Brevet FR2969859A1 — publié le 20120629

La présente invention porte sur un dispositif pour détecter un courant dans un variateur électronique de puissance. La connaissance des courants dans un variateur électronique de puissance, notamment la connaissance des courants à la sortie du variateur, là où une charge est reliée, est particulièrement importante. Si l'on ne dispose pas 15 d'un capteur de courant, il est possible de recourir à un modèle qui ne remplace jamais parfaitement le capteur de courant. Les deux principaux problèmes que l'homme de l'art rencontre en utilisant un capteur de courant qui mesure le courant de la charge alimentée par le variateur électronique, résident dans la fragilité du capteur et dans son 20 coût prohibitif pour les applications économiques. La présente invention a pour but de proposer un nouveau type de capteur de courant dans un variateur électronique de puissance, résistant et qui puisse avantageusement remplacer un modèle, même pour les applications économiques. 25 Selon l'invention un tel dispositif pour détecter un courant dans un variateur électronique de puissance qui comprend: un bras de hacheur monté entre une ligne de potentiel bas et une ligne de potentiel élevé, ledit bras de hacheur comprenant deux interrupteurs commandés conçus pour conduire du courant depuis la 30 ligne de potentiel élevé vers la ligne de potentiel bas lorsqu'ils sont en position fermée et deux autres interrupteurs chacun monté en antiparallèle avec un interrupteur commandé respectif, lesdits 1 - 2 interrupteurs commandés étant montés en série et reliés entre eux en un point intermédiaire; Le point étant prévu pour y relier une borne de la charge; et, un processeur de commande prévu pour commander au moins l'ouverture et la fermeture desdits interrupteurs commandés; est caractérisé en ce qu'il comprend un comparateur de tension prévu pour comparer une tension d'alimentation de la charge, mesurée entre le point intermédiaire et la ligne de potentiel bas, avec une tension de référence. L'invention porte aussi sur un variateur de courant équipé d'un tel dispositif. La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux en référence aux modes d'exécution qui seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - La figure 1 est une vue schématique représentant le montage, selon l'invention, d'un bras de hacheur formant un onduleur de tension monophasé; - La figure 2 illustre les chronogrammes de fonctionnement associés au montage de la figure 1; - La figure 3 est une vue schématique semblable à celle de la figure 1 présentant une disposition astucieuse d'un comparateur de tension pour le montage de la figure 1; et, - La figure 4 est une vue schématique illustrant l'utilisation du montage de la figure 3 dans une alimentation triphasée. On note que lorsque la charge connectée au variateur électronique de puissance est alimentée en tension alternative, il est possible de déterminer le déphasage entre la tension et le courant fournis par le variateur électronique de puissance. Cette information de phase, associée à un modèle précis de la charge, permet dans certains cas de connaître le comportement de cette charge, sans recourir à la mesure de l'amplitude du courant. En outre, une modulation, appliquée aux interrupteurs formant le variateur électronique, influe sur sa fonction - hacheur ou onduleur - et sur la nature de sa commutation - pleine onde ou directe. Les notations et conventions adoptées dans la description de l'invention qui suit, sont issues du document "Électronique de puissance - Introduction, par François Bemot, Encyclopédie des Techniques de l'Ingénieur, article E3958" (Réf.l). Notamment il sera considéré dans la description de l'invention la notion de bras de hacheur, qui associés entre eux forment un onduleur ou un hacheur. On rappelle que la modulation pleine onde utilise les topologies thyristor dual, thyristor/diode, ou mixte associant thyristor dual et thyristor/diode. La figure 1 illustre un bras de hacheur 1 formé entre une ligne de potentiel électrique bas GND et une ligne de potentiel élevé positif VP. Le hacheur 1 forme un onduleur de tension monophasé, pour une charge électrique 2. Le bras de hacheur 1 comprend un hacheur 3 formé de deux interrupteurs Tl, T2, et de deux diodes Dl, D2. Dans l'exemple illustré, les interrupteurs T1 et T2 sont des transistors à effet de champ (MOSFET ou IGBT), de type N; l'un de ces interrupteurs T1 est dit de potentiel bas, l'autre de ces interrupteurs T2 est dit de potentiel élevé. Ils sont montés de sorte que le drain de l'interrupteur de potentiel élevé T2 est relié à la ligne tension élevé, sa source est reliée, en un point S de potentiel intermédiaire, au drain de l'interrupteur de potentiel bas T1, et, la source de l'interrupteur de potentiel bas T1 est reliée à la ligne de potentiel bas GND. Parmi les diodes Dl, D2, une première diode Dl est montée en antiparallèle avec l'interrupteur de potentiel bas Tl, entre la ligne de potentiel bas GND et le point S de potentiel intermédiaire; la deuxième diode D2 est montée en antiparallèle avec l'interrupteur de potentiel élevé T2, entre le point S de potentiel intermédiaire et la ligne de potentiel élevé VP. Les diodes sont montées de façon à conduire le courant depuis la ligne de potentiel bas GND vers la ligne de potentiel élevé VP. 2969859 4- Dans l'exemple illustré à la figure 1, le montage 1 comprend en outre trois condensateurs de découplage Cl, C2, C3. Deux premiers condensateurs Cl, C2 sont montés en série entre la ligne de potentiel élevé VP et la ligne de potentiel bas GND, et, reliés entre eux en un point milieu P. Le troisième 5 condensateur C3 est monté en parallèle avec les deux premiers Cl, C2, entre la ligne de potentiel élevé VP et la ligne de potentiel bas GND. Selon la configuration, un ou deux des trois condensateurs Cl, C2, C3 peut être supprimé. La charge électrique 2 comprend deux bornes 2A, 2B. Une première 10 borme2A est reliée au point intermédiaire S. La deuxième borne 2B peut être reliée soit au point P, soit à la ligne de potentiel bas GND, soit à la ligne de potentiel élevé VP. Les interrupteurs T1, T2 sont commandés alternativement de sorte que chacun des interrupteurs Tl, T2 a des périodes de conduction, alternées avec 15 des temps morts durant lesquels l'interrupteur ne conduit pas. Les diodes D 1 et D2 se mettent en conduction de façon spontanée, en fonction du sens du courant I1 entre le point S et la borne 2A de dans la charge 2. Un processeur de commande 4 génère des impulsions requises par les interrupteurs Tl et T2. Il impose de ce fait la valeur instantanée de la tension 20 V1 mesurée entre _le point intermédiaire S et la ligne de potentiel bas GND. La charge 2 reçoit une tension comportant un spectre harmonique assez large, et c'est en général le fondamental de la décomposition en série de Fourier de ladite tension V1 qui détermine le comportement de la charge, le découpage de la conduction des interrupteurs Tl et T2 étant réalisé à une fréquence 25 élevée. Conformément aux règles de conception topologique citées dans le document Réf.l, la charge électrique 2 est de nature inductive, c'est à dire qu'elle comporte au moins un composant bobiné placé en série dans son schéma équivalent. Il en résulte que le courant I1 absorbé par la charge 2 30 représente de façon au moins partielle une intégration de la tension V1. Le courant V1 a donc un spectre harmonique beaucoup plus faible que la tension V1. Selon l'invention, le montage 1 comprend un circuit comparateur de tension 5. Dans l'exemple illustré à la figure 1, le circuit comparateur comprend uniquement un comparateur 6. La tension V1 est appliquée à l'entrée du comparateur 6, qui compare la tension Vl à une valeur de référence notée VR. Typiquement, VR est comprise entre une valeur minimale VRmin et une valeur maximale VRmax. La valeur minimale VRmin correspond à celle, négative, de la tension V1 imposée à la borne 2A lorsque la première diode Dl conduit, et, la valeur maximale VRmax correspond à celle, positive, de la tension V1 imposée à la borne 2A lorsque la l'interrupteur de potentiel bas Tl conduit. VRmax peut varier entre 0,1V si les interrupteurs T1,T2 sont des MOSFET basse tension et 10V si les interrupteurs T1,T2 sont des MOSFET haute tension. Typiquement la tension VR est choisie à une valeur médiane entre VRmin et VRmax; par exemple la valeur de VR est choisie sensiblement égale à zéro, pour laquelle on obtient une sensibilité optimale du comparateur 6. Le comparateur 6 produit une valeur de sortie SI. La valeur de la sortie SI du comparateur 6 au moment de la commande à la fermeture de l'interrupteur T 1 a est une image précise du sens du courant Il. Si le comparateur 6 comporte une détection de bande morte autour d'une tension V1 nulle, laquelle détection peut être réalisée à l'aide de deux comparateurs à hystérésis, il est alors possible de détecter en plus du signe de Il, au moment de la commande à la fermeture de l'interrupteur Tl, ou le fait que le courant I1 a une valeur inférieure à un seuil minimale, voire l'absence de courant Il. Dans les systèmes économiques, le processeur de commande 6 est relié au même potentiel électrique bas GND que le bras de puissance formé des interrupteurs T1, T2 et des diodes D1, D2. Aucune tension négative n'étant disponible pour alimenter un comparateur, la fonction de comparaison utilise alors une porte logique E4, ou encore une entrée digitale E4 du processeur de commande 4. Ainsi, la valeur de sortie SI sera interprété de façon logique par "oui" ou "non", qui doivent être compris au sens « vrai » ou « faux » de la logique booléenne, respectivement. Ainsi, oui signifie qu'une intensité négative est absorbée par la charge 2. La figure 2 illustre cinq chronogrammes CG1-CG2 de fonctionnement, associés au montage 1 de la figure 1, et représentant, de haut en bas : la tension V1 au chronogramme CG1, l'intensité I1 dans la charge au chronogramme CG2, les impulsions de commande envoyées aux interrupteurs T 1 et T2 au chronogramme CG3, les périodes de conduction de la diode Dl au chronogramme CG4, et, les valeurs de sortie S1 du comparateur 6 au chronogramme CG5. Au chronogramme CG1, la tension découpée V1 est représentée par une courbe B 1; elle comporte un fondamental représenté par une courbe B3, sinusoïdale. La position et l'amplitude du fondamental B3 est imposée par le processeur de commande 4. La tension découpée V1 oscille autour d'une valeur moyenne illustré par une constante B2, qui vaut sensiblement la moitié de la valeur de la tension d'alimentation de puissance VAP, mesurée entre la ligne de potentiel bas GND et la ligne de potentiel élevé VP. Au chronogramme CG2, le courant I1 absorbé par la charge est représenté par une courbe B4, sensiblement sinusoïdale. Il est imposé par la charge 2, en réaction de la charge 2 à la sollicitation de la tension VI. Le courant Il peut être en avance ou en retard de phase sur le fondamental B3 de la tension V1. On note 91.4 ce déphasage, retard ou avance. A la figure 2, le déphasage 01_ est représenté entre deux points d'inflexion, Tvp et Tip, voisins et montants des courbes B3 et B4, respectivement. L'échelle de temps du chronogramme CG2 est la même que celle du chronogramme CG1. Le chronogramme CG3 détaille deux séquences différentes dans la commutation entre l'interrupteur à potentiel élevé T2 et l'interrupteur à potentiel bas T1. Ainsi, l'échelle de temps du chronogramme CG3 est plus grande que celle du chronogramme CG1. Les deux séquences sont reliées aux séquences correspondantes du diagramme CG1 par des lignes en pointillées. Au chronogramme CG3, les moments où les interrupteurs T1 et T2 sont 2969859 -7 conducteurs sont représentés par des créneaux respectivement identifiés par les références Tl on et T2on. Les moments Tl on et T2on coïncident respectivement à des impulsions B5-B10 correspondantes émises par le processeur de commande 4. Entre deux impulsions successives, il existe des 5 temps morts B11 durant lesquels aucune impulsion n'est envoyée aux interrupteurs T1, T2. Les impulsions B5-B10 ont une durée égale entre elles. Dans l'exemple illustré, les temps morts B 11 on tous la même durée, sans que cela influe sur le fonctionnement du dispositif. Les chronogrammes CG4 et CG5 sont à la même échelle que le 10 chronogramme CG3. La première séquence de commutation commence par la fin d'un moment Tlon et de l'impulsion B6 correspondante, suivi d'un temps mort B11, suivi d'un moment T2on complet, suivi d'un temps mort B11, enfin suivi du début du moment T1on suivant, illustré par l'impulsion B7. La première séquence 15 correspond notamment à l'ouverture de l'interrupteur T2, à un instant T2_offl, alors que le courant I1 est négatif. L'analyse des séquences de commutation montre qu'à l'instant T2_offl correspondant à la fin de l'impulsion B5, c'est-à-dire à l'instant où l'interrupteur T2 n'est plus commandé à la fermeture, la diode D2 est rendue 20 conductrice, ce qui implique une non-conduction de T2. Ensuite, après le temps mort Bl, à l'instant T1_onl, c'est à dire à l'instant où Tl est commandé à la fermeture, Tl est rendu conducteur et sa diode antiparallèle D1 est rendue non-conductrice (voir chronogramme CG4). Il en résulte qu'à l'instant Tl on l la tension V1 est positive, car Tl conduit, et, par 25 conséquent, le comparateur 6 renvoie une information «oui», ce qui témoigne du sens négatif du courant Il. L'information "oui" est illustrée au chronogramme CG5 par la valeur 1 de la courbe B13, représentant la valeur de S1. La deuxième séquence de commutation commence par la fin d'un 30 moment T1on et de l'impulsion B10 correspondante, suivi d'un temps mort B11, suivi d'un moment T2on complet illustré par l'impulsion B9, suivi d'un temps mort B11, enfin suivi du début du moment T1on suivant, illustré par l'impulsion B8. La deuxième séquence correspond notamment à l'ouverture de l'interrupteur T2, à un instant T2_off2, alors que le courant Il est positif. L'analyse des séquences de commutation montre qu'à l'instant T2 off2, correspondant à la fin de l'impulsion B9, c'est à dire à l'instant où l'interrupteur T2 n'est plus commandé à la fermeture, la diode D2 n'est pas conductrice, ce qui implique une conduction de Dl. Ensuite, après le temps mort B11, l'instant Tl on2, c'est à dire l'instant où Tl est commandé à la fermeture, se traduit par le refus de mise en conduction de Tl, car sa diode antiparallèle Dl conduit déjà. T1, reste donc bloqué tant que I1 est positif. Il en résulte qu'au moment T1 on2, correspondant à l'apparition de la commande à la fermeture de T1, la tension V1 est négative, car Dl conduit, comme illustré par la courbe B12 du chronogramme CG4, et, par conséquent, le comparateur 6 renvoie une information «non», ce qui témoigne du sens positif du courant Il. L'information "non" est illustrée au chronogramme CG5 par la valeur 0 (zéro) de la courbe B13. La figure 3 illustre une disposition particulièrement astucieuse du comparateur de tension 5. Comme précédemment exposé, dans les systèmes économique, lorsque le processeur de commande 4 est relié au même potentiel électrique bas GND que le bras de puissance 3 et qu'aucune aucune tension négative n'est disponible pour alimenter un comparateur la fonction de comparaison peut utiliser une entrée digitale E4 du processeur de commande 4. Cette entrée digitale E4 peut utiliser une porte d'entrée avec ou sans hystérésis. Il est alors impossible de détecter un niveau de tension V1 nulle. Le circuit comparateur 5 de la figure 3 propose une solution à ce problème, en décalant vers les potentiels hauts le signal appliqué au comparateur 6.. Le circuit comparateur 5 proposé à la figure 3 comprend un diviseur résistif R11/R10, qui abaisse la tension V1 mesurée jusqu'à une valeur V6 compatible avec l'entrée 6E du comparateur 6. Le circuit comparateur 5 comprend en outre une résistance R12 disposée pour décaler la tension V6 vers un potentiel auxiliaire V5, afin de porter la tension V6 à un niveau compatible avec une porte logique ou une entrée E4 du processeur 4, qui vaut typiquement 1,5 volts, pour un processeur alimenté en 3,3 volts. Dans l'exemple illustré, la tension d'alimentation VA4 du processeur de commande 4 et la tension d'alimentation VA6 du comparateur 6 sont identiques entre elle et au potentiel V5 du circuit comparateur 5. Une diode D3, montée en parallèle avec la résistance R12, permet de limiter le potentiel V6 à une valeur inférieure à celle du potentiel auxiliaire V5, notamment lorsque le deuxième interrupteur T2 est fermé. La figure 4 présente la anise en oeuvre des dispositions de la figure 3 dans un mode de réalisation triphasé. Les références utilisées pour à la figure 3 sont affectées d'un indice A, B ou C selon la phase de laquelle elle dépend. La figure 4 n'est décrite qu'en ce qu'elle diffère de la figure 3. Le dispositif 1 de la figure 4 est obtenu en connectant aux mêmes connexions de puissance VP, GND trois bras de hacheurs, chacun similaire à celui de la figure 3, et, en connectant sur le même potentiel d'alimentation auxiliaire Vaux trois circuits comparateurs de tension chacun sur le point intermédiaire S d'un bras 3A, 3B, 3C respectif. Chaque circuit comparateur donne une information indépendante sur les courants I1A, I1B et I1C respectivement à chacune des bornes 2A, 2B, 2C de la charge 2. L'extension à une structure polyphasée, ayant un nombre quelconque de phases se fait, de la même façon, par la connexion d'au moins un bras 3 et d'au moins un circuit comparateur 5 par phase de la charge 2. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées. Le processeur de commande est avantageusement isolé vis à vis du circuit comparateur, par exemple par un moyen optoélectronique, 30 transformateur d'impulsion. 2969859 -10- Le comparateur peut comprendre un ou plusieurs cycles hystérésis entre son entrée et sa sortie. Dans le cas où il en comprend plusieurs, cela permet de détecter une bande morte, témoin de l'absence de courant dans la phase de la charge. 5 Les interrupteurs, diodes et transistors MOSFET, décrits aux figures, peuvent être remplacés par d'autres, de préférence parmi les transistors IGBT, les transistors bipolaires ou transistors MOSFET. Ils peuvent être de type P ou de type N. Un variateur électronique de puissance peut mélanger ces différentes options. Le même montage peut être déduit du montage décrit dans 10 l'invention, par symétrie entre les potentiels élevés et les potentiels bas, ladite symétrie utilisant les règles connues de l'homme de l'art, lors de la transposition d'un montage électronique de type N vers un montage de type P et réciproquement. Pour mémoire ces règles consistent à retourner la feuille d'un demi-tour et à inverser le sens de toutes les flèches. 15 La tension moyenne fournie par les bras de hacheur formant le variateur peut ne pas être égale à la moitié de la tension d'alimentation de puissance entre le potentiel bas et le potentiel élevé. Le potentiel moyen peut prendre une valeur sensiblement quelconque comprise entre le potentiel bas et le potentiel élevé. Il peut aussi ne pas être constant ou évoluer, de façon régulière 20 ou aléatoire, entre les potentiels bas et élevés Ainsi, la tension d'alimentation du processeur de commande et la tension d'alimentation du comparateur peuvent être différentes. Dans les modes de réalisation polyphasés: - les alimentations auxiliaires de chaque circuit comparateur aux bornes 25 de l'interrupteur à potentiel bas de chaque bras sont indépendantes les unes des autres; - le un point milieu sur le circuit de découplage de l'alimentation de puissance peut permettre de connecter le neutre de la charge; - Dans une réalisation particulière, seul le condensateur de filtrage C2 du bus continu des bras de hacheur, est montés. Dans une autre réalisation particulière, seuls les condensateurs C 1 et C2 sont montés, pour former un point milieu P. Dans une autre réalisation particulière, l'intégralité des condensateurs Cl, C2, C3 est montée, de façon à mélanger les technologies de condensateurs, afin de découpler, par exemple, les bandes de fréquence indépendamment. - la charge peut être connectée soit en étoile, soit en triangle, soit en zigzag, soit d'une autre façon. - les interrupteurs commandés peuvent être commandés entre leur connexion à potentiel élevée positive et leur grille. L'intensité absorbée par la charge peut ne pas avoir la forme sensiblement sinusoïdale illustrée au deuxième chronogramme, mais prendre d'autres formes selon la nature exacte de la charge et de sa commande. Dans cette disposition constructive, tous les schémas décrits dans cette invention sont reproduits par une symétrie entre les interrupteurs T1 et T2 dans la méthode de détection, et en considérant les potentiels V5, V6 du comparateur vis à vis du potentiel positif VP. REVENDICATIONS1. Variateur électronique de puissance (1) pour une charge (2) caractérisé en ce qu'il comprend: un bras de hacheur (3) monté entre une ligne de potentiel bas (GND) et une ligne de potentiel élevé (VP), ledit bras de hacheur comprenant deux interrupteurs commandés (T1,T2) conçus pour conduire du courant depuis la ligne de potentiel élevé (VP) vers la ligne de potentiel bas (GND) lorsqu'ils sont en position fermée et deux autres interrupteurs (D 1,D2) chacun monté en antiparallèle avec un interrupteur commandé (T1,T2) respectif, lesdits interrupteurs commandés étant montés en série et reliés entre eux en un point intermédiaire (S); Le point (S) étant prévu pour y relier une borne (2A) de la charge (2), un processeur de commande (4) prévu pour commander au moins l'ouverture et la fermeture desdits interrupteurs commandés; et, et un comparateur de tension (5) prévu pour comparer une tension d'alimentation (V1) de la charge, mesurée entre le point intermédiaire (S) et la ligne de potentiel bas (GND), avec une tension de référence (VR). 2. Dispositif pour détecter un courant dans un variateur électronique de puissance, ledit variateur comprenant: un bras de hacheur (3) monté entre une ligne de potentiel bas (GND) et une ligne de potentiel élevé (VP), ledit bras de hacheur comprenant deux interrupteurs commandés (T1,T2) conçus pour conduire du courant depuis la ligne de potentiel élevé (VP) vers la ligne de potentiel bas (GND) lorsqu'ils sont en position fermée et deux autres interrupteurs (D1,D2) chacun monté en antiparallèle avec un interrupteur commandé (T1,T2) respectif, lesdits interrupteurs 2969859 -13- commandés étant montés en série et reliés entre eux en un point intermédiaire (S); Le point (S) étant prévu pour y relier une borne (2A) de la charge (2); et, 5 un processeur de commande (4) prévu pour commander au moins l'ouverture et la fermeture desdits interrupteurs commandés; caractérisé en ce qu'il comprend un comparateur de tension (5) prévu pour comparer une tension d'alimentation (V1) de la charge, mesurée entre le point intermédiaire (S) et la ligne de potentiel bas (GND), avec une tension de so référence (VR).