Brevet FR2961755A1 — publié le 20111230

! Convertisseur pour circuit Me trique destiné àfournir de réne ie é trique de propulsion à bord d'un véhicule automobile Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un convertisseur pour circuit dei tique destiné à fournir de l'énergie électrique de propulsion à bord d'un véhicule automobile. En référence à la figure 4 il est connu de munir un véhicule O00, à propulsion entièrement ou partiellement électrique, d'un convertisseur 102 de puissance capable d'élever la tension dune batterie 104 pour: alimenter machine électrique 106, typiquement via des onduleurs 10 10 Compte tenu des puissances mises en jeu dans un tel convertisseur 102 généralement co\prises entre 20 100KW, peut être intéressant de faire un convertisseur multicellulaire dans lequel un courant d'alimentation issu de la batterie 104 est réparti en de multiples cellules de conversion, La mise en oeuvre d'un telconvertisseur multicellulaire est confrontée i à un problème de coût compte compte de la quantité de silicium requis par des ierru eues 111 113 mis en oeuvre dans une cellule, et notamment dans leurs transistors 103 ou 105 leurs diodes de puissance 107 ou 109. Dans cas des véhicules électriques plus particulièrement des 20 véhicules hybrides, le volume le poids de ces cellules sont également des critères i portants etnotamment, la taille généralement importante des éléments inductifs - une bobine 110 dans cet exemple devient problématique. . Le rendement est un autre critère importa pour la mise en oeuvre 25 d'un convertisseur puisque ce der nier iue directement dans l'autonomie du véhicule 100. Afin d'ac ocre ce rendement, il est connu d'utiliser des cycles d'inversions du -curant circulant dans l'élément inductif 110 du convertisseur afin de mitre en oeuvre un procédé de commutation dénommé ZVS, pour « Zero Voltage Switchin » en anglais, comme décrit d e Dus en référence aux figures 2 à Plus précisément, la figure 2 illustre une telle ouverture de l'interrupteur 113 du convertisseur 102 sous une tension pratiquement nulle obtenue grâce à un condensateur 204 puisque, comme décrit ultérieure-Ment, ce condensateur 204 est déchargé lors de cette ouverture. Bien que le courant 302 (figure 3) circulant dans e collecteur du transistor 105 ne soit pas totalement nul lorsque la tension 304 aux bornes dudit transistor 105 (tension collecteur/émetteur) commence à oîtrce procédé !Ü permet pratiquement de réduire fortement les pertes liés à une ouverture de l'interrupteur 10Sur l'exemple de la figure 3, les ordres de grandeur en jeu sont indiqués en légende sur la figure. Par la Suit le condensateur 204 peut être déchargé en Inversant le courant (2aversan l'élément inductif 110 de telle sorte que, e condensateur 15 204 étant ainsi déchargé, l'interrupteur peut de nouveau sefermer sous ten- sion nulle. En référence à b figure 4 est représenté le convertisseur 102 brs d'une telle inversion du courant i traversal'élément inductif 110 de la cm- yle,c'eire A(ouverte de l'interrupteur 111. Le passage de courant à 20 travers les interrupteurs ]]] 113 étant bloqué, le condensateur 204 se décharge puis, lorsqu'il est complètement déchargé, il met en conduction la diode 109 de l'interrupteur 113 , Dans ce cas, la tension 504 pgure aux bornes de l'interrupteur 113 décroît rapidemependant la décharge du condensateur (étape 510) puis 25 devient négde teesorte que Ç diode 109 (étape 512) devient passante. Par la suite, le courant 502 dans l'élément inductif 110 redevient positif le cycle reprend avec une ouverture de l'interrupteur 113 telle que précédemment dé rte, Si la mise en oeuvre de ce procédé ZVS avec une fréquence de d& 30 coupage fixe peut être satisfaisante lorsque le convertisseur fonctionne à forte charge, il apparaît que cette technique ZVS ne permet pas un rende-ment ssatisfaisant à faible charge. En effet il apparaît de façon problématique que le courant est forte-ment modulé quel que soit la charge que ce soit à faible charge, c'est-à-dire lorsque le courant moyen est proche de O ggu 7) ou dans le cas d'une forte charge c'est-à-dire lorsque le courant moyen est, parexemple, proche de 50A (figure 6). Dans cexemple> lnd ion est del'ordre de 100 A de crête à crête, ce qui génère d'importantes pertes fer dans l'inductance, Pour pallier ce problème, il est connu de mettre en oeuvre procédé ZVS précédemment décrit selon un ode dit de conduction critique. Dans un tel mode> l'inversion du courant est forcée pendant un temps relativement 10 court mais suffisant pour décharger le condensateur assurant la mise à zéro de la tension l'interrupteur, comme représenté sure figure 8. Dans ce cas, le courant est contrôlé par un premier seuil qui règle valeur moyenne du courant: par un second seuil. de signe opposé, qui permet d'assurer la décharge dudit condensateur, l'alternance entre ces 15 deux seuils étant mise à une fréquence variable, De façon problématique, il apparaît que mode de conduction criti- que génère des ondulations de courant dans les éléments inductifs qui rendent diffiÜGs la conception de ces derniers. De faits l'amplitude des ondulations de courant peuvent être supérieures à 00% de la valeur du cour nt 2Ü crête sur une plage de fréquence élevée (entre 2OKhz à 8OKhz par exemple) ce qui rend les pertes d'énergie dans lductance inacceptables en termes d'échauffement et de rendement. Finalement, il convient de signaler que les éléments inductifs sont généralement faiqués à base de matériaux de type ferrite ou nanocristallin 25 du fait de la résistivité du matériau pour le premier, de la finesse des bandes constituant le noyau pour le second dei leur cacommune à limiter la gênéEation de courants de Foucault et donc de limiter les pertes. Malheureusement, la ferrite est un matériau qui sature avec un champ magnétique lativement faib e parrapport à dautres maté iaux magnétiques à base defer. La conséquence es le vo urne magnétique important requis pour la fabrication d'élément inductif. qui per être rédhibitoire dans une application de véhi )e hybride, du stockage d étier ie §mit é dans ces matériaux du fait de ieur très grande perméabilité. De fait, en termes de stockage d'énergie, les matériaux \ base de fer de silicium pourraient être plus adaptés aux convertisseurs de véhicule / car leur seul de saturation peut dépaer parfois 2 Teslas. En outre, ces matériaux sont très répandus dans le transport ou la tans transformation de l'énergie (transformateur, génératrice, moteur électrique..,), généralement sous la orme de tôle laminées. De façon problématique. ces matériaux ont un niveau élevé de pertes 10 à haute fréquence compte tenu des modulations de flux générés par ces hautes fréquences. C'est pourquoi, les fréquences mises en oeuvre l dans les transports d'énergie varient sur une plage de fréquences relativement basse Description denformes de réalisation préférées de l'invention Les éléments identiques, par structure ou parte fonction apparaissant sur différentes figures conservent, sauf précision contraire> les mêmes 25 références. En référence à la figure 9 est représenté un circuit magnétique 900 conforme à l'invention, c'est-à-dire comprenant deux -.te Iules 901 ou 903 munies d'éléments inductifs respectifs 902 904 - représentés par des bobines - couplés defaçon à pouvoir être alternativement commande. 30 - selon un mode commun où une inductance apparente dudit circuit magnétique 900 est relativement forte, par exemple de 'ordre de grandeur de la somme des inductances LA La propres à chacun desdits éléments inductifs 902 et 904. 8 Crac à une telle inductance apparente fo46 les ondulions du flux magné- tique dans le circuit sont limitées - comme décrit en détail ultérieurement - ce qui réduit los pertes r. selon un mode différentiel où l'inductance apparente dudit circuit % magnétique est relativement faible, par exemple del'ordre de grandeur de l'inductance de fuite du couplage entre les éléments inductifs, Grâçe à une telle inductance apparente faible, le courant peut être inversé avec une ondulation suffisamment importante qui permette la mise en oeuvre du procédé ZVS précédemment décrit, notamment en mode critique 10 Dans la description détaillée ci-dessous de cette mise en oeuvre, on dénomme par la suite LA et LB les inductances des éléments inductifs 902 ou 904 représentés par des bobines. La tension Vmc du circuit magnétique en mode commun, dénommée par la suite tension de mode commun ou « », est la somme des 'en- 15 siens V. ou Vm aux bornes des éléments inductifs 902 et 904. cuit magnes ique 900 selon la méthode de ho/ynson ggure 11). Dans c2961755 VmcVLA VLB)/2 De façon analogue, tension Vmd du circuit magnétique en mode 20 différentiel. dénommée parla suite tension de mode différentiel ou Vmd, est la différence des tensions Vu\ ou Vm aux bornes des éléments inductifs 902 904. Vmd=(VVL2 25 Cette tension Vmd en mode différentielle est non nulle lorsque les nsions V ou VLB aux bornes des deux éléments inductifs diffèrent. En sidérant une application telle que représentée sur la figure Le. avec deux c Iules, c te si ion se produite les ierr eurs S ou Sm des 30 cellules 901 ou 903 mettant en oeuvre ces éléments inductifs s n dans des ètats dietinets comme indiqués dans le tableau de la figure 10. Pour plus de clarté, il est possible d'utiliser une représentation du cir- 30 cas, élément inductif nducest eepréseté par une reluctance R un générateur n\ de courant i,[Gément inductif 904 est représenté par une 6c tance R un générateur Bde courant iB et, finalement, le couplage entre les deux éléments inductifs 902 et 004 est équivalent à un élément inductif 906 représenté par une relu a e E Les flux magnétiques /& OB ou OC générés respevementparcha- cun des éléments inductifs 902, 904 ou par le couplage de ces derniers peuvent être déterminés au moyen des formules suivantes: 10 0A IN = LAiA + M \ OB/N=L5\*M\ Dc 0A-OB Dans l'invention proposée, les éléments inductifs sont fortemecouplés la valeur de !inductance mutuelle M est positive et de l'ordre de 450pHe l'inductance L est d%l'ordre de 500pH. Typiquement, cette inductance mutuelle M a une valeur proche de bnd tance propre LA ou de chaque bobine. Pla suite, ces inductances propres LA et L$sont considérées identiques et égales à une inductance L. 20 L'inductance de fuite, égale à la différence entre l'inductance propre l'inductance mutuelle, est donc relativement faible dénommée par la suite inductance de fuite Lf. On a alors: 0A /N = L(\ +le - LfiB OB/N =L LfiA O«/N = U{Ç- A partir de ces dernGces équ ion%b valeur de la tension en mode mmunVmcdevient Vrac = \\§2 )+ OB/ 2 i )/d! t)+ Çm\/2 =«:2L- L\ i / De même, à partir de ces mêmes équations précédentes, lava leur de nsion en mode différentiel y ad dev nt : Vmd = NRO0 d\\dU dt)/2 f) \dom )-(di )/2 = f (dim. MI Comme précédemment indiqué, gndu ance de fuite L est pratique- ment négligeable vis-à-vis de l'inductance propre L de chaque élément in- ductif Dans ce cas, les tensions en mode commun Vmc ou en mode différentielle deviennent : Vmbw2L444c! Vmd=U(diee/ dt. Il apparaît alors que l'inductance du circuit magnétique en mode différentiel est de l'ordre de l'inductance de fuite tandis que l'inductance de ce même circuit magnétique en mode commun est de l'ordre de la somme des inductances proples. Dèsl a: - En mode différentiel, une telle inductance de fuite relativement faible permet au courant de varier rapidement, parexem%« dix fois plus vite que si 20 n employait ldut ance propre, comme montré sur la figure 1.2 tandis que En mode commun, une telle inductance propre relativement élevée permet d'assurer des ondulations de flux relativement faible. Defait, les flux magnétiques son donnés par: DAB _ iA +i - L,S 2 Limc -LB U /N = A+ i) LfiA 2 Li - LfiA / Lf«iA =2LÜD 10 2) 30 11 E an donne que l'inductance de fuite est relativement faible, b dérivation des équations précédentes aboutit aux équations ci-dessous. .AOAI -Lf 9B) àCB/N = LfAiA AO.c /N,= 2. UA En d'autres termes, les ondulations de flux sont proportionnelles à l'inductance de fuite qui, étant relativement fable,igpose des ondulations 10 également faibles comme représentées sur la figure 13, Ces ondulations sont Ici environ 10 fois plus faibles que las ondulations obtenues sans le couplage des semas, plus précisément, il est possible d'évaluer le taux d'ondulation par rapport au champ magnétique crête en sachant que l'ondulation du courant 15 est pratiquement égale au courant crête dans le mode de conduction crÆ-que.Dans ce cas. cerapport devient : &/Æ/0A= Lg Lim-moi fi2LMc=-~ 2Ua/ O B » â (2 Limc Lfi L AiA 2 L mB U /L 20 à/cZ/q = 2. AÇ \2 1 D: 2 L/Lf Le calcul précèdent montre que létaux d'ondulation est pratiquement égal au rapport entre l'inductance de fuite ! du ante propre aux éléments inductifs. ce rapport pouvant alors être Super mmen faible pour per 25 mettre l'utilisation de matériaux à base de Fe-Si. En référence à la figure 14, un circuit magnétique 1400 conforme à l'invention peut être mis en oeuvre au moyen de quatre demis bobines 1402, 1404, 1406 et 1408 à N tours, entourant chacune un entrefer 1403,140 1407 ou 1409 (figure 15) permettant le réglage de 'inductance propre à 30 claqueélément inductif ainsi qu'une jambe centrale 1410, Cette jambe centrale 1400 subie deux fois plus de variations de flux magnétique que les bras externes. C'est pourquoi, ii conviequ'elle soit la pluscourte possible afin de limiter les pertes ferdufait de ces variations de 2961755 1.2 flux magnétique qui sont proportionnelles au volume de ladite jambe centrale. Par ailleurs, H 'envient de noter que la longueur de cette jamn a centrale 1400 n'a pas d'effet sur le fonctionnement du circuit magnétique, ) son inductance étant dépendante de la section de la jambe de l'entrefer Les bobines à N tours sont enroulées autour des entrefers pour limiter rayonnement magnétique causé par les lignes de flux qui s'écartent au niveau de l'entrefer> ce dernier pouvant être en matériau ferrite Fe-Si afin de stocker de l'én Ill La bobine peut être constituée de bandes conductrices ou de fil m nobdn ou multibrin, e sens de bobinage des enroulements A B étant tel que les forces magnétomotrices (ampères-tours) de chacun des enroulements s'ajoutent. La figure 1 qui représente ce circuit magnétique de la figure 14, montre ainsi le sens des enroulements autour des entrefers. IS La présente invention est susceptible de nombreuses variantes. Notammen,la description du problème et de [invention ont été principalement effectuées en utilisant des convertisseur, bidirectionnel abaisseur ou élévateur de tension, non isolé du type Buck Boost. Toutefois, Q est clair que [invention peut être mise en oeuvre avec différents types de convertisseur 20 comprenant au moins deux cellules dont les éléments inductifs peuvent être couplés. Par ailleurs, il convient de signaler que l'invention peut être mise en oeuvre avec une fréquence fixe ou variable. En effet, le convertisseur peut fonctionner en redressement synchrone. Dans ce c la fréquence les 25 inductances doivent être calculées pour qumême à courant maximale, le courant s'inverse dans les inductances afin que procédé de Z\JS puisse être utilisé. Concernant la mise en oeuvre d'un circuit magnétique, il est clair que la structure de la bobine. namme localisation des entrefers, la pré- sence dune jambe centrale 1410 le matériau mis en oeuvre pour Ces derniers peux nt varier d'une réalisation de l'invention à une autre. De fait, dans une réalisation représentée par des ligie de champs à !a figure 16 et Qs entrefers, une bobine 1600 est dépourvue de jambe centrale utilise un noyau en forme de C. Enréférence à la figure 17 est représenté un circuit électrique 900' 3 optimisé de façon à requérir un unique condensateur, de valeur 2C, au heu des 4 condensateurs de valeur C utilisés dans le circuit de la figure 9. Cette utilisation d'un seul condensateur pour effectuer le procédé ZVS est possible par un choix du mode de conduction, Etant donné qu'a' tout Instant un des deux interrupteurs de chaque bras est en conduction, on est 10 certain qua l'ouverture d'un interrupteur, e courant de l'inductance est absorbé par le condensateur qui est relié soit à une masse soit à un bus continu E. Si le rapport d\ue est inférieur à 50 (figure 1$) lors de l'ouverture de l'interrupteur SLA, l'interrupteur SHB est en conduction. Le condensateur !â Czvs est alors polarisé sous une tension négative (-E). Lors de l'ouverture de l'interrupteur SLA, le condensateur Czvs se décharge complètement la tension de blocage de l'interrupteur SLA vaut E comme représenté surgi figure 18. Avant que l'interrupteur SLB ferme, le courant est négatif dans 20 l'élément inductif LB l'interrupteur S H B s'ouvre de telle sorte que le courant rcé parcs élément inductif LB charge la capacité Czvs jusqu'à ce que la tension du bus continu soit atteinte. De manière analogue, la figure 19 se réfère au cas ou e apport cyclique supérieur à 50 REVENDICATIONS1. Circuit électrique (900, 900) destiné .à fournir de t'énergie électrique de propulsion à bord den véhicule automob c éne ie 3 électrique étant obtenue à partir d'énergie délivrée audit circuit électrique 00, 900} par une. batterie dudit .véhicule et convertie par au' moins deux akÇ les 01,903;90)\ 9031 comprenant des ément inductifs (902,904 .;.902i',904» reliés à des transistors gérant e courant circulant dans lesdits .éléments indu ifs 10 (902,904; 02\9041 caractérisé en ce que s. éléments inductifs. (907,904 ;902' 04') sont couplés de telle sorte qu'ils forment un circuit magnétique 40 pouvant être alternativement commandé: -4 on un. mode commun où une inductance apparente dudit circuit magnétique (1400) est de l'ordre de grandeur de b. somme des 15 inductances. opres à aque 9Üme induc { ou ® selon un mode différentiel où tendu ance .apparente dudit rcuit magnétique (.140de l' r re de grandeur de l'inductance de fuite du couplage entre lesdits ém e s inductifs cou G& 2. rcuit âlerique (900, 900') selon la revendication ] caractérisé en 2} ce que les étémentsindoctifs sont couplés de telle sorte qu'ils présen- te une borne commune,. reliée a batterie d'alimentation,. et une bore reliée à un couple de transiOr contrôlant charge la .dé- charge d'un condensateur associé., .3. Circuit électrique (900, 900') selon la revendication 2 caractérisé en 25. ce que le condensateur associé: présente une borne partagée avec un premier couple de trans or d'une première cellule (901.903) une borne partagée avec un second couple de transistor de: a condé cellule 0%.903 { 4. uit électrique (900, ÿ00) selon la revendication .3 .caractéris ,i en ce qu'il comprend des moyens pour mettre en oeuvre un rapport cyclique de .charge de dé:charge du condensateur distinct de 50%,.. Circuit électrique 00,900» selon rune des revendications précédentes caractérisé en ce que l'ordre de grandeur des inductances propres est de 500p Hi 6. Circuit électrique (900, 900') selon rune des revendications précédentes caractérisé en ce que l'ordre de grandeur de l'inductance de fuite est de 50pFi 7. Circuit électrique 00,900) selon rune des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour commander la décharge pendant une période suffisante polir inverser le courant circulant dans au moins un élément inductif (902,904 :90Z,Æ) selon un procédé ZVS en mode critique. 8. Circuit électrique (900> 900') selon lune des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au moins un des éléments inductifs comprend un matériau à base de fer de silicium , typiquement de la fer I5 rite. 9, Circuit électrique 0 900') selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un circuit magnétique formé par queee demis-bobinage, entrelacés à des entrefers d'une même structure, de façon â former le couplage des deux éléments inductifs. 20 10 Procède de fabrication d'un circuit électrique 00, 900) destiné à fournir de l'énergie électrique de propulsion à bord d'un véhicule automobile. cette énergie électrique étant obtenue à pater! d'énergie délivrée audit circuit électrique 0 900) par une batterie dudit véhicule et convertie par au moins deux cellules (901,903 ;901', 903'). 25 selon un procédé ZVS pour# Zero Switching Value ». comprenant des éléments inductifs 02,904;902\904} reliés à des transistors gérant !e courant circulant dans lesdits éléments inductifs (902,904 ;902,904}> caractérisé en ce qu'on agence les éléments inductifs (902,904 :902,904') defaçon à coupler ces derniers de telle 30 sorte qu'ils forment un circuit magnétique conforme à rune des revendications précédentes.