Brevet FR3001350A1 — publié le 20140725

La présente invention concerne un convertisseur d'énergie électrique à découpage à entrée en courant. Plus particulièrement elle concerne un convertisseur d'énergie électrique comportant au moins deux sorties isolées électriquement. Une structure d'un tel convertisseur d'énergie électrique d'utilisation généralisée est représentée à la figure 1. Ce convertisseur d'énergie comporte notamment une inductance de puissance 1 connectée en entrée du convertisseur, un étage de redressement 2, un étage à commutation 3 permettant de laisser passer ou non le passage d'énergie vers le primaire d'un premier transformateur 4 et un second étage de redressement 5 auquel est prise une première sortie Output. En outre, une seconde sortie Output2 est générée à partir de la première sortie Output. Pour générer cette seconde sortie Output2, un second étage de commutation 6 est monté au primaire d'un second transformateur, 7 et un troisième étage de rectification 8 est monté en sortie du secondaire du second transformateur 7, la seconde sortie Output2 étant prise à la sortie du troisième étage de redressement. Les étages de commutation fonctionnent selon une fréquence de découpage qui est fonction des niveaux des sorties Output, Output2. Une telle structure de convertisseur d'énergie électrique est 25 encombrante, son volume et son poids étant importants. Le document «Design Review : 140W, Multiple Output High Density DC/DC Converter » propose un convertisseur d'énergie dans lequel l'encombrement est réduit. La solution proposée consiste en l'augmentation de la fréquence de découpage des moyens de commutation dans des étapes 30 d'entrée contrôlant les transformateurs. Néanmoins, l'augmentation de la fréquence de découpage a comme conséquence la réduction des composants de l'étage d'entrée et ne modifie pas l'encombrement des étages de sortie assurant l'isolation électrique des sorties. La présente invention a pour but de proposer une structure de 5 convertisseur d'énergie électrique à découpage permettant de réduire davantage l'encombrement sur l'étage d'entrée et sur les étages de sorties. A cet effet, la présente invention concerne un convertisseur d'énergie électrique à découpage à entrée en courant, comportant au moins un module de conversion générant au moins un premier signal de sortie et un second 10 signal de sortie et comportant : - un transformateur comportant au moins un enroulement primaire et au moins un premier enroulement secondaire et un second enroulement secondaire, - un étage de commutation d'entrée comportant des moyens de 15 commutation d'entrée contrôlant le transfert d'énergie électrique vers le transformateur, et - au moins un premier étage de sortie et un second étage de sortie, - le premier étage de sortie générant le premier signal de sortie et comportant des premiers moyens de redressement, et 20 - le second étage de sortie générant le second signal de sortie et comportant des seconds moyens de redressement et des moyens de commutation de sortie commandant les seconds moyens de redressement ; le niveau du premier signal de sortie réfléchie audit au moins un enroulement primaire du transformateur étant supérieur au niveau du second 25 signal de sortie réfléchie audit au moins un enroulement primaire du transformateur. Une telle structure de convertisseur permet d'augmenter la fréquence de découpage sur le signal d'entrée et sur les signaux de sortie du premier et second étage de sortie, contenant ainsi moins d'éléments passifs de 30 puissance à stockage d'énergie et moins de transformateurs qu'une structure de convertisseur classique. Par conséquent son volume et son poids sont inférieurs par rapport aux structures classiques de convertisseurs d'énergie électrique. En outre, le coût d'une structure de convertisseur selon l'invention est aussi inférieur au coût d'une structure classique. Ainsi, le premier signal de sortie correspond au signal en sortie du premier enroulement secondaire du transformateur redressé par les premiers moyens de redressement, et le second signal de sortie correspond au signal en sortie du second enroulement secondaire du transformateur redressé par les seconds moyens de redressement. Selon une autre caractéristique, le convertisseur comporte au moins un premier et un second module de conversion, les étapes de commutation d'entrée de chaque module de conversion étant connectés en série entre eux et avec une source de courant, chaque module de conversion générant le même nombre de signaux de sortie, les premiers signaux de sortie des modules de conversion étant reliés entre eux et les seconds signaux de sortie des modules de conversion étant reliés entre eux. Ainsi, les premiers signaux de sortie des modules de conversion forment un premier signal de sortie du convertisseur et les seconds signaux de sortie des modules de conversion forment un second signal de sortie du 20 convertisseur. Grâce à la présence d'au moins deux modules de conversion, la fréquence des signaux de sortie est doublée et les courants efficaces sur les composants électriques sont réduits à la fois sur les signaux d'entrée et les signaux de sortie. 25 En outre, plus le nombre de modules de conversion augmente, plus la fréquence des signaux de sortie est élevée et plus les courants efficaces sur les composants électriques sont réduits. Par exemple, la source de courant comporte une inductance de puissance. 30 Selon une caractéristique, des signaux de commande commandant les moyens de commutation d'entrée et les moyens de commutation de sortie dudit premier module de conversion présentent un déphasage prédéterminé par rapport à des signaux de commande commandant les moyens de commutation d'entrée et les moyens de commutation de sortie du second module de conversion. Ainsi, chaque signal de sortie du convertisseur est composé par des 5 signaux de sortie des modules de conversion, un signal de sortie d'un module de conversion étant généré avec un décalage par rapport à un signal de sortie d'un autre module de conversion. Par exemple, le déphasage présente une valeur sensiblement égale à 360° divisée par le nombre de modules de conversion du convertisseur. 10 Avantageusement, l'étage de commutation d'entrée comporte en outre un circuit d'aide à la commutation comportant des composants électriques passifs. Dans un autre exemple, l'étape de commutation d'entrée comporte en outre un circuit d'aide à la commutation comportant des transistors de 15 puissance commandés. De tels circuits permettent de diminuer les pertes de commutation des moyens de commutation associés, augmentant davantage le rendement du convertisseur d'énergie électrique. Selon une caractéristique, le convertisseur comporte au moins un 20 premier condensateur de stockage d'énergie électrique et un second condensateur de stockage d'énergie électrique montés respectivement en sortie des premiers moyens de redressement et des seconds moyens de redressement d'au moins un module de conversion. Selon une autre caractéristique, chaque étage de sortie comporte 25 respectivement une inductance montée en série respectivement avec les moyens de redressement. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs : 30 - la figure 1 illustre une structure de convertisseur d'énergie électrique de l'art antérieur; - la figure 2 illustre une structure de convertisseur d'énergie conforme à un mode de réalisation de l'invention; et - la figure 3 illustre des courbes des signaux électriques dans le convertisseur d'énergie électrique de la figure 2. On va décrire en référence à la figure 2 un convertisseur d'énergie électrique conforme à l'invention. Le convertisseur d'énergie illustré par la figure 2 génère deux signaux de sortie Voun, Vout2, à partir d'un signal Vin à son entrée. Ici, les signaux de sortie Voun , Vota sont des tensions. Bien entendu, un convertisseur d'énergie conforme à l'invention peut générer un nombre de signaux de sortie supérieur. L'exemple décrit comporte deux modules de conversion K1, K2. Dans cet exemple les modules de conversion K1, K2 sont identiques. Chaque module de conversion K1, K2 comporte un transformateur 10 15 comportant un enroulement primaire 11, un premier enroulement secondaire 12 et un second enroulement secondaire 13. Le transformateur 10 génère un premier signal de sortie du transformateur V1 et un second signal de sortie du transformateur V2, le premier signal de sortie du transformateur Vi étant pris au premier enroulement secondaire 12 et le second signal de sortie du 20 transformateur V2 étant pris au second enroulement secondaire 13. Bien entendu, le nombre d'enroulements du transformateur 10 peut être différent. Ainsi, dans d'autres modes de réalisation le nombre d'enroulements secondaires est supérieur à deux. Par conséquent, le nombre de signaux de 25 sorties du transformateur (et du convertisseur) est supérieur à deux et égal au nombre d'enroulements secondaires. Par exemple, dans un mode de réalisation le transformateur comporte un enroulement primaire et quatre enroulements secondaires. Le convertisseur d'énergie électrique comporte alors quatre signaux de sortie. 30 Dans l'exemple décrit, chaque module de conversion K1, K2 comporte en outre un étage de commutation d'entrée 20 comportant des moyens de commutation d'entrée 21. Les étages de commutation d'entrée 20 de chaque module de conversion K1, K2 sont connectés en série entre eux et avec une source de courant lo. Les moyens de commutation d'entrée 21 sont mis en oeuvre au moyen d'un interrupteur de puissance commandé à la fermeture et à l'ouverture, par exemple un IGBT (acronyme du terme anglais « Insulated Gate Bipolar Transistor »), un MOSFET (acronyme du terme anglais « Metal-OxideSemiconductor Field-Effect Transistor ») ou un GTO (acronyme du terme anglais «Gate Turn-Off Thyristor »). Bien entendu, d'autres types de composants peuvent être utilisés comme interrupteur de puissance commandé à la fermeture et à l'ouverture. Les moyens de commutation d'entrée 21 sont aptes à contrôler le transfert d'énergie électrique vers le transformateur 10. Ainsi, ils fonctionnent selon une fréquence de découpage et un rapport cyclique d'entrée qui présentent une valeur qui est fonction des valeurs souhaitées pour le premier signal de sortie du transformateur V1 et le second signal de sortie du transformateur V2 . En outre, chaque module de conversion K1, K2 comporte un premier étage de sortie 30 et un second étage de sortie 40. Le premier étage de sortie 30 est monté en sortie du premier enroulement secondaire 12 du transformateur 10 et comporte des moyens de redressement 31 aptes à redresser le premier signal de sortie du transformateur V1. Ce premier étage de sortie 30 génère le premier signal de sortie \fun. Le second étage de sortie 40 est monté en sortie du second enroulement secondaire 13 du transformateur 10 et comporte des seconds moyens de redressement 41 aptes à redresser le second signal de sortie du transformateur V2, ainsi que des moyens de commutation de sortie 42 aptes à commander les seconds moyens de redressement 41. Le second étage de sortie 40 génère le second signal de sortie Vout2. Les moyens de commutation de sortie 42 sont mises en oeuvre au moyen d'un interrupteur de puissance commandé à la fermeture et ouvrable lorsque le courant le traversant est sensiblement nul. Un tel interrupteur de puissance peut être par exemple un SCR 5 (acronyme du terme anglais « Silicon Controlled Rectifier ») ou un transistor commandé fonctionnant comme un thyristor comme par exemple un « IGBT » ou un « MOFSET ». Bien entendu, d'autres types de composant peuvent être utilisés comme interrupteur de puissance commandé à la fermeture et ouvrable 10 naturellement lorsque le courant le traversant est nul. Les moyens de commutation de sortie 42 fonctionnent selon une fréquence de découpage de sortie présentant une valeur qui est fonction de la valeur souhaitée pour le second signal de sortie Voutz. Dans cet exemple, les premiers moyens de redressement 31 et les 15 seconds moyens de redressement 41 comportent respectivement au moins une première diode A et une seconde diode B. Dans cet exemple, un premier condensateur de stockage d'énergie électrique Cl et un second condensateur de stockage d'énergie électrique C2 sont montés respectivement en sortie des premiers moyens de redressement 20 31 et des seconds moyens de redressement 41 du premier module de conversion Kl. Dans le mode de réalisation décrit, les premiers signaux de sortie de chaque module de conversion Kl, K2 sont reliés entre eux. Des premiers courants de sortie Iii, 121 de chaque premier étage de 25 redressement 30 de chaque module de conversion K1, K2 sont donc additionnés pour former un premier courant de sortie li du convertisseur. Dans le mode de réalisation décrit, les seconds signaux de sortie de chaque module de conversion Kl, K2 sont aussi reliés entre eux. Des seconds courants de sortie 112, 122 de chaque second étage de 30 redressement 40 sont donc additionnés pour former un second courant de sortie 12 du convertisseur. Ces courants sont montrés sur la figure 3. La tension en entrée du convertisseur Vir, est divisée en deux signaux d'entrée U1, U2 adressés aux premier et second modules de conversion Kl, K2 respectivement. La période de découpage Tn des signaux d'entrée U1, U2 est 5 représentée sur la figure 3. Sur cette période de découpage Tn, une première fraction T1 correspond à la génération du premier signal de sortie Vout1 et une seconde fraction T2 correspond à la génération du second signal de sortie Vout2. Ainsi, dans cet exemple, la première fraction T1 de la période de découpage Tn est responsable de la génération des premiers courants de 10 sortie 111, 121 et la seconde fraction T2 est responsable de la génération des second courants de sortie 121, 122. La valeur moyenne du premier courant de sortie 11 du convertisseur est supérieure aux valeurs moyennes des premiers courants de sortie lm 121 de chaque premier étage de redressement 30. De la même manière, la valeur 15 moyenne du second courant de sortie 12 du convertisseur est supérieure aux valeurs moyennes des seconds courants de sortie 121, 122 de chaque second étage de redressement 40. Par conséquent, la valeur de la fréquence des signaux de sortie est doublée par rapport à celle d'une structure classique et les courants efficaces sont réduits dans les interrupteurs de puissance et dans les 20 composants passifs comme les condensateurs de stockage d'énergie électrique C1, C2 et l'inductance d'entrée (non représentée) mettant en oeuvre la source de courant 10. Ainsi, la taille des condensateurs de stockage d'énergie électrique C1, C2 situés respectivement en sortie desdits premiers moyens de 25 redressement 31 et des seconds moyens de redressement 41 peut être diminuée. En outre, la taille de l'inductance d'entrée réalisant la source de courant 10 disposée en série avec les modules de conversion K1, K2 est diminuée. 30 Ceci contribue à la diminution de l'encombrement d'une structure de convertisseur conforme à l'invention. Comme illustré à la figure 3, les signaux d'entrée Ui, U2 présentent un déphasage de 180°, c'est-à-dire de la moitié d'une période de découpage Tn. Cette valeur de déphasage correspond à 360° divisé par le nombre de modules de conversion, ici 2. Ainsi, la somme instantanée des signaux d'entrée U1, U2 permet de réduire la composante efficace appliquée aux bornes de l'inductance d'entrée mettant en oeuvre la source de courant lo. Dans le mode de réalisation décrit, l'étage de commutation 20 comporte en outre un circuit d'aide à la commutation. Un exemple de circuit d'aide à la commutation est par exemple le circuit passif d'aide à la commutation décrit dans le document FR2972317A. Bien entendu, d'autres circuits d'aide à la commutation peuvent être employés. Le circuit d'aide à la commutation permet de diminuer les surtensions 15 aux bornes des moyens de commutation d'entrée 21 et de diminuer les pertes dues à sa commutation. Dans un mode de réalisation, chaque étage de sortie 30, 40 comporte une inductance L1, L2. Dans l'exemple décrit, le premier étage de sortie 30 comporte une 20 première inductance L1 montée entre le premier enroulement secondaire 12 et les premiers moyens de redressement 31, et le second étage de sortie 40 comporte une seconde inductance L2 montée entre le second enroulement secondaire 13 et les seconds moyens de redressement 41. La présence des première et seconde inductances L1, L2 permet 25 d'étaler respectivement le premier courant de sortie 111 et le second courant de sortie 112 sur une période plus longue. Ainsi, la valeur efficace des courants de sortie 111, 112 est inférieure que dans le cas d'une topologie classique et le rendement du convertisseur d'énergie est augmenté. Dans d'autres modes de réalisation, le nombre de modules de 30 conversion K1, K2 est différent. On va décrire ensuite le fonctionnement du convertisseur d'énergie électrique représenté à la figure 2. On notera que la valeur du premier signal de tension de sortie Voutt réfléchie au primaire du transformateur 10, c'est-à-dire ramenée côté primaire du transformateur 10 (ml* Vout1, ml étant le rapport de transformation du premier enroulement secondaire 12) est supérieure à la valeur du second signal de tension de sortie Vout2 réfléchie au primaire du transformateur 10, c'est-à-dire ramenée côté primaire du transformateur 10 (m2* Vota, m2 étant le rapport de transformation du second enroulement secondaire 13). Ainsi, lorsqu'une tension de sortie V1 du premier enroulement secondaire 12, ramenée côté primaire du transformateur 10, présente une 10 valeur telle que la première diode A est en état de conduction. Les moyens de commutation de sortie 42 étant en état ouvert, l'énergie de la source de courant lo traversant le transformateur 10 du premier module de conversion K1 est alors transférée dans le premier condensateur de stockage d'énergie électrique C1, sur la première fraction T1 de la période de 15 découpage Tn. Ainsi, pendant cette première fraction Ti, le premier signal de sortie Voie est généré et réfléchi ou ramené côté primaire du transformateur 10 (ml* Vooti), ainsi qu'aux bornes du second enroulement secondaire 13. Lorsque les moyens de commutation de sortie 42 passent en état 20 fermé, le second signal de sortie Vota est appliqué aux bornes du second enroulement secondaire 13, étant aussi réfléchi sur l'enroulement primaire 11 et le premier enroulement secondaire 12. Dès lors que le signal de tension réfléchie aux bornes du second enroulement secondaire 13 est inférieur au signal de tension aux bornes du 25 premier enroulement primaire 11, le courant dans la première diode A et dans la première inductance Ll décroît et le courant dans la seconde diode B et dans la seconde inductance L2 croît. L'énergie de la source de courant 10 est alors partagée entre les deux sorties. 30 La valeur des première et seconde inductances L1, L2 est choisie de façon à ce que la valeur moyenne du premier courant de sortie 11 et du second courant de sortie 12 soit une valeur entière à chaque période de découpage Tn. Lorsque le courant traversant la première diode A est nul, la totalité de l'énergie de la source de courant lo est canalisée par la seconde diode B et les moyens de commutation de sortie 42 pour charger le second condensateur de stockage d'énergie C2. Ainsi, le second signal de sortie Vota est généré pendant la seconde fraction T2 de la période de découpage Tn. La tension réfléchie du côté primaire du transformateur 10 est alors égale à Voutem2. Cette tension est inférieure à la tension réfléchie (Vouti*m1) du côté primaire du transformateur 10 pendant la première fraction T1. Cette différence entre la tension réfléchie du côté primaire du transformateur 10 pendant la première et la seconde fraction T1, T2 est représentée sur la figure 3 sur le graphe correspondant aux signaux d'entrée Ui et U2 respectivement aux instants TU1a et TU2a. Lorsque les moyens de commutation d'entrée 21 sont en état fermé, l'enroulement primaire 11 du transformateur 10 est court-circuité et canalise la totalité du courant issue de la source de courant Io. Ainsi, la tension réfléchie sur les premier et second enroulements secondaires 12, 13 est nulle. A ce moment, le courant stocké dans la seconde inductance L2 se décharge dans le second condensateur de stockage d'énergie C2 via l'enroulement primaire 11 court-circuité par les moyens de commutation d'entrée 21. De ce fait, les pertes dues à la commutation lors de la fermeture des moyens de commutation d'entrée 21 sont réduites. Ainsi, le rendement du convertisseur d'énergie électrique est amélioré. Lorsque le courant dans les moyens de commutation de sortie 42 devient sensiblement égal à 0, les moyens de commutation de sortie 42 s'ouvrent naturellement sans générer des pertes joules. Les moyens de commutation d'entrée 21 restent fermés sur une troisième fraction T3 de la période de découpage Tn afin de garantir une tension 30 moyenne nulle aux bornes de la source de courant lo sur une période de découpage Tn. Ainsi, le premier module de conversion K1 ne fournit plus d'énergie pour la génération du premier signal de sortie Vout1 et du second signal de sortie Vout2, le second module de conversion K2 étant le seul à réaliser le transfert d'énergie. A la fin de la troisième fraction T3, les moyens de commutation d'entrée 21 s'ouvrent afin de favoriser la conduction de la première diode A et recommencer une nouvelle période de découpage Tn. Dans l'exemple décrit ci-dessus, le fonctionnement du second module de conversion K2 est identique au fonctionnement du premier module 10 de conversion K1. De la même façon, lorsque le nombre de modules de conversion est k, le fonctionnement des k modules de conversion K1, K2, ..., Kk est identique. On notera que lorsque le nombre de modules de conversion K1, K2 augmente, la fréquence des signaux de sortie augmente et les courants 15 efficaces sont réduits. Par conséquent, l'encombrement du convertisseur diminue et son rendement augmente. Dans un autre mode de réalisation, les modules de conversion K1, K2 ne sont pas identiques. Ainsi, par exemple, les modules de conversion génèrent des signaux de sortie en nombre différent. 20 REVENDICATIONS1. Convertisseur d'énergie électrique à découpage à entrée en courant, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un module de conversion (K1, K2) générant au moins un premier signal de sortie (Vouti) et un second signal de sortie (Vout2) et comportant : - un transformateur (10) comportant au moins un enroulement primaire (11) et au moins un premier enroulement secondaire (12) et un second enroulement secondaire (13), - un étage de commutation d'entrée (20) comportant des moyens de commutation d'entrée (21) contrôlant le transfert d'énergie électrique vers ledit transformateur (10), et - au moins un premier étage de sortie (30) et un second étage de sortie (40), - ledit premier étage de sortie (30) générant le premier signal de sortie (Vouti) et comportant des premiers moyens de redressement (31), et - ledit second étage de sortie (40) générant le second signal de sortie (Vout2) et comportant des seconds moyens de redressement (41) et des moyens de commutation de sortie (42) commandant lesdits seconds 20 moyens de redressement (41); et en ce que le niveau du premier signal de sortie (VDei) réfléchie audit au moins un enroulement primaire (11) du transformateur (10) est supérieur au niveau du second signal de sortie (Vout2) réfléchie audit au moins un enroulement primaire (11) du transformateur (10). 25 2. Convertisseur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins des premier et second modules de conversion (K1, K2), les étapes de commutation d'entrée de chaque module de conversion (K1, K2) étant connectées en série entre eux et avec une source de courant (le), chaque module de conversion générant le même nombre de signaux de sortie, 30 lesdits premiers signaux de sortie des modules de conversion (K1, K2) étant reliés entre eux et lesdits seconds signaux de sortie de chaque module de conversion (K1, K2) étant reliés entre eux. 3. Convertisseur conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque étage de sortie (30, 40) comporte respectivement une inductance (L1, L2) montée en série respectivement avec les moyens de redressement (31, 41). 4. Convertisseur conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que ladite source de courant (10) comporte une inductance de puissance. 5. Convertisseur conforme à l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que des signaux de commande commandant les moyens de commutation d'entrée (20) et les moyens de commutation de sortie (42) dudit premier module de conversion (K1) présentent un déphasage prédéterminé par rapport à des signaux de commande commandant les moyens de commutation d'entrée (20) et les moyens de commutation de sortie (42) dudit second module de conversion (K2). 6. Convertisseur conforme à la revendication 5, caractérisé en ce 15 que le déphasage présente une valeur sensiblement égale à 360° divisée par le nombre de modules de conversion (K1, K2) du convertisseur. 7. Convertisseur conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étage de commutation d'entrée (20) comporte en outre un circuit d'aide à la commutation comportant des composants passifs. 20 8. Convertisseur conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier condensateur de stockage d'énergie électrique (C1) et un second condensateur de stockage d'énergie électrique (C2) montés respectivement en sortie desdits premiers moyens de redressement (31) et desdits seconds moyens de redressement 25 (41) d'au moins un module de conversion (K1, K2).