Brevet FR3004602A1 — publié le 20141017

CONVERTISSEUR DE TENSION ET PROCÉDÉ DE CONVERSION DE TENSION Description La présente invention concerne un convertisseur de tension et un procédé de conversion de tension. La thèse intitulée « Investigation of Multiphase Coupled-Inductor Buck Converters in Point-of-Load Applications » de Yan Dong, datée du 24 juillet 2009, et déposée auprès de la « Faculty of the Virginia Polytechnic Institute » et de la « State University » décrit, sur la figure 1.26 (b) : un système de bobines couplées comportant au moins trois bobines présentent chacune deux bornes, et un noyau magnétique de couplage des bobines, et un système de commutation destiné, pour chaque bobine, à alternativement provoquer un stockage d'énergie dans la bobine par la réception par une borne de la bobine d'un courant en provenance de la borne d'entrée, et une restitution, à la borne de sortie, d'énergie stockée. Plus précisément, dans cette publication, le noyau magnétique comporte deux plaques parallèles reliées entre elles par des entretoises transversales autour desquelles les bobines sont enroulées. Le système de bobines couplées décrit dans la thèse précédente présente comme inconvénient de nécessiter des épaisseurs de plaques importantes, car les flux magnétiques générés par les bobines s'additionnent dans ces plaques. Ainsi, un convertisseur de tension utilisant ce système de bobines couplées présenterait un encombrement important. Afin de résoudre au moins en partie cet inconvénient, il est proposé un convertisseur de tension, comportant : une borne d'entrée destinée à être connectée à une source électrique pour présenter une tension d'entrée, une borne de sortie destinée à être connectée à un condensateur de sortie pour présenter une tension de sortie, un système de bobines couplées comportant : + au moins trois bobines présentent chacune deux bornes, + un noyau magnétique de couplage des bobines, un système de commutation destiné, pour chaque bobine, à alternativement provoquer un stockage d'énergie dans la bobine par la réception par une borne de la bobine d'un courant en provenance de la borne d'entrée, et une restitution, à la borne de sortie, d'énergie stockée, caractérisé en ce que le noyau magnétique comporte au moins une boucle fermée de guidage de flux magnétique, autour de laquelle les bobines sont successivement enroulées, les bobines (118n) étant telles que les courants en provenance de la borne d'entrée parcourent les bobines dans des sens de rotation autour de la boucle fermée alternant d'une bobine à la suivante. De façon optionnelle, les sens d'enroulement alternent d'une bobine à la suivante. De façon optionnelle également, les sens d'enroulement sont tous les mêmes. De façon optionnelle également, chaque boucle fermée comporte : - une barre centrale autour de laquelle les bobines sont enroulées ; - une barre latérale contournant les bobines ; et - des barres d'extrémité contournant également les bobines et reliant respectivement les extrémités de la barre centrale aux extrémités de la barre latérale. De façon optionnelle également, la barre centrale est commune à toutes les boucles fermées. De façon optionnelle également, le noyau magnétique comporte en outre, pour chaque boucle fermée, des barres transversales reliant la barre centrale à la barre latérale et séparant les bobines les unes des autres. De façon optionnelle également, chaque boucle fermée présente une réluctance au moins dix fois plus grande que la réluctance des barres transversales. De façon optionnelle également, la barre centrale est munie d'au moins un entrefer. De façon optionnelle également, les barres transversales présentent une section plus faible que la section de la barre centrale. De façon optionnelle également, le convertisseur de tension est destiné à fournir une tension de sortie plus élevée que la tension d'entrée. De façon optionnelle également, le convertisseur de tension comporte un nombre pair de bobines, et, les bobines étant rangées dans leur succession le long de chaque boucle fermée depuis une première bobine jusqu'à une dernière bobine, le système de commutation est destiné à faire s'alterner une première phase dans laquelle les bobines de rang impair stockent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair fournissent de l'énergie, et une seconde phase dans laquelle les bobines de rang impair restituent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair stockent de l'énergie. Il est également proposé un procédé de conversion de tension, comportant : l'obtention d'un convertisseur de tension, comportant : + une borne d'entrée destinée à être connectée à une source électrique pour présenter une tension d'entrée ; + une borne de sortie destinée à être connectée à un condensateur de sortie pour présenter une tension de sortie ; + un système de bobines couplées comportant : * au moins trois bobines, et un noyau magnétique de couplage des bobines, comportant au moins une boucle fermée de guidage de flux magnétique autour de laquelle les bobines sont successivement enroulées, l'alternance, pour chaque bobine : + d'un stockage d'énergie par la réception par une borne de la bobine d'un courant en provenance de la borne d'entrée, et + d'une restitution, à la borne de sortie, d'énergie stockée, les courants en provenance de la borne d'entrée parcourant les bobines dans des sens de rotation autour de la boucle fermée alternant d'une bobine à la suivante. Un exemple de réalisation de l'invention va à présent être décrit en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : la figure 1 est une vue simplifiée de dessus d'un convertisseur de tension mettant en oeuvre l'invention ; la figure 2 est une vue simplifiée de dessus d'un noyau magnétique du convertisseur de tension de la figure 1 ; la figure 3 est une vue de dessus d'un élément servant à former le noyau magnétique de la figure 2 ; et la figure 4 est un schéma-blocs illustrant les étapes d'un procédé de conversion de tension mis en oeuvre par le convertisseur de tension de la figure 1 ; - la figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 2, illustrant des flux magnétiques dans le noyau magnétique ; et - la figure 6 est un ensemble de deux graphes illustrant l'évolution du courant parcourant des bobines du convertisseur de tension de la figure 1. En référence à la figure 1, un convertisseur de tension 100 mettant en oeuvre l'invention va à présent être décrit. Dans l'exemple décrit, le convertisseur de tension 100 est un élévateur de tension (appelé en anglais « boost converter », ou bien « step-up converter »), destiné à recevoir une tension continue d'entrée V, et à fournir une tension continue de sortie Vc,' plus grande que la tension continue d'entrée V,. Le convertisseur de tension 100 comporte tout d'abord un système 102 de bobines couplées. Le système 102 comporte tout d'abord un noyau magnétique 104. Dans l'exemple décrit, le noyau magnétique 104 est en matériau ferromagnétique. Le noyau magnétique 104 comporte tout d'abord une barre centrale 108. Dans le cadre la présente invention, le terme « barre » regroupe tous les éléments globalement allongés, par exemple une tige ou même une plaque. Dans l'exemple décrit, la barre centrale 108 est rectiligne et de section rectangulaire. Le noyau magnétique 104 comporte en outre des première et seconde barres latérales 110, 112, situées sur deux côtés de la barre centrale 108. Dans l'exemple décrit, les première et seconde barres latérales 110, 112 sont rectilignes et de section également rectangulaire, et s'étendent parallèlement à la barre centrale 108. Le noyau magnétique 104 comporte en outre des première et seconde barres d'extrémité 114, 116. La première barre d'extrémité 114 relie une extrémité de la barre centrale 108 avec les extrémités des barres latérales 110, 112 situées du même côté, tandis que la seconde barre d'extrémité 116 relie l'autre extrémité de la barre centrale 108 avec les autres extrémités des barres latérales 110, 112, situées de l'autre côté. Dans l'exemple décrit, les première et seconde barres d'extrémité 114, 116 rectilignes et de section également rectangulaire, et s'étendent perpendiculairement à la barre centrale 108. Le noyau magnétique 104 comporte en outre N-1 (N étant supérieur ou égal à trois, et de préférence pair - dans l'exemple décrit, N est égal à quatre) paires de barres transversales 120,, 122, (m variant de 1 à N-1). Les barres transversales 120,, 122, de chaque paire relient ensemble la barre centrale 108 avec respectivement la première barre latérale 110 et la seconde barre latérale 112. Dans l'exemple décrit, les barres transversales 120,n, 122n, sont rectilignes et de section rectangulaire, qui s'étendent perpendiculairement à la barre centrale 108. Le système 102 comporte en outre N bobines 118' (N étant supérieur ou égal à trois, et n variant de 1 à N) successivement enroulées autour de la barre centrale 108 et contournées par les première et seconde barres d'extrémité 114, 116 et les première et seconde barres latérales 110, 112. Comme cela en connu en soi, chaque bobine 118' présente deux bornes définies par le sens d'enroulement de la bobine : une borne de départ d'enroulement et une borne de fin d'enroulement. Dans l'exemple décrit, les sens d'enroulement des bobines 118' alternent d'une bobine à la suivante dans leur succession. Ainsi, la barre centrale 108, les première et seconde barres d'extrémité 114, 116 et les première et seconde barres latérales 110, 112 définissent deux boucles fermées traversant toutes les bobines 118' et destinées à guider du flux magnétique. Une boucle fermée est un chemin défini par le noyau magnétique 104 qui revient à son point de départ sans passer deux fois dans un même tronçon du noyau magnétique 104. En outre, les barres transversales 120,n, 122n, sont intercalées entre les bobines 118', de sorte que chaque bobine 118' est séparée de la suivante le long de la barre centrale 108 par une paire de barres transversales 120,n, 122,n. Ainsi, les barres transversales 120,n, 122n, définissent des chemins de fuite de flux magnétique entre les bobines 118'. Le convertisseur de tension 100 comporte en outre une borne de masse 124 connectée à une masse électrique 126 et une borne d'entrée 128 destinée à présenter une tension d'entrée V, par rapport à la masse électrique 126. Le convertisseur de tension 100 comporte en outre une source électrique 130 connectée aux bornes 124, 128 pour appliquer la tension d'entrée V, à la borne d'entrée 128 par rapport à la borne de masse 124. Dans l'exemple décrit, la source électrique 130 est une source de tension continue. La borne d'entrée 128 est en outre reliée à une première borne de chaque bobine 118'. Dans l'exemple décrit, la borne d'entrée 128 est reliée aux bornes de départ d'enroulement des bobines 118'. Ainsi, grâce au sens d'enroulement alternés des bobines, les courants en provenance de la borne d'entrée 128 parcourent les bobines 118' dans des sens de rotation autour de la barre centrale 108 alternant d'une bobine à la suivante suivant leur succession. Cette alternance est représentée sur la figure 1 par des flèches de directions opposées sur les bobines 118'. Le convertisseur de tension 100 comporte en outre un condensateur de sortie 132 présentant une première borne 134 connectée à la masse électrique 126 et une seconde borne 136, appelée borne de sortie, destinée à présenter la tension de sortie V,',' par rapport à la première borne 134. Le convertisseur de tension 100 comporte en outre un système de commutation 138 destiné, pour chaque bobine 118', à alternativement provoquer, d'une part, un stockage d'énergie dans la bobine 118' par la réception par la borne de la bobine 118' connectée à la borne d'entrée 128 d'un courant en provenance de la borne d'entrée 128, et, d'autre part, une fourniture d'énergie stockée dans la bobine 118' par la fourniture d'un courant vers la borne de sortie 136. Dans l'exemple décrit, le système de commutation 138 comporte tout d'abord, pour chaque bobine 118', un premier interrupteur commandé 140' reliant la borne de la bobine 118' non connectée à la borne d'entrée 128, à la borne de sortie 136. Le système de commutation 138 comporte en outre, pour chaque bobine 118', un second interrupteur commandé 142' reliant la borne de la bobine 118' non connectée à la borne d'entrée 128, à la masse électrique 126. Le système de commutation 138 comporte en outre un dispositif 144 de commande des interrupteurs 140', 142'. Le dispositif de commande 144 est destiné, pour chaque bobine 118', à alternativement ouvrir le premier interrupteur commandé 140' et fermer le second 142', puis ouvrir le second interrupteur commandé 142' et fermer le premier 140'. Dans la première configuration, la bobine 118' fournit de l'énergie au condensateur de sortie 132, et dans la seconde configuration, la bobine 118' stocke de l'énergie depuis la source de tension 144. En référence à la figure 2, les boucles fermées sont représentées par des pointillés et portent respectivement les références 202 et 204. Par ailleurs, chaque barre transversale 120,n, 122n, présente une valeur de réluctance r entre la barre centrale 108 et respectivement les première et seconde barres latérales 110, 112. En outre, dans l'exemple décrit, les deux boucles fermées 202, 204 présentent une même valeur de réluctance R. De préférence, la valeur de réluctance R est au moins dix fois plus élevée que la valeur de réluctance r. Dans l'exemple décrit, ceci est tout d'abord obtenu en prévoyant une section des barres transversales 120,n, 122n, inférieure à la section de la barre centrale 108, des barres d'extrémité 114, 116 et des barres latérales 110, 112. En outre, la barre centrale 108 est pourvue d'entrefers 206, c'est-à-dire de coupures de matières d'une taille de préférence inférieure à un centimètre. Comme les barres transversales 120,n, 122n, présentent une réluctance r plus petite que les autres éléments du noyau magnétique 104, ces barres transversales120'' 122m saturent magnétiquement pour des valeurs plus faibles de flux magnétique que les boucles fermées 202, 204. En référence à la figure 3, un élément 300 du noyau magnétique 104 va à présent être décrit. Bien évidemment, dans d'autres modes de réalisations, d'autres formes d'élément pourraient être utilisées. L'élément 300 est en forme de E et comporte une base 302 et trois bras 304, 306, 308 parallèles s'étendant depuis la base 302. Le bras central 306 peut être un peu plus court que les deux autres l'entourant. Plusieurs éléments comme l'élément 300 sont empilés pour former le noyau magnétique 104 : la base 302 de chaque élément forme soit la barre d'extrémité 116, soit un tronçon de la barre centrale 108 et une paire de barres transversales, le bras central 306 forme un tronçon de la barre centrale 108, et les autres bras 304, 308 forment des tronçons des barres latérales 110, 112. Les bras 304, 308 sont destinés à venir au contact soit de la base 302 de l'élément 300 suivant de l'empilement, soit de la barre d'extrémité 114. Lorsque le bras central 306 est plus court que les deux autres, un entrefer est formé dans l'empilement entre le bras central 306 et soit la base 302 de l'élément suivant, soit la barre d'extrémité 114. En référence à la figure 4, un procédé 400 de conversion de tension mettant en oeuvre l'invention va à présent être décrit. Au cours d'une étape 402, le dispositif de commande 144 commande les interrupteurs 140', 142' dans la configuration de stockage d'énergie (interrupteurs 140' ouverts, interrupteurs 142' fermés). Au cours d'une étape 404, toutes les bobines 118' reçoivent donc du courant depuis la source électrique 130 de manière croissante, et un flux magnétique correspondant apparaît dans le noyau magnétique 104. Plus précisément, chaque bobine 118' crée, dans chaque tronçon du noyau magnétique 104, un flux magnétique. Ainsi, dans l'exemple décrit, chaque tronçon du noyau magnétique 104 est parcouru par quatre flux magnétique, un pour chaque bobine 118'. Or, grâce à l'alternance, d'une bobine à la suivante, des sens des courants parcourant les bobines 118' (qui résulte des sens d'enroulement des bobines 118', choisis judicieusement en fonction des bornes des bobines 118' connectées à la borne d'entrée 128), les flux magnétiques sont alternativement dans un sens de rotation et dans l'autre. Ainsi, dans la barre centrale 108, les barres latérales 110, 112 et les barres d'extrémité 116, 114, les flux magnétiques se compensent au moins en partie (voir par exemple la zone Z de la barre latérale 112 sur la figure 5), de sorte que le champ résultant reste faible. Ainsi, le système 102 présente une inductance apparente faible. Comme la résultante de flux magnétique reste faible, il est possible d'utiliser une section faible pour les barres 108, 110, 112, 114, 116, ce qui permet de réduire l'encombrement du système 102. En revanche, le phénomène de compensation est moins marqué dans les barres transversales 120,n, 122n, car, à ces endroits, les flux magnétiques générés par les deux bobines 118' les plus proches, c'est-à-dire les deux bobines 118' entourant chaque paire de barres transversales 120,n, 122n, sont de même sens et donc s'additionnent. Ainsi, au cours d'une étape 406, les barres transversales 120,n, 122n, saturent magnétiquement de sorte que leur réluctance devient très élevée. Comme ces barres transversales sont entourées par les autres parties du noyau magnétique 104 qui ne saturent pas, les rayonnements vers l'extérieur du système 102, induits par ces saturations, restent modérés. Au cours d'une étape 408, le dispositif de commande 144 bascule les interrupteurs 140', 142' d'une configuration à l'autre, de sorte que chaque bobine 118' stocke de l'énergie, puis la restitue. De préférence, comme cela est représenté sur la figure 6, les basculements sont opposés d'une bobine à la suivante (déphasage de 7C entre chaque bobine), de sorte que lorsqu'une bobine est dans une configuration, la bobine suivante est dans l'autre configuration. Ainsi, les bobines 118' étant rangées dans leur succession le long de chaque boucle fermée 202, 204 depuis une première bobine 1184 jusqu'à une dernière bobine 1184, dans une première phase, les bobines de rang impair 1184, 1183 stockent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair 1182, 1184 fournissent de l'énergie, et, dans une seconde phase, les bobines de rang impair 1184, 1183 restituent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair 1182, 1184 stockent de l'énergie. Toujours en référence à la figure 6, le courant I(n) parcourant chaque bobine 118' présente donc une composante Im continue (composante dite « de mode commun »), qui est en théorie la même pour toutes les bobines, et une composante oscillante i(n) variant autour de zéro. Il sera noté que la figure 6 n'est pas complètement fidèle à la réalité puisque chaque courant oscillant i(n) devrait présenter plusieurs pentes, en fonction de l'état des autres bobines (en stockage d'énergie ou en restitution d'énergie). À un instant donné, les signes des composantes oscillantes i(n) sont de signes alternés : une sur deux est positive (c'est-à-dire que le courant I(n) est plus grand que sa composante de mode commun Im) et une sur deux est négative (c'est-à-dire que le courant I(n) est plus petit que sa composante de mode commun Im). Cette alternance compense, au moins un partie, l'alternance des sens de rotations des courants dans les bobines 118', de sorte que les flux magnétiques ne sont plus alternés comme à l'étape 402. Ainsi, les flux magnétiques s'additionnent le long des boucles fermées 202, 204 du noyau magnétique 104. Le flux magnétique résultant est donc élevé, ce qui entraîne une inductance apparente élevée pour les composantes oscillantes i(n). Ainsi, malgré la réduction de l'encombrement du système 102 indiqué plus haut, le système 102 reste performant. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit précédemment, mais définie par les revendications qui suivent. Par exemple, si les courants en provenance de la borne d'entée sont reçus alternativement, d'une bobine à la suivante, par la borne de début d'enroulement et par la borne de fin d'enroulement des bobines, ces dernières seraient alors enroulées selon des sens d'enroulement identiques autour de la ou des boucle fermées. Par exemple également, le noyau ferromagnétique pourrait ne comporter qu'une seul barre latérale, et non deux, et définir ainsi une seule boucle fermée. Par exemple également, les barreaux transversaux pourraient être omis. En outre, le déphasage entre des bobines successives pourrait être d'une autre valeur que 7C. Le déphasage peut avoir une valeur adaptée à la conception du convertisseur pour permettre une inductance apparente, en particulier non négligeable, et/ou minimiser les pertes. REVENDICATIONS1. Convertisseur (100) de tension, comportant : une borne d'entrée (128) destinée à être connectée à une source électrique (130) pour présenter une tension d'entrée (V,'), une borne de sortie (136) destinée à être connectée à un condensateur de sortie (132) pour présenter une tension de sortie (Vout), un système (102) de bobines couplées comportant : + au moins trois bobines (118') présentent chacune deux bornes, + un noyau magnétique (104) de couplage des bobines (118'), un système de commutation (138) destiné, pour chaque bobine (1 1 8'), à alternativement provoquer un stockage d'énergie dans la bobine (118') par la réception par une borne de la bobine (118') d'un courant en provenance de la borne d'entrée (128), et une restitution, à la borne de sortie (136), d'énergie stockée, caractérisé en ce que le noyau magnétique (104) comporte au moins une boucle fermée (202 ; 204) de guidage de flux magnétique, autour de laquelle les bobines (118') sont successivement enroulées, les bobines (118') étant telles que les courants en provenance de la borne d'entrée (128) parcourent les bobines (118') dans des sens de rotation autour de la boucle fermée (202 ; 204) alternant d'une bobine (118') à la suivante. 2. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 1, dans lequel les sens d'enroulement alternent d'une bobine (118') à la suivante. 3. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 1, dans lequel les sens d'enroulement (118') sont tous les mêmes. 4. Convertisseur (100) de tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque boucle fermée (202 ; 204) comporte : une barre centrale (108) autour de laquelle les bobines (118') sont enroulées, une barre latérale (110 ; 112) contournant les bobines (118'),des barres d'extrémité (114, 116) contournant également les bobines (118') et reliant respectivement les extrémités de la barre centrale (108) aux extrémités de la barre latérale (110 ; 112). 5. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 4, dans lequel la barre centrale (108) est commune à toutes les boucles fermées (202 ; 204). 6. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le noyau magnétique (104) comporte en outre, pour chaque boucle fermée (202 ; 204), des barres transversales (120,,, ; 122,n) reliant la barre centrale (108) à la barre latérale (110 ; 112) et séparant les bobines (118') les unes des autres. 7. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 4 ou 5, dans lequel chaque boucle fermée (202 ; 204) présente une réluctance (R) au moins dix fois plus grande que la réluctance (r) des barres transversales (120m, 122m). 8. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 7, dans lequel la barre centrale (108) est munie d'au moins un entrefer. 9. Convertisseur (100) de tension selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les barres transversales (120m, 122m) présentent une section plus faible que la section de la barre centrale (108). 10. Convertisseur (100) de tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, destiné à fournir une tension de sortie (V,',') plus élevée que la tension d'entrée (V,'). 11. Convertisseur (100) de tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comportant un nombre pair de bobines (118'), et dans lequel, les bobines (118') étant rangées dans leur succession le long de chaque boucle fermée (202 ; 204) depuis une première bobine (1184) jusqu'à une dernière bobine (1184), le système de commutation (138) est destiné à faire s'alterner une première phase dans laquelle les bobines de rang impair (1184, 1183) stockent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair (1182, 1184) fournissent de l'énergie, et une seconde phase dans laquelle les bobines de rang impair(1184, 1183) restituent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair (1182, 1184) stockent de l'énergie. 12. Procédé (400) de conversion de tension, comportant : l'obtention d'un convertisseur (100) de tension, comportant : + une borne d'entrée (128) destinée à être connectée à une source électrique (130) pour présenter une tension d'entrée (V,') ; + une borne de sortie (136) destinée à être connectée à un condensateur de sortie (132) pour présenter une tension de sortie (Vo't) ; + un système (102) de bobines couplées comportant : au moins trois bobines (118'), et un noyau magnétique (104) de couplage des bobines (118'), comportant au moins une boucle fermée (202 ; 204) de guidage de flux magnétique autour de laquelle les bobines (118') sont successivement enroulées, l'alternance (408), pour chaque bobine (118') : + d'un stockage d'énergie par la réception par une borne de la bobine (118') d'un courant en provenance de la borne d'entrée (128), et + d'une restitution, à la borne de sortie (136), d'énergie stockée, les courants en provenance de la borne d'entrée (128) parcourant les bobines (118') dans des sens de rotation autour de la boucle fermée (202 ; 204) alternant d'une bobine (118') à la suivante.