Brevet FR3019406A1 — publié le 20151002

CONVERTISSEUR DE TENSION POUR UNE MACHINE ELECTRIQUE EMBARQUEE DANS UN VEHICULE La présente invention concerne un convertisseur de tension pour une machine électrique embarquée dans un véhicule. En particulier, l'invention concerne un convertisseur de tension continue/alternatif pour alimenter un moteur électrique d'un compresseur de climatisation embarqué dans un véhicule. L'invention concerne aussi un compresseur pour fluide réfrigérant embarqué dans un véhicule. On connait un compresseur de climatisation embarqué dans un véhicule, notamment pour refroidir un habitacle. Le document FR2814783A1 décrit un exemple d'un tel compresseur comprenant un mécanisme de compression d'un fluide réfrigérant entrainé par un moteur électrique dédié, et alimenté par un convertisseur de tension. Le mécanisme de compression, le moteur électrique et le convertisseur de tension sont dans un seul boîtier, en étant éventuellement agencés dans des logements particuliers du boîtier. Typiquement, le convertisseur de tension comprend des interrupteurs connectés à une batterie haute tension pour alimenter le moteur électrique. Pour des besoins de sécurisation, en particulier pour éviter une électrocution d'un utilisateur, le convertisseur de tension est isolé du reste du véhicule, notamment d'un circuit basse tension du véhicule. Le document US6137705 décrit un convertisseur de tension qui est isolé du circuit basse tension du véhicule par un élément isolant entre l'unité de commande du convertisseur et le circuit basse tension du véhicule. Il s'agit d'une isolation de sécurité). Le convertisseur comprend également une isolation entre l'unité de pilotage des interrupteurs et l'unité de commande du convertisseur. Il s'agit dans ce cas d'une isolation fonctionnelle. L'isolation entre l'unité de pilotage des interrupteurs et l'unité de commande du convertisseur est réalisée par l'oxyde de grille d'un transistor à effet de champ. Cependant, l'oxyde de grille présente une capacité parasite ce qui entraine des courants pouvant être dangereux liés aux variations rapides de la tension. L'oxyde de grille est également fragile, ce qui entraine un risque de perte de l'isolation. En outre, la tension d'isolement est limitée. Il se pose donc le problème d'amélioration de l'isolation entre l'unité de pilotage des interrupteurs et l'unité de commande du convertisseur. Afin de résoudre ce problème, l'invention concerne un convertisseur de tension pour une machine électrique embarquée dans un véhicule, comprenant : - des interrupteurs agencés de façon à convertir une tension d'entrée en une tension de sortie ; - une unité de commande destinée à délivrer un signal de commande auxdits interrupteurs de façon à convertir la tension d'entrée en la tension de sortie ; - au moins une unité de pilotage desdits interrupteurs pour adapter lesdits signaux de commande délivrés par l'unité de commande afin de commander les dits interrupteurs ; - un transformateur d'isolement, ayant au moins un enroulement primaire et au moins un enroulement secondaire, agencé entre ladite unité de commande et des éléments fonctionnels de ladite unité de pilotage de façon à permettre une transmission de signal entre l'unité de commande et l'unité de pilotage à travers un circuit magnétique. Grace au transformateur, une isolation galvanique sépare l'unité de commande de l'unité de pilotage des interrupteurs. Le transformateur est plus fiable dans sa fonction d'isolation électrique que l'oxyde de grille d'un transistor à effet de champ divulguée dans l'art antérieur. L'isolation galvanique présente une capacité parasite entre les enroulements qui est très faible. L'impédance est alors plus forte et ne favorise pas le passage du courant. Ce courant pourrait être nocif en termes de compatibilité électromagnétique, ou pour les composants eux mêmes. Les potentielles perturbations au sein de l'unité de pilotage sont donc réduites, celle-ci a une meilleure robustesse. En particulier, l'unité de pilotage dans le convertisseur selon l'invention présente moins d'effet de latch-up. Grâce au transformateur, une transmission d'un signal, en particulier un signal de tension, entre l'unité de commande et l'unité de pilotage, peut être assuré même si les unités de commande et de pilotage ont des niveaux de masse très différents. Le transformateur d'isolement permet une meilleure immunité des signaux de commande. Les commandes et les variations des signaux peuvent être plus rapides, ce qui améliore les pertes en commutation. Le convertisseur de tension peut être un convertisseur convertissant une tension alternative en une tension continue ou inversement, ou un convertisseur convertissant une tension continue en tension continue. En particulier, le convertisseur peut permettre d'alimenter la machine électrique et/ou de récupérer une tension délivrée par la machine électrique. Selon un mode de réalisation, les interrupteurs sont agencés en un ou plusieurs bras, un bras comprenant au moins deux interrupteurs en série séparés par un point milieux. Selon un mode de réalisation, le transformateur comprend un enroulement primaire relié à l'unité de commande et un enroulement secondaire pour chaque transistor du bras. Ainsi, un seul transformateur peut être utilisé pour tous les interrupteurs d'un bras, ce qui diminue l'encombrement du convertisseur de tension. Selon un mode de réalisation, le circuit de l'enroulement primaire et le circuit de l'enroulement secondaire sont reliés à une même masse de tension. Ceci a pour avantage de simplifier le circuit du convertisseur. Selon un mode de réalisation, ladite masse est commune à la masse à laquelle une extrémité des bras est connectée. Outre la simplification du circuit du convertisseur, ceci permet d'utiliser une seule alimentation pour toutes les unités de pilotage du convertisseur. L'invention concerne également un compresseur pour circuit de fluide réfrigérant comprenant un mécanisme de compression du fluide accouplé à un moteur électrique, ledit compresseur comprenant en outre un boîtier logeant ledit mécanisme de compression, ledit moteur, et un convertisseur selon l'invention destiné à alimenter ledit moteur électrique. L'invention sera mieux comprise en faisant référence aux dessins, dans lesquels : - la figure 1 illustre un circuit comprenant un convertisseur de tension selon l'invention ; - la figure 2 illustre un exemple d'unité de pilotage d'interrupteur utilisable dans le convertisseur de la figure 1 ; - la figure 3 illustre un exemple de transformateur d'isolement utilisable dans l'unité de pilotage de la figure 2. Le circuit de la figure 1 comprend un convertisseur de tension DC/AC ou onduleur 10 qui convertit une tension d'entrée continue délivrée par une source de tension 12 en une tension de sortie alternative pour alimenter un moteur électrique M. En particulier, le moteur M est accouplé à un mécanisme de compression de fluide réfrigérant (non représenté). Le mécanisme de compression, le moteur M et le convertisseur de tension 10 forment un compresseur pour circuit de fluide réfrigérant commandé électriquement. Un tel compresseur est par exemple un compresseur de climatisation d'habitacle embarqué dans un véhicule. Le convertisseur de tension 10 comprend des interrupteurs Al, A2, B1, B2, Cl, C2 agencés de façon à convertir la tension d'entrée continue en la tension de sortie alternative. En particulier, les interrupteurs sont agencés en bras A, B, C. Chaque bras comprend deux interrupteurs en série séparés par un point milieux. Dans l'exemple considéré le convertisseur de tension 10 comprend trois bras A, B, C pour alimenter le moteur M qui est triphasé. Chaque bras a une extrémité connectée à la borne positive de la source de tension 12 et l'autre extrémité connectée à la masse GND HT de la source de tension 12. Les interrupteurs Al, A2, Bl, B2, Cl, C2, C3 peuvent être des transistors à effet de champ, par exemple MOS ou IGBT. Ces interrupteurs comprennent une diode de roue libre en parallèle du transistor. Cette diode peut être en particulier intrinsèque au transistor. Le convertisseur 10 comprend une unité de commande UC qui délivre un signal aux interrupteurs Al, A2, B1, B2, Cl, C2, C3 pour les commander en fermeture et ouverture de façon à convertir la tension d'entrée continue en tension de sortie alternative pour contrôler une rotation du moteur électrique M. Le convertisseur 10 comprend une unité de pilotage UP pour adapter le signal de commande, en particulier sa tension, délivré par l'unité de commande UC. L'unité de pilotage UC adapte le signal de commande pour un pilotage de l'interrupteur. Typiquement, dans un véhicule, un contrôleur 15 contrôle le convertisseur 10 en communiquant avec l'unité de commande UC. La source de tension 12 est une source haute tension ayant par exemple une tension comprise entre 250V et 450V.. D'autres composants électriques du véhicule peuvent être alimentés par une source basse tension 13 ayant par exemple une tension comprise entre 9V et 16V, et une masse correspondante GND BT. Par exemple, la source basse tension 13 alimente le contrôleur 15. La figure 2 illustre un exemple d'unité de pilotage UP. L'unité de pilotage UP comprend un transformateur d'isolement 14 qui est agencé entre l'unité de commande UC et des éléments fonctionnels 16 de l'unité de pilotage UP. Ces éléments fonctionnels 16 adaptent le signal de commande délivré par l'unité de commande UC afin de piloter l'interrupteur respectif, et sont connus en soit. L'unité de pilotage UP reçoit en entrée un signal délivré par l'unité de commande UC. L'unité de pilotage UP peut comprendre une unité de traitement de signal 9 qui adapte le signal délivré par l'unité de commande UC pour une transmission par l'intermédiaire du transformateur d'isolement 14. Par exemple, l'unité de traitement 9 transforme le signal en un signal modulé en fréquence. Des amplificateurs Amp peuvent être présents en sortie de l'unité de traitement 9 pour amplifier le signal délivré au transformateur d'isolement 14. L'unité de pilotage UP peut en outre comprendre une unité de traitement 11 en sortie du transformateur d'isolement 14 pour adapter le signal provenant du transformateur 14 pour les éléments fonctionnels 16. Par exemple, l'unité de traitement 11 effectue une démodulation du signal provenant du transformateur 14. Grâce au transformateur d'isolement 14 une isolation galvanique est obtenue entre l'unité de pilotage UP et l'unité de commande UC tout en permettant une transmission de signal entre l'unité de commande UC et l'unité de pilotage UP. Par rapport à l'art antérieur dans lequel une isolation est obtenue par une grille de transistor à effet de champ, le transformateur d'isolement 14 permet de piloter les interrupteurs plus rapidement sans risque de détérioration de l'isolement, et de minimiser les courants de mode commun responsables de cette dégradation. Un oxyde de grille peut se rompre et provoquer un défaut d'isolement, le transformateur 14, étant mieux isolé par construction, sera plus robuste. Le transformateur 14 fournit donc une isolation plus robuste. Le transformateur 14 peut supporter un décalage de masse entre l'unité de commande UC et l'unité de pilotage UP. Autrement dit, le transformateur 14 peut assurer une transmission d'un signal, en particulier un signal de tension, entre l'unité de commande UC et l'unité de pilotage UP, même si les unités de commande UC et de pilotage UP ont des niveaux de masse différents. Ceci peut particulièrement arriver pour l'unité de pilotage UP de l'interrupteur Al, B1, Cl qui est situé côté haut d'un bras A, B, C, c'est-à-dire un interrupteur Al, B1, Cl qui est connecté à la borne positive de la source de tension 12 par une de ses bornes. En figure 2, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention sont représentés. L'unité de pilotage UP peut comprendre d'autres composants. Notamment, l'unité de pilotage UP peut comprendre un autre circuit comprenant une unité de traitement 9, un transformateur d'isolement 14 et une unité de traitement 11 similaires à ceux illustrés en figure 2, et agencés en parallèle mais inversement, c'est- à-dire l'unité de traitement 9 étant du côté des éléments fonctionnels 16 et l'unité de traitement 11 étant du côté de l'entrée de l'unité de pilotage UP. Ce deuxième circuit a un fonctionnement similaire à celui illustré en figure 2 et permet une transmission de signal isolée entre l'unité de pilotage UP et l'unité de commande UC. La figure 3 illustre un mode de réalisation du transformateur d'isolement 14. Le transformateur d'isolement 14 comprend un enroulement primaire 141 et un enroulement secondaire 142 enroulés sur des branches respectives d'un circuit magnétique 140 de canalisation de flux. L'enroulement primaire 141 crée un flux magnétique qui parcourt le circuit 140 pour induire une tension dans l'enroulement secondaire 142. L'enroulement secondaire 142 délivre donc un signal issu de l'unité de commande UC vers des éléments fonctionnels de pilotage dédiés à un transistor d'un bras A, B, C. Dans un mode de réalisation, le transformateur d'isolement 14 comprend un deuxième enroulement secondaire. Ce deuxième enroulement secondaire délivre le signal de commande vers des éléments fonctionnels dédiés à l'autre transistor du bras A, B, C. Ainsi, un seul transformateur d'isolement 14 peut être utilisé pour les deux transistors du bras, ce qui diminue l'encombrement du convertisseur de tension 10, Le circuit électrique 143 lié à l'enroulement primaire 141 et le circuit électrique 144 lié à l'enroulement secondaire 142 peuvent être reliés à une même masse de tension. Ceci peut en particulier être le cas pour l'interrupteur A2, B2, C2 d'un bras A, B, C qui est situé côté bas, c'est-à-dire un interrupteur A2, B2, C2 qui est connecté à la masse de la source de tension 12 par une de ses bornes. En particulier, la masse des circuits électriques 143, 144 liés aux enroulements primaires 141 et secondaire 142 est commune à la masse GND HT à laquelle une extrémité des bras A, B, C est connectée. Ainsi une seule alimentation peut être utilisée pour toutes les unités des pilotage UC du convertisseur de tension 10, le convertisseur en est simplifié. Pour effectuer une isolation de sécurité entre la haute tension et la basse tension, une barrière d'isolation 20 peut être prévue entre les circuits haute tension et basse tension de façon à éviter une mise en danger d'un utilisateur du fait de la propagation d'une haute tension sur le circuit basse tension. Un élément 19 de communication isolée, tel qu'un optocoupleur par exemple, peut être agencé entre le contrôleur 15 et l'unité de commande UC du convertisseur 10 pour assurer une communication à travers la barrière d'isolation 20. Une alimentation isolée 17, telle qu'un convertisseur flyback, peut être utilisée pour alimenter des composants situés côté haute tension par une tension issue de la source basse tension 13. Le convertisseur de tension 10 est particulièrement adapté pour être intégré dans un compresseur pour circuit de fluide réfrigérant embarqué dans un véhicule. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits. En particulier, le convertisseur pourrait comporter un nombre de trois bras différent de trois. REVENDICATIONS1. Convertisseur de tension (10) pour une machine électrique (M) embarquée dans un véhicule, comprenant : - des interrupteurs (Al, A2, B1, B2, Cl, C2, C3) agencés de façon à convertir une tension d'entrée en une tension de sortie ; - une unité de commande (UC) destinée à délivrer un signal de commande auxdits interrupteurs (Al, A2, B1, B2, Cl, C2, C3) de façon à convertir la tension d'entrée en la tension de sortie ; - au moins une unité de pilotage (UP) desdits interrupteurs pour adapter lesdits signaux de commande délivrés par l'unité de commande afin de commander les dits interrupteurs ; - un transformateur d'isolement (14), ayant au moins un enroulement primaire (141) et au moins un enroulement secondaire (142), agencé entre ladite unité de commande (UC) et des éléments fonctionnels (16) de ladite unité de pilotage (UP) de façon à permettre une transmission de signal entre l'unité de commande (UC) et l'unité de pilotage (UP) à travers un circuit magnétique. 2. Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel les interrupteurs sont agencés en un ou plusieurs bras (A, B, C), un bras comprenant au moins deux interrupteurs en série séparés par un point milieux. 3. Convertisseur selon la revendication 2, dans lequel le transformateur (14) comprend un enroulement primaire (141) relié à l'unité de commande (UC) et un enroulement secondaire (142) pour chaque transistor du bras. 4. Convertisseur selon la revendication 2 ou 3 dans lequel le circuit (143) de l'enroulement primaire (141) et le circuit (144) de l'enroulement secondaire (142) sont reliés à une même masse de tension (GND HT). 5. Convertisseur selon la revendication 4, dans lequel ladite masse (GND HT) est commune à la masse à laquelle une extrémité des bras (A, B, C) est connectée. 6. Compresseur pour circuit de fluide réfrigérant comprenant un mécanisme de compression du fluide accouplé à un moteur électrique (M), ledit compresseur comprenant en outre un boîtier logeant ledit mécanisme de compression, ledit moteur (M), et un convertisseur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes destiné à alimenter ledit moteur électrique (M).40