Brevet FR3002706A1 — publié le 20140829

DISPOSITIF DE REGULATION ET EQUILIBRAGE DES COURANTS POUR DES CONVERTISSEURS DC/DC DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif de contrôle pour régulation et équilibrage des courants pour des convertisseurs DC/DC, notamment dans le domaine du stockage d'énergie, par exemple pour charger et décharger des batteries. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La figure 1 illustre un convertisseur DC/DC de forte puissance de l'art antérieur comprenant n bras formé chacun de deux composants semi-conducteurs disposés en série. Chaque composant semi-conducteur comprend un transistor Ti, par exemple un transistor bipolaire à grille isolée (« Insulated Gate Bipolar transistor » ou IGBT) en parallèle avec une diode Di. Le convertisseur est disposé entre un ensemble de stockage 11, par exemple une batterie, et une source de tension de charge R, le point milieu de chaque bras, qui correspond à une phase i du courant, étant relié à cette source de tension de charge R au moyen d'une inductance de lissage, Ll, L2...Ln. Ce convertisseur comprend également une chaîne de régulation composée de blocs PIDi et PWMi pour chaque phase de courant i, le courant Ii* représentant une consigne de courant. Une chaîne de régulation PIDi + PWMi est décrite ci-après. Bloc PID Un bloc PID, illustré sur la figure 2, sert à réguler une valeur, c'est-à-dire obliger un système à suivre une consigne donnée, en réalisant un asservissement en boucle fermé. On surveille ainsi la valeur à réguler, on la compare a la consigne donnée, et on mesure la différence entre celles-ci. On génère ensuite un signal de sortie qui est proportionnel à cette différence. Mais ce gain proportionnel n'est pas suffisant, car la valeur de consigne peut être dépassée à cause de l'inertie du système. Ainsi, pour prévoir le comportement du système, on intègre la valeur de sortie. Si la valeur de consigne est dépassée, l'intégrateur oblige le système à adapter la sortie. De plus ce gain intégral ne suffisant pas, on surveille la pente (dérivée) pour vérifier que l'on ne dépasse pas la consigne, et, dans ce cas, réaliser une correction. L'ensemble de ces techniques de régulation constitue un correcteur PID (Proportionnel Intégrale Dérivée). Ainsi, la fonction de transfert en régulateur PID parallèle transformée de Laplace d'un est la somme de trois actions C(p)=G + 1.1 + Td.p p Bloc PWM Un bloc PWM utilise une modulation de largeur d'impulsion MLI, qui consiste à introduire des commutations supplémentaires à fréquence plus élevées que la fréquence fondamentale, transformant une tension en une suite de créneaux d'amplitude fixe et de largeur variable. une commande MLI est réalisée par comparaison d'une onde modulante basse fréquence 20 à une onde porteuse haute fréquence 21 de forme triangulaire, comme illustré sur la figure 3. Les impulsions S ainsi générées servent de commandes pour la commutation des transistors Ti. L'utilisation d'une chaîne de régulation pour chaque phase de courant à réguler nécessite une duplication de la chaîne de régulation autant de fois que nécessaire, ce qui entraîne une grande consommation des ressources. Dans le cas d'une réalisation avec des circuits FPGA (« Field Programmable Gate Array » ou réseaux logiques programmables) cela se traduit par un plus grand nombre de portes logiques. Pour résoudre ce problème technique l'invention propose un dispositif de régulation et équilibrage des courants pour n convertisseurs DC/DC utilisant une seule chaîne de régulation, avec des courants équilibrés, comme illustré sur la figure 4, tels que : I = Il + 12 + ...In et Il = 12 =...In EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif de régulation et équilibrage des courants pour des convertisseurs DC/DC, entre une première et une seconde sources de tension, ce dispositif comprenant : - n convertisseurs reliés en parallèle à la première source de tension, - n inductances reliées en sortie à la seconde source de tension au travers de n liaisons, - n capteurs de courant disposés sur chacune de ces liaisons, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - une seule chaîne de régulation reliée en entrée à ces n capteurs de courant et en sortie à ces n convertisseurs. Avantageusement la chaîne de régulation 5 comprend un bloc PID et un bloc PWM. Avantageusement la chaîne de régulation comprend : - un sommateur des courants issus des capteurs de courant, 10 - un bloc PID recevant le courant issu du sommateur, - un diviseur 1/n recevant le courant issu du sommateur et délivrant un courant moyen, - n comparateurs entre les courants mesurés 15 par les capteurs de courant et le courant moyen, - n élément de gain proportionnels disposés en sortie de ces comparateurs, - n sommateurs des sorties de ces n éléments et de la sortie du bloc PID, 20 - un bloc PWM recevant les sorties de ces n sommateurs et délivrant n canaux entrelacés. Le dispositif de l'invention présente les avantages suivants : - on utilise un courant moyen régulé 25 provenant des n bras. - on réalise un équilibrage des courants des n bras. - on utilise une seule chaîne de régulation. 30 - on obtient un équilibrage rapide du fait de la contribution de correction proportionnelle. - on utilise des capteurs de courants à calibre n fois inférieure à celui du courant moyen. - Les temps d'exécution sont faibles et les ressources FPGA sont minimes. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un dispositif de l'art connu. La figure 2 illustre un bloc PID. La figure 3 illustre le fonctionnement d'un bloc PWM. Les figures 4 et 5 illustrent les caractéristiques du dispositif de l'invention. Les figures 6 et 6A illustrent un mode de réalisation du dispositif de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans la suite de la description, des éléments analogues entre eux sont représentés avec la 20 même référence. Le dispositif de régulation et équilibrage des courants pour des convertisseurs DC/DC de l'invention, illustré sur les figures 4 et 5, comprend : 25 convertisseurs (C1,C2...Cn) élévateur- abaisseur reliés en entrée à une source de tension 11 délivrant ou absorbant de l'énergie, - n inductances Ll, L2...Ln, reliées en entrée à la sortie de chacun de ces convertisseurs Cl, 30 C2...Cn, et en sortie à une source de tension de charge R délivrant ou absorbant de l'énergie, au travers de n liaisons et d'un sommateur 12, - n capteurs de courant 22 disposés sur chacune de ces liaisons, - une chaîne de régulation 18 comprenant : - un sommateur 24 des courants issus des capteurs de courant 22, - un bloc PID disposé en sortie de ce sommateur, - un diviseur 1/n 25 recevant le courant issu de ce sommateur et délivrant un courant moyen, - n comparateurs 26 entre les courants mesurés par les capteurs de courant 22 et le 15 courant moyen, - n éléments 23 de gains proportionnels disposés en sortie de ces n comparateurs, - n sommateurs 27 des sorties de ces 20 n éléments et de la sortie du bloc PID, - Un bloc PWM recevant les sorties de ces n sommateurs et délivrant n canaux entrelacés. Dans le dispositif de l'invention, on régule la valeur moyenne de la somme des courants 25 sortant du dispositif de conversion DC/DC, ce qui ne nécessite qu'une seule chaîne de régulation. L'équilibrage des courants des n convertisseurs de ce dispositif de conversion DC/DC se fait en mesurant ces courants sortant et en les comparant à la valeur 30 moyenne (divisée par n). Ainsi l'écart obtenu est ajouté, via un gain proportionnel, à la commande de la régulation de la valeur moyenne. Ce dispositif permet de n'utiliser qu'une seule chaîne de régulation et de s'assurer de l'équilibrage des courants. Les figures 6 et 6A illustrent une solution testée sur un démonstrateur 500 kW de stockage d'énergie avec des batteries Li-ion et des batteries NaS. L'architecture utilisée correspond à une structure de base comprenant un convertisseur DC/DC 30 et un convertisseur DC/AC 31 situés entre la batterie 32 et le réseau AC 33, des enroulements triphasés 34 et 35 étant disposés en entrée et en sortie, une capacité étant disposée entre un convertisseur DC/DC et un convertisseur DC/AC. Les courbes 36 illustrent les courants de deux des trois convertisseurs DC/DC, et la courbe 37 le courant total. REVENDICATIONS1. Dispositif de régulation et équilibrage des courants pour des convertisseurs DC/DC entre une 5 première et une seconde sources de tension, ce dispositif comprenant : - n convertisseurs (Cl, C2...Cn) reliés en parallèle à la première source de tension (11), - n inductances (L1, L2...Ln), reliées en 10 sortie à la seconde source de tension (R) au travers de n liaisons, - n capteurs de courant (22) disposés sur chacune de ces liaisons, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : 15 - une seule chaîne de régulation reliée en entrée à ces n capteurs de courant (23) et en sortie à ces n convertisseurs (Cl, C2...Cn). 2. Dispositif selon la revendication 1, 20 dans lequel la chaîne de régulation comprend un bloc PID et un bloc PWM. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la chaîne de régulation (28) comprend : 25 un sommateur (24) des courants issus des capteurs de courant (22), - un bloc PID recevant le courant issu de ce sommateur (24), 30 - un diviseur l/n recevant le courant issu du sommateur et délivrant un courant moyen,- n comparateurs (26) entre les courants mesurés par les capteurs de courant (22) et le courant moyen, - n éléments (23) de gain proportionnels 5 disposés en sortie de ces comparateurs, - n sommateurs (27) des sorties de ces n éléments et de la sortie du bloc PID, - un bloc PWM recevant les sorties de ces n sommateurs et délivrant n canaux entrelacés.