Brevet FR3016097A1 — publié le 20150703

CONVERTISSEUR A ABSORPTION SINUSOÏDALE DE COURANT La présente invention concerne le domaine de l'électronique de 5 puissance et notamment celui des systèmes électriques connectés aux réseaux de distribution d'énergie. La présente invention concerne plus particulièrement un convertisseur à absorption sinusoïdale de courant. 10 On attend d'un dispositif de conversion alternatif vers continu connecté sur un réseau qu'il ne perturbe pas ce dernier. Le dispositif doit donc se comporter comme une charge résistive et doit prélever sur ce réseau un courant qui est l'image de la tension alternative d'entée. Un tel dispositif est obtenu avec un correcteur de facteur de puissance ou PFC pour 15 Power Factor Corrector selon la terminologie anglo saxonne. Les correcteurs de facteur de puissance actuels utilisent généralement deux étages de conversions, un premier étage alternatif vers continu (ou AC/DC) de type élévateur (ou boost selon la terminologie anglo saxonne) et 20 un deuxième étage continu vers continu (ou DC/DC) de type Flyback. Un problème avec ces structures est qu'en plus de compliquer la chaine de convertisseur, le rendement est dégradé. La structure Flyback permet de réaliser un convertisseur AC/DC en un étage, mais a des limites. L'entrefer du transformateur pénalise la montée en 25 puissance et le rendement du convertisseur. De plus les semi-conducteurs du convertisseur doivent supporter des tensions importantes. La limite de fonctionnement en fréquence et en puissance de ce type de structure semble être atteinte. 30 Un but de l'invention est notamment de corriger un ou plusieurs des inconvénients de l'art antérieur en proposant une solution permettant de réaliser un convertisseur à absorption sinusoïdal compact capable de fonctionner à fréquence élevée. A cet effet, l'invention a pour objet un convertisseur à absorption sinusoïdale de courant recevant en entrée une tension alternative comprenant au moins une phase et fournissant en sortie une tension continue modulable ledit convertisseur comprenant un transformateur comportant au moins un enroulement primaire et un enroulement secondaire, chaque enroulement primaire étant connecté en série avec un premier redresseur connecté en série avec un onduleur comprenant au moins deux commutateurs et l'enroulement secondaire étant connecté en série à un redresseur commandé, au moins une inductance de stockage magnétique connectée en série entre chaque onduleur et chaque enroulement primaire et/ou entre le redresseur commandé et l'enroulement secondaire dudit transformateur et un module de commande configuré pour générer des signaux de commande déphasés agencés pour piloter la commutation des commutateurs du groupe d'au moins un onduleur et du redresseur commandé Suivant un mode de réalisation, la tension alternative d'entrée du 20 convertisseur comprend au moins deux phases et le groupe d'au moins une inductance de stockage magnétique est connectée en série entre chaque onduleur et chaque enroulement primaire. Suivant un mode de réalisation, au moins un onduleur est réalisé avec une structure choisie parmi une structure en demi-pont capacitif et une 25 structure en pont complet. Suivant un mode de réalisation, le redresseur commandé est réalisé avec une structure choisie parmi une structure en demi-pont capacitif, une structure en pont complet ou un redresseur point milieu. Suivant un mode de réalisation, le module de régulation comprend 30 une entrée sur laquelle est appliqué un signal permettant de générer le déphasage entre les signaux de commande des commutateurs du premier redresseur et de ceux dudit redresseur commandé. Suivant un mode de réalisation, un filtre passe bas est connecté en série sur l'entrée du premier redresseur. Suivant un mode de réalisation, le circuit secondaire comprend une capacité de filtrage. L'invention a également pour objet un réseau électrique comprenant un convertisseur à absorption sinusoïdal de courant, tel que décrit précédemment, et au moins une source de tension alternative, ledit convertisseur étant connecté à son entrée à ladite source de tension lo alternative et fournissant à ces bornes de sortie une tension continue alimentant ledit réseau. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un convertisseur à absorption sinusoïdale de courant tel que décrit 15 précédemment comprenant une étape de conception dudit convertisseur à absorption sinusoïdale comportant une étape de dimensionnement de la valeur d'une inductance L de stockage magnétique, ladite étape de dimensionnement comprenant : une étape de définition d'une plage de déphasage pour laquelle le 20 courant de sortie dudit convertisseur à absorption sinusoïdale est une fonction sensiblement linéaire du déphasage, une étape de réduction de la largeur de ladite plage de déphasage de façon à réduire le courant dans les commutateurs lors de la commutation de ces derniers jusqu'à une valeur proche de zéro, 25 une étape d'estimation, à partir de la plage de déphasage, de la valeur de l'inductance. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à 30 titre illustratif et non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1, représente un exemple de mode de réalisation d'un convertisseur à absorption sinusoïdale selon l'invention ; la figure 2, représente un mode de réalisation particulier d'un convertisseur à absorption sinusoïdale selon l'invention dans le cas d'une tension d'entrée monophasée ; la figure 3 représente, un exemple de mode de réalisation d'un convertisseur à absorption sinusoïdale selon l'invention dans le cas d'une tension d'entrée polyphasée ; - la figure 4 représente, par des chronogrammes, un exemple de io signaux de commande pour un convertisseur à absorption sinusoïdale dans le cas d'un signal d'entrée polyphasé ; la figure 5 représente un exemple d'allure de l'évolution du courant moyen en sortie du convertisseur à absorption sinusoïdale par rapport au déphasage entre un onduleur et le redresseur 15 commandé ; la figure 6 représente un exemple d'allure de l'évolution du courant traversant les commutateurs lors de leur commutation. La figure 1 représente, de façon schématique, un exemple de mode 20 de réalisation d'un convertisseur à absorption sinusoïdale de courant selon l'invention. Le convertisseur reçoit sur son entrée une tension alternative Ve et délivre en sortie une tension continue Vs. Le convertisseur à absorption sinusoïdale de courant peut comprendre un premier étage redresseur 11 connecté à un convertisseur 10 continu vers continu à commande par 25 déphasage (ou "phase shift" selon la terminologie anglo-saxonne). Le premier étage redresseur 11 peut être un pont à diodes. Le convertisseur continu vers continu 10 peut comprendre un transformateur 13 comprenant une entrée comportant au moins un enroulement primaire et une sortie comportant au moins un enroulement secondaire. Le transformateur 30 13 peut être un transformateur monophasé, triphasé ou d'une façon générale polyphasé. Dans le cas d'un transformateur 13 triphasé et plus généralement d'un transformateur polyphasé, l'entrée et la sortie de ce transformateur 13 comporte plusieurs enroulements connectés entre eux selon différents arrangements. Par la suite on considérera une tension polyphasée comme une multitude de tensions monophasées. Chaque enroulement primaire du transformateur 13 est connecté, en série, à une inductance de stockage magnétique L et à un convertisseur 5 commandé continu vers alternatif ou onduleur 12 convertissant une tension continue Ve en une tension alternative. L'onduleur 12 peut être réalisé à l'aide d'une structure de commutateurs de puissance, comme par exemple des transistors bipolaires à grille isolée (ou IGBT pour insulated Gate Bipolar Transistor) ou des transistors MOS pour Metal Oxide Semiconductor, montés 10 en pont. L'onduleur 12 peut être réalisé avec un demi pont capacitif comme illustré figure 2. Suivant des modes de réalisation alternatifs, l'onduleur 12 peut être réalisé avec une structure en pont complet, avec au moins deux bras. L'inductance L de stockage magnétique peut être placée dans le 15 circuit primaire, dans le circuit secondaire ou dans les deux circuits. La sortie du transformateur 13 peut être connecté à un deuxième convertisseur commandé alternatif vers continu ou redresseur commandé 14 convertissant la tension alternative en sortie du transformateur 13 en une tension continue Vs. Le redresseur commandé 14 peut être réalisé avec une 20 structure de commutateurs de puissance, comme par exemple des transistors bipolaires à grille isolée (ou IGBT pour insulated Gate Bipolar Transistor) ou des transistors MOS pour Metal Oxide Semiconductor, montés en pont. Le redresseur commandé 14 peut être réalisé avec un demi pont capacitif, une structure en pont complet, avec au moins deux bras ou tout 25 moyens équivalents. Suivant un mode de réalisation alternatif, le redresseur 14 peut être un redresseur point milieu. Chacun des onduleurs 12 et redresseur commandé 14 comprend au moins deux commutateurs de puissance. Afin de commander les différents commutateurs des onduleur 12 et 30 redresseur commandé 14, le convertisseur à absorption sinusoïdale de courant peut comprendre au moins un module 25 de commande (voir la figure 2) configuré pour générer des signaux de commande déphasés agencés pour piloter la commutation de ces commutateurs. Ce module 25 de commande peut être du type à modulation de largeur d'impulsion. Afin de 35 faire varier le déphasage entre les signaux de commande d'un onduleur 12 et d'un redresseur commandé 14, le module 25 de commande pilotant ces deux circuits peut par exemple comprendre une entrée sur laquelle on applique une tension dont la valeur permet de définir ledit déphasage. Le module 25 de commande peut par exemple être réalisé par un contrôleur, un microprocesseur, un dispositif comprenant divers circuits logiques et comparateurs, un circuit intégré dédié (ou ASIC pour ApplicationSpecific Integrated Circuit selon la terminologie anglo-saxonne) ou tout autre moyen équivalent. Le module de commande 25 permet d'agir sur l'amplitude du courant io consommé en entrée pour réguler la valeur de la tension de sortie. Le module de commande 25 permet de faire varier le déphasage entre les signaux de commandes des commutateurs de façon à asservir la tension de sortie pour que sa valeur soit égale à la tension souhaitée. Ainsi, si la valeur de la tension de sortie est inférieure à la tension désirée, le module de 15 commande 25 va modifier le déphasage entre les signaux de commande pour augmenter le courant consommé en entrée. Dans le cas contraire, si la valeur de la tension de sortie est trop élevée, le module de commande va modifier le déphasage entre les signaux de commande des commutateurs pour diminuer le courant pompé en entrée. 20 Le module de commande agit également sur une deuxième boucle de régulation qui asservit la forme d'onde du courant d'entrée à celle de la tension d'entrée pour qu'elle ait une forme sinusoïdale. Le module de commande agit donc sur deux boucles de régulation, une boucle rapide qui asservit la forme d'onde du courant d'entrée à celle de 25 la tension d'entrée et une boucle lente qui asservit l'amplitude du courant d'entrée à la valeur de la tension de sortie du convertisseur à absorption sinusoïdale. Suivant un mode de réalisation, le redresseur commandé 14 peut comprendre une capacité C de filtrage (voir la figure 2) afin de lisser le signal 30 en sortie dudit redresseur commandé 14. De façon avantageuse, le stockage inductif du convertisseur selon l'invention permet d'élever ou d'abaisser la tension, on peut ainsi réaliser un montage élévateur ou abaisseur de tension à partir de la même structure, en 35 modifiant le déphasage des signaux de commande des commutateurs. Un deuxième avantage du stockage inductif est que même avec une valeur de tension d'entrée faible, la structure est capable de délivrer de l'énergie en sortie, d'un niveau plus élevé. La figure 2 représente un mode de réalisation particulier de l'invention dans le cas d'une tension d'entrée Ve monophasée. Dans ce mode de réalisation, le premier redresseur 11 est un pont de Graetz. En entrée de ce pont de diodes est connecté un filtre passe bas 20. Ce filtre permet de lisser le courant et filtrer les parasites dus au découpage du convertisseur à io absorption sinusoïdale. L'onduleur 12, connecté en série sur la sortie du pont de diode, est réalisé à l'aide d'un demi-pont capacitif. Chaque commutateur de l'onduleur 12 comprend un transistor bipolaire à grille isolée en parallèle avec une diode de roue libre. 15 Le secondaire du transformateur 13 est connecté en série à un deuxième convertisseur alternatif vers continu 14 commandé formé à l'aide de commutateurs montés en pont complet. Comme précédemment, chaque commutateur peut comprendre un transistor bipolaire à grille isolée en parallèle avec une diode de roue libre. Dans ce mode de réalisation, le circuit 20 secondaire connecté au secondaire du transformateur 13 comprend également une inductance L de stockage magnétique connecté en série entre la sortie du transformateur 13 et l'entrée du convertisseur alternatif vers continu 14 commandé. Le deuxième convertisseur alternatif/continu 14 commandé ou 25 redresseur est connecté à un module de commande 25 configuré pour piloter la commutation des commutateurs dudit convertisseur. Chaque module de commande 25 est également connecté au convertisseur continu/alternatif 12 afin de piloter la commutation de ces commutateurs. Chaque module de commande 25 permet de définir le déphasage entre les signaux de 30 commande de l'onduleur 12 et du deuxième redresseur commandé 14. Dans ce mode de réalisation particulier, la sortie du convertisseur à absorption sinusoïdale comprend une capacité de filtrage Cout connectée aux bornes du deuxième convertisseur 14 et configurée pour filtrer les tensions de sorties dudit convertisseur 14. Suivant un mode de réalisation, le module de commande 25 est configuré pour permettre de faire varier la phase entre les signaux de commande des commutateurs de puissance de l'onduleur 12 et du redresseur commandé 14 et ainsi ajuster l'amplitude de la tension en sortie du deuxième redresseur commandé 14 géré par ledit module de commande 25. Suivant le déphasage appliqué aux signaux de commande des commutateurs de l'onduleur 12 et du redresseur commandé 14, on peut réaliser soit un circuit élévateur de tension soit un montage atténuateur de tension. Le même circuit peut ainsi être utilisé pour réaliser les deux io fonctions. La figure 3 représente un exemple de mode de réalisation d'un convertisseur à absorption sinusoïdal de courant recevant en entrée plusieurs tensions alternatives (Vel, Ve2, - VeN) et fournissant en sortie une 15 tension continue modulable. Afin de simplifier les explications et de ne pas surcharger la figure, on a représenté le convertisseur dans le cas d'un signal polyphasé limité à trois phases et donc présentant trois tensions d'entrée (Vei, Ve2 et Ve3). Dans ce mode de réalisation, le transformateur 13 comprend au 20 primaire trois enroulements et au secondaire 1 enroulement et a un rapport de conversion égale à k où k représente un entier positif. Chaque circuit primaire connecté en entrée du transformateur 13 peut comprendre un onduleur 12 dont l'entrée est connectée en série avec un premier redresseur 11 et dont la sortie est connectée en série avec une 25 inductance (L) de stockage magnétique. Dans ce mode de réalisation particulier le premier redresseur 11 est un pont de diodes et l'onduleur 12 est formé à l'aide d'un demi-pont capacitif comprenant deux commutateurs, chaque commutateur étant monté en parallèle avec une diode de roue libre, et deux capacité Cp. 30 Le convertisseur à absorption sinusoïdal illustré figure 3 comprend en outre un filtre 20 passe bas connecté en entrée d'un premier redresseur 11 double alternance. L'enroulement secondaire du transformateur 13 est connecté à un redresseur commandé 14 configuré pour convertir une tension alternative en une tension continue Vs. Dans certain mode de réalisation, une capacité C peut être connectée en sortie du redresseur commandé 14. Afin de commander les différents commutateurs de l'onduleur 12 et des redresseurs commandés 14, le convertisseur à absorption sinusoïdal peut comprendre au moins un module 25 de commande connecté aux différents onduleurs 12 et au redresseur commandé 14. Ce module 25 est configuré pour générer des signaux de commande déphasés agencés pour piloter la commutation de ces commutateurs. Suivant un mode de réalisation, le module 25 de commande peut être 10 du type à modulation de largeur d'impulsion afin de faire varier le rapport de cycle des signaux de commande. Suivant un mode de réalisation préféré, les signaux de commande sont générés avec un rapport de cycle sensiblement égal à 50%. Afin de faire varier le déphasage entre les signaux de commande des 15 onduleurs 12 et d'un redresseur commandé 13, le module 25 de commande pilotant ces deux circuits peut par exemple comprendre une entrée sur laquelle on applique une tension dont la valeur permet de définir ledit déphasage. Le module 25 de commande peut par exemple être réalisé par un 20 contrôleur, un microprocesseur, un dispositif comprenant divers circuits logiques et comparateurs, un circuit intégré dédié (ou ASIC pour ApplicationSpecific Integrated Circuit selon la terminologie anglo-saxonne) ou tout autre moyen équivalent. De façon avantageuse, le fait de placer une inductance de stockage 25 magnétique au niveau des onduleurs 12 permet d'avoir des circuits primaires totalement indépendants les uns des autres. A titre illustratif, la figure 4 présente des exemples de signaux de commande pour piloter les commutateurs des onduleurs 12 et du redresseur 30 commandés 14 du convertisseur à absorption sinusoïdale de courant dans le cas d'un signal d'entrée polyphasé et assurer la commande par déphasage du convertisseur continu vers continu 10. Dans ce mode de réalisation, chacun des signaux I_PO, I_P1, I_PN a un rapport cyclique de 50%. Les signaux I_POn, I_P1n, I_PNn sont les complémentaires des signaux I_PO, 35 I PI, I_PN aux temps morts ôt près. De façon connue, ces temps morts permettent de tenir compte du temps de commutation des commutateurs de puissance et ainsi éviter des courts circuits. Les signaux des deux premiers chronogrammes I_PO et I_POn correspondent à la commande du deuxième redresseur commandé 14. Ils 5 permettent de définir la référence de phase. Les 2N signaux des chronogrammes suivants I_P1 et I_P1n, I_P2 et I_P2n, I_PN et I_PNn correspondent aux signaux de commande des commutateurs des onduleurs 12 du primaire. Ces signaux permettent de définir le déphasage (pi, (P2, .-., (pN entre le redresseur commandé 12 et chaque onduleur 14. 10 De façon avantageuse, la structure du convertisseur à absorption sinusoïdale selon l'invention permet, dans le cas d'une tension d'entrée polyphasée, de réaliser une source de tension continue avec un seul transformateur. 15 L'invention peut trouver son application dans des réseaux électriques continus. Ces réseaux peuvent, par exemple, être embarqués dans des moyens de transport terrestre, aérien et/ou maritime. Ce réseau électrique peut comprendre au moins une source de 20 tension alternative comprenant au moins une phase connecté en entrée d'un convertisseur à absorption sinusoïdale de courant tel que décrit précédemment, la tension continue alimentant ledit réseau électrique se retrouvant aux bornes de sortie dudit convertisseur. 25 La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un convertisseur à absorption sinusoïdale de courant comme défini précédemment comprenant au moins une étape de conception dudit convertisseur à absorption sinusoïdale comportant elle-même une étape de dimensionnement de la valeur d'une inductance L de stockage magnétique. 30 L'étape de dimensionnement de la valeur de l'inductance L de stockage magnétique d'un onduleur 12 va être présentée en référence aux figures 5 et 6. La figure 5 représente d'allure du courant Is moyen en sortie d'un onduleur 12 en fonction du déphasage Acp appliqué entre les signaux de 35 commande des commutateurs dudit onduleur 12 et ceux du redresseur commandé 14. La représentation graphique de ce courant a la forme d'une sinusoïde. Pour faire de la régulation, il est intéressant de se placer au niveau d'une partie sensiblement linéaire de la courbe comme par exemple celle entre les phases (Pa et (Pb. On choisit donc une plage de variation de phase ou plage de fonctionnement, permettant d'avoir une variation sensiblement linéaire du courant en fonction du déphasage appliqué entre l'onduleur 12 et le redresseur commandé 14. De façon connue, le fait de fixer la plage de fonctionnement permet de fixer une valeur de l'inductance. La figure 6 illustre la forme du courant I au niveau d'un commutateur 10 au moment de la commutation de ce dernier en fonction du temps t pour différentes valeurs (pi, cp2, (p3) du déphasage 39 appliqué entre l'onduleur 12 et le redresseur commandé 14. On remarque que lorsque l'on modifie la valeur du déphasage entre les signaux de commande des commutateurs de l'onduleur 12 et ceux du redresseur commandé 14, on modifie également la 15 valeur du pic de courant et la valeur maximale de ce courant est plus ou moins élevée. Ainsi, lorsque le commutateur va basculer, il va interrompre un courant plus ou moins élevé suivant le déphasage appliqué. Afin de réduire le courant dans les commutateurs au moment du basculement on réduit la plage de déphasage. 20 La deuxième étape de l'optimisation consiste à réduire la valeur de la largeur de la plage de fonctionnement pour que le courant aux bornes des commutateurs soit proche de zéro au moment du basculement de ces derniers afin de réaliser une commutation dite douce ou ZCS pour Zero Current Switching selon la terminologie anglo saxonne. L'étape suivante 25 consistera à déduire à l'aide de formules classiques connues de l'homme du métier de déduire de cette plage la valeur de l'inductance de stockage magnétique L. De façon avantageuse, le fait d'utiliser une valeur d'inductance L dégradée par rapport au cas où l'on couvrirait une plage de fonctionnement 30 de 900 permet de se trouver dans une zone où le courant de sortie est une fonction sensiblement linéaire du déphasage et d'effectuer des commutations douces. De plus le fait que la valeur de l'inductance L soit réduite permet de réduire le nombre de spires de cette dernière et donc les pertes dans ladite inductance. 35 REVENDICATIONS1. Convertisseur à absorption sinusoïdale de courant recevant en entrée une tension alternative comprenant au moins une phase et fournissant en sortie une tension continue modulable ledit convertisseur étant caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur (13) comportant au moins un enroulement primaire et un enroulement secondaire, chaque enroulement primaire étant connecté en série avec un premier redresseur (11) connecté en série avec un onduleur (12) comprenant au moins deux commutateurs et l'enroulement secondaire étant connecté en série à un redresseur commandé (14), au moins une inductance (L) de stockage magnétique connectée en série entre chaque onduleur (12) et chaque enroulement primaire et/ou entre le redresseur commandé (14) et l'enroulement secondaire dudit transformateur (13) et un module de commande (25) configuré pour générer des signaux de commande déphasés agencés pour piloter la commutation des commutateurs du groupe d'au moins un onduleur (12) et du redresseur commandé (14) 2. Convertisseur suivant la revendication précédente selon lequel la tension alternative d'entrée comprend au moins deux phases et le groupe d'au moins une inductance (L) de stockage magnétique est connectée en série entre chaque onduleur (12) et chaque enroulement primaire. 3. Convertisseur suivant une des revendications précédentes selon lequel au moins un onduleur (12) est réalisé avec une structure choisie parmi une structure en demi-pont capacitif et une structure en pont complet. 4. Convertisseur suivant une des revendications 1 ou 2 selon lequel le redresseur commandé (14) est réalisé avec une structure choisie parmi une structure en demi-pont capacitif, une structure en pont complet ou un redresseur point milieu. 5. Convertisseur suivant une des revendications précédentes selon lequel le module de régulation (25) comprend une entrée sur laquelle est appliquée un signal permettant de générer le déphasage entre les signaux de commande des commutateurs du premier redresseur (11) et de ceux dudit redresseur commandé (13). 6. Convertisseur suivant une des revendications précédentes selon lequel un filtre passe bas (20) est connecté en série sur l'entrée du premier redresseur (11). 7. Convertisseur suivant une des revendications précédentes selon io lequel le circuit secondaire comprend une capacité (Cout) de filtrage. 8. Réseau électrique caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur à absorption sinusoïdal de courant selon une des revendications précédentes et au moins une source de tension alternative, ledit convertisseur étant connecté à son entrée à ladite source de tension 15 alternative et fournissant à ces bornes de sortie une tension continue alimentant ledit réseau. 9. Procédé de fabrication d'un convertisseur à absorption sinusoïdale de courant selon une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend une étape de conception dudit convertisseur à 20 absorption sinusoïdale comportant une étape de dimensionnement de la valeur d'une inductance (L) de stockage magnétique, ladite étape de dimensionnement comprenant : - une étape de définition d'une plage de déphasage pour laquelle le courant de sortie dudit convertisseur à absorption sinusoïdale est 25 une fonction sensiblement linéaire du déphasage, - une étape de réduction de la largeur de ladite plage de déphasage de façon à réduire le courant dans les commutateurs lors de la commutation de ces derniers jusqu'à une valeur proche de zéro, - une étape d'estimation, à partir de la plage de déphasage, de la 30 valeur de l'inductance (L).