Brevet FR2983654A1 — publié le 20130607

DISPOSITIF INTERFACE ENTRE UN RESEAU ELECTRIQUE ET DES SYSTEMES CONSOMMATEURS DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif interface entre un réseau électrique et des systèmes consommateurs, notamment à bord d'un aéronef, par exemple un avion. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les systèmes électroniques actuels nécessitent un dispositif interface entre le réseau électrique et différents systèmes consommateurs qui réalisent des fonctionnalités qui leurs sont demandées. Ce dispositif interface permet d'adapter le réseau électrique aux différents systèmes consommateurs mais aussi de les affranchir des perturbations auxquelles est soumis le réseau électrique. Une fonction réserve d'énergie, par exemple un condensateur, permet de stocker de l'énergie électrique et de réaliser une protection contre des micro-coupures. Une fonction isolation galvanique permet d'empêcher la circulation de courant entre deux circuits électriques. La figure 1 illustre un schéma de principe qui situe le dispositif interface 10 entre un réseau électrique RE et un système consommateur 11. On obtient ainsi un réseau électrique 12 adapté, isolé et protégé contre les microcoupures. Les principales solutions existantes en termes d'architecture pour réaliser un tel dispositif interface sont les suivantes : utilisation de deux étages convertisseurs : le premier pour réaliser une fonction 5 isolement galvanique et le second pour réaliser la gestion d'une fonction réserve d'énergie ; - utilisation d'un étage convertisseur qui permet de réaliser un isolement galvanique. Dans une première solution, on utilise deux 10 étages convertisseurs pour obtenir une tension régulée et une réserve d'énergie. Une topologie existante est illustrée sur la figure 2. Sur cette figure 2, chacun des convertisseurs Cl-CN, par exemple de type « Buck », a ses deux entrées reliées à un réseau d'entrée RE, 15 l'une étant reliée au travers d'un premier interrupteur 20. Un condensateur Ctampon étant branché entre deux entrées. Ces convertisseurs Cl-CN délivrent des tensions de sortie Voutl...VoutN. Un convertisseur de type « Boost » 21 a ses deux entrées reliées au réseau 20 d'entrée RE et sa sortie reliée à une entrée de chacun des convertisseurs de sortie Cl-CN au travers d'un second interrupteur 22, cette sortie étant également reliée à une borne d'une réserve d'énergie Cres dont l'autre borne est reliée à la masse. Le convertisseur 25 21 permet de charger la réserve d'énergie Cres à une tension supérieure de celle du réseau électrique RE. Les convertisseurs Cl-CN permettent de réaliser l'isolation galvanique entre le réseau électrique d'entrée RE et la tension de sortie secondaire. Ils 30 doivent s'adapter aux variations de la tension du réseau RE et de la réserve d'énergie Cres. Afin de choisir la source d'alimentation du convertisseur qui réalise l'isolation galvanique, il est nécessaire de mettre en place les deux interrupteurs 20 et 22. L'interrupteur 20 permet de déconnecter l'entrée des convertisseurs de sortie Cl-CN du réseau électrique et l'interrupteur 22 permet de connecter la réserve d'énergie Cres en entrée des convertisseurs de sortie Cl-CN. Le condensateur Ctampon a pour objet de garantir l'existence d'une tension en entrée des convertisseurs Cl-CN pendant les phases de transition. En effet, il n'est pas possible de piloter les deux interrupteurs 20 et 22 de manière rigoureusement synchrone. Ces deux interrupteurs restent donc ouverts en même temps environ lps. Le condensateur Ctampon dont la valeur est beaucoup plus faible que Cres, permet d'alimenter les convertisseurs de sortie Cl-CN pendant quelques millisecondes. Cette première solution présente les avantages suivants : Elle est simple : Elle comprend deux convertisseurs séparés. Elle permet de trouver un compromis intéressant entre la tension aux bornes de la réserve 25 d'énergie et la surface occupée par le volume capacitif. - Le temps d'établissement de la tension de sortie ne dépend pas de la charge de la réserve d'énergie. - Le convertisseur 21 est dimensionné pour fournir uniquement la puissance nécessaire à la charge de la réserve d'énergie Cres. Par contre, cette première solution 5 présente les inconvénients suivants : - Elle est encombrante. Elle comprend, en effet, n + 1 convertisseurs. - Il est impossible de gérer l'appel de courant au démarrage du fait de la structure du 10 convertisseur 21. - La dynamique d'entrée des convertisseurs de sortie Cl-CN, qui réalisent l'isolement galvanique, est éventuellement supérieure à la variation de la tension du réseau d'entrée RE. 15 - Les pertes pendant les commutations de l'interrupteur 22 sont importantes (proportionnel à Ctampon) et l'interrupteur 22 est fortement sollicité pendant ces phases. Dans une seconde solution, on utilise un 20 convertisseur pour obtenir une tension régulée. Une topologie très utilisée est illustrée sur la figure 3. Sur cette figure, un convertisseur de type « forward » ou « flyback » 30 a ses entrées reliées au réseau d'entrée RE. Les deux sorties de ce convertisseur 30 25 sont reliées aux entrées de chacun des convertisseurs de sortie Cl-CN. La réserve d'énergie Cres est reliée entre ces deux sorties. Le convertisseur 30 permet de réguler la tension aux bornes de la réserve d'énergie Cres et éventuellement de réaliser l'isolement 30 galvanique. La réserve d'énergie Cres est réalisée en sortie de ce convertisseur 30 en nécessitant un volume capacitif important de manière à ce que l'on garantisse une tension minimum pour Vres pendant une microcoupure. Pendant une phase de microcoupure sur le réseau RE le convertisseur 30 n'est plus fonctionnel. La puissance de sortie est fournie par Cres. Cette seconde solution présente les avantages suivants : - Elle est simple. Elle comprend en effet un seul convertisseur ayant une plage fonctionnement sur la tension d'entrée égale à la dynamique du réseau. Par contre, cette seconde solution présente les inconvénients suivants : - Le temps de démarrage est plus important que dans la première solution car il faut avoir changé la réserve d'énergie pour être fonctionnel. - Le convertisseur d'entrée 30 doit être dimensionné pour garantir la puissance de sortie mais aussi la charge de la réserve dans le temps imparti. - En régime permanent, la totalité de la 20 puissance occasionne des pertes dans tous les convertisseurs 30 et Cl-CN. L'invention a pour objet un dispositif interface entre le réseau électrique et différents systèmes consommateurs qui permette de réaliser les 25 fonctions explicitées précédemment d'isolation galvanique et de protection de la tension de sortie par rapport aux microcoupures du réseau, tout en limitant le volume occupé. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif interface entre un réseau électrique et des systèmes consommateurs, qui comprend au moins trois inductances couplées, formant au moins trois enroulements disposés autour d'un noyau magnétique, caractérisé en ce que ce dispositif comprend : - un premier enroulement connecté en série avec un élément semi-conducteur, par exemple une 10 première diode, et un premier semi-conducteur de découpage aux deux points d'entrée du réseau, - un second et un troisième enroulements ayant chacun une première extrémité reliée aux premières entrées de N convertisseurs de sortie au 15 travers respectivement d'une seconde et d'une troisième diode, un condensateur tampon étant relié entre ces premières entrées et un point d'entrée du réseau, et une seconde extrémité reliée aux secondes entrées de ces N convertisseurs de sortie au travers d'au moins 20 une cellule d'interruption, par exemple une première et d'une seconde cellules d'interruption, ces deux cellules d'interruption étant respectivement pilotées par un signal de bon fonctionnement du réseau et son signal complémentaire, 25 un quatrième enroulement ayant une première extrémité reliée à une réserve d'énergie et une seconde extrémité reliée à ce point d'entrée du réseau à travers un second semi-conducteur de découpage et une seconde résistance de mesure de courant, 30 - au moins un étage de contrôle PWM qui reçoit la tension aux bornes du condensateur tampon au travers d'une boucle d'asservissement et qui pilote les premier et second semi-conducteurs de découpage. Avantageusement les semi-conducteurs de découpage et les cellules d'interruption comprennent 5 chacune un composant MOSFET. La boucle de régulation comprend deux étages : - un étage de régulation, et - un étage d'isolation. Le contrôleur PWM pilote les semi10 conducteurs de découpage au travers d'un étage de commande comprenant : - deux portes ET recevant respectivement un signal de bon fonctionnement du réseau et son signal complémentaire et délivrant les signaux de commande des 15 deux semi-conducteurs de découpage. Avantageusement les enroulements forment un convertisseur « flyback ». Avantageusement la réserve d'énergie comprend au moins un condensateur. Une diode zener peut être disposée aux bornes de cet au moins un 20 condensateur pour protéger celui-ci. Avantageusement le signal déterminé est un signal de bon fonctionnement du réseau. Les avantages de l'invention sont les suivants : 25 - Un seul élément magnétique est nécessaire pour gérer les deux fonctionnalités : isolement galvanique et réserve d'énergie, ce qui entraine gain de place, gain de masse et coût moins élevé. - Un seul contrôleur PWM et une seule 30 boucle d'asservissement sont nécessaires, ce qui entraine simplicité de mise en oeuvre et gain de place. - Une optimisation de la tension aux bornes de la réserve d'énergie et du volume capacitif est possible. - Les semi-conducteurs de découpage ne 5 doivent être dimensionnés que pour un fonctionnement transitoire : temps de charge du volume capacitif et durée des microcoupures. - Les cellules d'interruption ne nécessitent pas d'être performantes en dynamique, la 10 résistance Rdson (ou résistance drain-source lorsque le composant MOSFET est passant) et la tension drain-source Vds (Vds=RdsonxIds) sont les seuls facteurs dimensionnants. - La tension de sortie régulée permet 15 d'optimiser les N convertisseurs de sortie. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - La figure 1 illustre le schéma de principe d'un dispositif interface entre un réseau 20 électrique et des systèmes consommateurs. - Les figures 2 et 3 illustrent deux solutions de l'art antérieur. - La figure 4 illustre un schéma de principe du dispositif de l'invention. 25 - Les figures 5 et 6 illustrent le schéma équivalent du dispositif de l'invention, dans deux modes de fonctionnement différents. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le dispositif interface entre un réseau électrique RE et des systèmes consommateurs selon l'invention comprend au moins trois inductances couplées, formant au moins trois inductances disposées autour d'un noyau magnétique. Comme illustré sur la figure 4, ce dispositif comprend : - un premier enroulement Ll connecté en série avec un première diode Dl, un premier semi- conducteur de découpage Tl et une première résistance Rsensel de mesure de courant aux points d'entrée du réseau RE, - un second et un troisième enroulements L2 et L3 ayant chacun une première extrémité reliée aux premières entrées de N convertisseurs de sortie Cl-CN au travers respectivement d'une seconde et d'une troisième diodes D2 et D3, un condensateur tampon Ctampon étant relié entre ces premières entrées et un point d'entrée du réseau, et une seconde extrémité reliée aux secondes entrées de ces N convertisseurs de sortie Cl-CN au travers respectivement d'une première et d'une seconde cellules d'interruption S1 et S2, ces deux cellules d'interruption S1 et S2 étant pilotées par des signaux complémentaires A et >.4., A étant un signal de bon fonctionnement du réseau, - un quatrième enroulement L4 ayant une première extrémité reliée à une réserve d'énergie Cres et une seconde extrémité reliée à ce point d'entrée du réseau à travers un second semi-conducteur de découpage T2 et une seconde cellule de courant Rsense2, SP ,50052 DB 10 - au moins un étage de contrôle PWM 40, qui reçoit la tension aux bornes du condensateur tampon Ctampon au travers d'une boucle d'asservissement 41 et qui pilote les premier et second semi-conducteurs de découpage T1 et T2. Dans une variante de réalisation le second et le troisième enroulements L2 et L3 peuvent être remplacés par un seul enroulement associé à des circuits d'inversion de phase. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 4, les semi-conducteurs de découpage T1 et T2 et les cellules d'interruption S1 et S2 comprennent chacune un composant MOSFET. La boucle de régulation 41 comprend deux étages : - un étage de régulation 42, et - un étage d'isolation 43, qui sont par exemple les circuits préconisés par les constructeurs du contrôleur PWM 40. Ce contrôleur PWM 40 pilote les semi-conducteurs de découpage T1 et T2 au 20 travers d'un étage de commande comprenant : - deux portes ET 44 et 45 recevant respectivement un signal A de bon fonctionnement du réseau et son signal complémentaire À (inverseur 46) et délivrant respectivement les signaux de commande de ces 25 semi-conducteurs de découpage. Avantageusement les enroulements Ll, L2, L3 et L4 forment un convertisseur « flyback ». La réserve d'énergie comprend au moins un condensateur Cres. Une diode zener peut être disposée 30 aux bornes de cet au moins un condensateur Cres pour protéger celui-ci. SP .50052 bB 11 Ce dispositif peut .être utilisé dans deux modes de fonctionnement différents : - un premier mode de fonctionnement, qui permet de charger la réserve d'énergie et de fournir la 5 puissance de sortie à partir du réseau RE. - un second mode de fonctionnement qui permet de fournir la puissance de sortie à partir de la réserve d'énergie. 10 Premier mode de fonctionnement : fonctionnement nominal Dans le premier mode de fonctionnement, on considère que la tension du réseau Vin est dans sa plage de fonctionnement nominal. Le signal A est donc activé, ce qui a pour effet de : 15 - autoriser le fonctionnement de la sortie PWM1 qui commande le premier semi-conducteur de découpage Ti, - ouvrir le second semi-conducteur de découpage T2, 20 - fermer la première cellule d'interruption Sl, - ouvrir la seconde cellule d'interruption S2. Dans ce mode de fonctionnement on retrouve 25 un convertisseur « Flyback » standard avec deux enroulements secondaires, à savoir le second et quatrième enroulements L2 et L4 : - le second enroulement L2 pour fournir la tension de sortie, 30 - le quatrième enroulement L4 pour charger la réserve d'énergie Cres, SP .50052 DB 12 - le troisième enroulement L3 étant considéré comme déconnecté car la seconde cellule d'interruption S2 est ouverte. On peut simplifier le schéma de la figure 4 comme sur le schéma de la figure 5. La régulation du convertisseur « flyback est effectuée sur la tension de sortie (Vtampon) afin de garantir sa précision et stabilité. La charge de la réserve d'énergie Cres est faite par cross-régulation on utilise donc la quatrième diode D4 afin de limiter les surtensions aux bornes de la réserve d'énergie Cres en cas de saut de charge sur la tension de sortie. Second mode de fonctionnement : fonctionnement en mode transparence Dans le second mode de fonctionnement, on considère que la tension réseau Vin est en dehors de sa plage de fonctionnement nominal. Le signal A de bon fonctionnement du réseau est donc désactivé ce qui-à pour effet de - autoriser le fonctionnement de la sortie PWM2 qui commande le second semi-conducteur de découpage T2. ouvrir le premier semi-conducteur de découpage Tl, - fermer la seconde cellule d'interruption S2, - ouvrir la première cellule d'interruption Si. Dans ce mode de fonctionnement on change le fonctionnement du convertisseur « Flyback ». On utilise la réserve d'énergie Cres comme source d'énergie au lieu du réseau d'entrée RE. Il n'y a qu'un seul enroulement secondaire, à savoir le troisième enroulement L3 : - ce troisième enroulement L3 permettant de fournir la tension de sortie. - le second enroulement L2 étant considéré comme déconnecté, car la première cellule d'interruption S1 est ouverte. - le premier enroulement Ll étant considéré comme déconnecté, car la première cellule de découpage Tl est ouverte. On peut donc simplifier le schéma de la figure 4 comme sur le schéma de la figure 6. La régulation du convertisseur « flyback » est toujours effectuée sur la tension de sortie (Vtampon) Transition entre ces deux modes de fonctionnement : Afin de garantir la stabilité de la tension de sortie pendant la phase de transition, il est nécessaire de positionner un volume capacitif sur la tension de sortie (Vtampon). Ce volume capacitif a deux fonctions : - garantir l'ondulation résiduelle sur la tension de sortie en fonctionnement normal et - garantir la tolérance sur la tension de sortie pendant la phase de transition entre les deux modes.30 Le dispositif de l'invention a plusieurs variantes possibles : - effectuer un redressement synchrone sur la tension de sortie s'il y a des forts courants. Dans ce cas il est intéressant de synchroniser le redressement synchrone sur la seconde diode D2 et sur le second semi-conducteur de découpage T2 afin d'améliorer la cross-régulation. - utiliser un interrupteur à la place de la première diode Dl sur la tension d'entrée. supprimer la première cellule d'interruption S1 car la seconde diode D2 est spontanément bloquée pendant la phase où la première cellule d'interruption S1 est ouverte.15 REVENDICATIONS1. Dispositif interface entre un réseau électrique et des systèmes consommateurs qui comprend 5 au moins trois inductances couplées, formant au moins trois enroulements disposés autour d'un noyau magnétique, caractérisé en ce que ce dispositif comprend - un premier enroulement (L1) connecté en 10 série avec un élément semi-conducteur (Dl) et un premier semi-conducteur de découpage (Ti) aux deux points d'entrée du réseau (RE), - un second et un troisième enroulements (L2 et L3) ayant chacun une première extrémité reliée 15 aux premières entrées de N convertisseurs de sortie (C1...CN) au travers respectivement d'une seconde et d'une troisième diodes (D2 et D3), un condensateur tampon (Ctampon) étant relié entre ces premières entrées et un point d'entrée du réseau, et une seconde 20 extrémité reliée aux secondes entrées de ces N convertisseurs de sortie (C1...CN) au travers d'au moins une cellule d'interruption (S1, S2), - un quatrième enroulement (L4) ayant une première extrémité reliée à une réserve d'énergie 25 (Cres) et une seconde extrémité reliée à ce point d'entrée du réseau à travers un second semi-conducteur de découpage (T2) et une seconde résistance de mesure de courant (Rsense2), - au moins un étage de contrôle PWM (40) 30 qui reçoit la tension aux bornes du condensateur tampon (Ctampon) au travers d'une boucle d'asservissement (41)SP .50052 *D13 16 et qui pilote les premier et second semi-conducteurs de découpage (T1 et T2). 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant une première et une seconde cellules d'interruption (Si et S2) pilotées respectivement par un signal de bon fonctionnement du réseau (A) et son signal complémentaire (À). 3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel, les semi-conducteurs de découpage (T1 et T2) et les cellules d'interruption (S1 et S2) comprennent chacune un composant MOSFET. 4. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel la boucle d'asservissement (41) comprend deux étages : - un étage de régulation (42), et - un étage d'isolation (43), 5. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le contrôleur PWM (40) pilote les semiconducteurs de découpage (Tl et T2) au travers d'un étage de commande comprenant - deux portes ET (44 et 45) recevant respectivement le signal de bon fonctionnement du réseau (A) et son signal complémentaire (À), et délivrant respectivement des signaux de commande des deux semi-conducteurs de découpage.30SP 50052' DB 17 6. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un convertisseur « flyback » comportant au moins un enroulement secondaire. 7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la réserve d'énergie comprend au moins un condensateur (Cres), 8. Dispositif selon la revendication 7, 10 dans lequel une diode zener est disposée aux bornes de cet au moins un condensateur (Cres) pour protéger celui-ci. 9. Dispositif selon la revendication 1, 15 dans lequel l'élément semi-conducteur est une première diode (D1). 10. Aéronef comprenant au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes.