl. Fonctionnement en sens inverse (Buck) La figure 8A illustre le fonctionnement du convertisseur selon l'invention pendant la phase de fonctionnement comprise entre t=0 et t=OET (c'est-à-dire Cmd1=1 et Cmd2=0). Les interrupteurs Q1 et Q3 sont fermés et l'interrupteur Q2 est ouvert. Les diodes D1 et D2 sont naturellement bloquées. Dans cette phase de fonctionnement, la bobine d'induction L2 est chargée par la source Uout et la bobine d'induction L1 se charge à travers le condensateur Cl et la source d'entrée Uin. La figure 8B illustre le fonctionnement du convertisseur selon l'invention pendant la phase de fonctionnement comprise entre t=OET et t=T (c'est-à-dire Cmd1=0 et Cmd2=1). Les interrupteurs Q1 et Q3 sont ouverts et l'interrupteur Q2 est fermé. La diode D2 conduit naturellement et la diode D1 est bloquée. Ceci entraîne la décharge de la bobine d'induction L2 dans le condensateur Cl à travers l'interrupteur Q2 et la décharge de la bobine d'induction L1 dans Uin à travers la diode de roue libre D2. REVENDICATIONS1. Convertisseur DC/DC Boost réversible en courant destiné à servir d'interface entre une première source de tension continue et une deuxième source de tension continue, la tension de la première source de tension continue étant inférieure à la tension de la deuxième source de tension continue, le convertisseur ayant une topologie constituée des branches suivantes : - une première branche reliant les pôles positifs de la première et de la deuxième source de tension continue et comprenant, en série de la première à la deuxième source de tension continue, une première bobine d'induction (L1), un premier interrupteur commandé en ouverture et en fermeture (Q1), une deuxième bobine d'induction (L2) et un troisième interrupteur commandé en ouverture et en fermeture (Q3), - une deuxième branche reliant les pôles négatifs de la première et de la deuxième source de tension continue, une troisième branche, connectée en parallèle sur le premier interrupteur (Q1) et la deuxième bobine (L2) mis en série, comprenant une diode (D1) dont l'anode est du côté du pôle positif de la première source de tension, - une quatrième branche, connectée entre la deuxième branche et la partie de la première branche située entre la première bobine d'inductin (L1) et le premier interrupteur (Q1), comprenant une deuxième 16 diode (D2) dont l'anode est du côté de la deuxième branche, - une cinquième branche, connectée entre la deuxième branche et la partie de la première branche située entre le premier interrupteur (Q1) et la deuxième bobine d'induction (L2), comprenant un premier condensateur (C1) , - une sixième branche, connectée entre la deuxième branche et la partie de la première branche située entre la deuxième bobine d'induction (L2) et le troisième interrupteur (Q3), comprenant un deuxième interrupteur commandé en ouverture et en fermeture (Q2) , une septième branche, connectée en parallèle sur la deuxième source de tension continue, et comprenant un deuxième condensateur (C2), le convertisseur comprenant des moyens de commande des interrupteurs pour que : - lorsque le courant dans le convertisseur circule de la première vers la deuxième source de tension, pendant une période de commande allant de 0 à T et pour un rapport cylique 06 : - du temps t=0 au temps t=OET, avec 0 2. Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel le rapport cyclique OE est compris entre 0,25 et 0,75. 15 3. Convertisseur selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les interrupteurs commandés en ouverture et en fermeture (Q1, Q2, Q3) sont des composants choisis parmi des MOSFET et des IGBT, avec des diodes montées en antiparallèle. 10 20