Brevet FR3030934A1 — publié le 20160624

B13244 - DD15201 1 COMMUTATEUR OU ONDULEUR DE COURANT TRIPHASÉ Domaine La présente description concerne de façon générale les circuits et systèmes électroniques et, plus particulièrement, les convertisseurs utilisés dans la conversion statique de l'énergie électrique. La présente description concerne plus précisément la réalisation d'un commutateur ou onduleur de courant triphasé. La présente description s'applique plus particulièrement à la conversion de l'énergie électrique produite par des générateurs photovoltaïques. Exposé de l'art antérieur Il existe de nombreux montages de convertisseur statique convertissant une tension continue en tension alternative monophasée ou triphasée. On connait également des convertisseurs de courant continu en courant alternatif. La figure 1 représente un exemple de commutateur ou onduleur de courant connu, destiné à convertir un courant continu d'entrée en trois courants alternatifs Il, 12 et 13. Une première branche 2' du convertisseur comporte un interrupteur K (par exemple, un transistor NPN) en série avec une diode et une inductance L, cette association en série reliant deux bornes 14 et 16 d'application d'une tension continue Vdc. L'émetteur du transistor K est connecté à la borne 16 qui B13244 - DD15201 2 correspond à la borne d'application du potentiel bas de la tension Vdc (la masse pour une tension Vdc positive). Le collecteur du transistor K est connecté à la cathode de la diode D dont l'anode est reliée, par l'intermédiaire de l'inductance L, à la borne 14 qui correspond à la borne d'application du potentiel haut de la tension Vdc. L'anode de la diode D définit un noeud 18 fournissant un courant à un ensemble 3' de trois autres branches parallèle du commutateur triphasé ou onduleur de courant triphasé. Quand l'interrupteur K est fermé, un courant croit dans l'inductance. A l'ouverture de l'interrupteur, ce courant est transféré à l'ensemble 3' qui, dans le cas d'un commutateur ou onduleur de courant triphasé, a pour rôle de fournir les trois phases de courant alternatif Il, 12 et 13 à une charge connectée à des bornes de sortie 31, 32 et 33. L'ensemble 3' comporte trois branches en parallèle entre les bornes 18 et 14, c'est-à-dire en parallèle avec l'inductance L. Chaque branche comporte, en série, une diode Dl, D2, D3, un transistor NPN Ni, N2, N3, une diode D4, D5, D6, et un transistor NPN N4, N5, N6. Les anodes des diodes Dl, D2 et D3 sont connectées à la borne 18. Les émetteurs respectifs des transistors Ni, N2 et N3 sont connectés aux anodes respectives des diodes D4, D5 et D6 et aux bornes respectives 31, 32 et 33. Les émetteurs des transistors N4, N5 et N6 sont connectés à la borne 14. Les positions respectives des diodes Dl, D2, D3 et des transistors Ni, N2, N3 peuvent être inversées dans chaque branche. De même, les positions respectives des diodes D4, D5, D6 et des transistors N4, N5, N6 peuvent être inversées dans chaque branche. Les transistors Ni à N6 sont commandés selon différentes séquences en fonction des déphasages requis entre les différentes 30 phases de sortie. La tension de sortie est imposée par les éléments connectés aux bornes 31, 32, et 33. Résumé Un mode de réalisation vise à pallier tout ou partie des inconvénients des commutateurs de courant triphasés usuels. B13244 - DD15201 3 Un mode de réalisation vise à simplifier le montage d'un commutateur de courant triphasé. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un commutateur de courant triphasé comportant, en parallèle entre deux premières 5 bornes : une première diode en série avec un premier interrupteur ; une deuxième diode, en série avec une association en parallèle de trois branches, comportant chacune exclusivement deux 10 interrupteurs en série, le point milieu de chaque paire d'interrupteurs en série étant connecté à l'une de trois deuxièmes bornes. Selon un mode de réalisation, la commutation des interrupteurs est commandée. 15 Selon un mode de réalisation, chaque interrupteur est bidirectionnel en courant et bidirectionnel en tension. Selon un mode de réalisation, chaque interrupteur est un transistor de puissance bidirectionnel à hétérojonction à effet de champ, comprenant : 20 des première et deuxième électrodes de conduction et une grille disposée entre les première et deuxième électrodes de conduction, la distance entre la grille et la première électrode étant comprise entre 45 et 55% de la distance entre les première et deuxième électrodes de conduction ; 25 une première couche semiconductrice et une deuxième couche semiconductrice formée sur la première couche semiconductrice, les première et deuxième couches semiconductrices formant une couche de gaz d'électrons à leur interface ; une électrode de référence ménagée dans la première 30 couche semiconductrice et connectée électriquement au potentiel de la zone de la couche de gaz d'électrons située à son aplomb, la distance entre l'électrode de référence et la première électrode de conduction étant comprise entre 45 et 55% de la distance entre les première et deuxième électrodes de conduction. B13244 - DD15201 4 Un mode de réalisation prévoit également un convertisseur statique d'énergie électrique dont l'architecture est telle que ci-dessus. Selon un mode de réalisation, la source de courant est 5 constituée d'un élément inductif mis en série avec au moins un générateur photovoltaïque. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de 10 réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 qui a été décrite précédemment est destinée à exposer l'état de la technique et le problème posé ; la figure 2 représente un mode de réalisation d'un 15 commutateur de courant triphasé ; la figure 3 représente un mode de réalisation du commutateur de la figure 2 ; et la figure 4 illustre, sous forme de chronogrammes, le fonctionnement du commutateur de la figure 2. 20 Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En 25 particulier, les montages ou circuits connectés en amont ou en aval du commutateur décrit n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les applications usuelles de commutateurs ou onduleurs de courant triphasé. La figure 2 représente un mode de réalisation d'un 30 commutateur ou onduleur de courant triphasé. Ce commutateur comporte deux bornes d'entrée 18 et 16 destinées à être connectées à une source de courant. Par exemple, les bornes 18 et 16 correspondent aux bornes 18 et 16 de la figure 1 et sont donc connectées à une inductance en série avec une B13244 - DD15201 source de tension (par exemple la tension fournie par un générateur photovoltaïque). Une première branche 2 comporte une diode D en série avec un interrupteur K entre les bornes 18 et 16. 5 Un ensemble 3 comporte trois branches secondaires en parallèle entre une cathode d'une diode DO dont l'anode est connectée à la borne 18, et la borne 16. Chaque branche secondaire comporte deux interrupteurs, respectivement K3 et K4, K5 et K6, K7 et K8, en série, les points milieux respectifs des associations en série étant connectés à des bornes 31, 32 et 33 des trois phases de la tension triphasée. Les interrupteurs K et K3 à K8 sont bidirectionnels en tension et au moins unidirectionnels en courant. En pratique, on pourra utiliser des interrupteurs bidirectionnels en tension et en courant, la diode DO fixant le sens de circulation autorisé du courant. Dans le schéma de la figure 2, les interrupteurs K et K3 à K8 sont prévus pour conduire du courant de la borne 18 vers la borne 16 (en passant pour les interrupteurs K3 à K8 par deux des bornes 31 à 33 en fonction de l'état passant ou bloqué des interrupteurs. Par rapport au schéma connu de la figure 1, le nombre de diodes est réduit de 7 à 2. La présence d'une seule diode DO dans le trajet du courant dans l'étage de sortie (au lieu de deux dans le cas de la figure 1) réduit les pertes en conduction ainsi que les pertes lors des commutations liées aux phénomènes de courant de recouvrement à l'ouverture des diodes. Pour la génération de trois phases alternatives de même fréquence, les interrupteurs K3 à K8 sont commutés trois par trois (deux dans la partie haute, respectivement basse, un dans la partie basse, respectivement haute) pendant des périodes où du courant est restitué par la source de courant (période d'ouverture de l'interrupteur K). Pendant des périodes de fermeture de l'interrupteur K, la circulation dans l'ensemble 3' est préférentiellement interrompue par ouverture des trois B13244 - DD15201 6 interrupteurs haut K3, K5, K7 et/ou des trois interrupteurs bas K4, K6, K8, de façon à accumuler du courant dans l'inductance de la source de courant 4. Ce fonctionnement est similaire à celui décrit en relation avec la figure 1. Toutefois, une différence importante est que la séquence de commutation diffère grâce à la présence de la diode DO. La séquence de commutation peut se résumer aux six phases ci-dessous en considérant que seuls deux des interrupteurs K3 à K8 sont fermés en même temps. Dans la description ci-dessous, les interrupteurs K et K3 à K8, non mentionnés comme fermés, et les diodes non mentionnées comme passantes, sont supposés respectivement ouverts et bloquées. Pour une tension Vb entre les bornes 33 et 32 positive (potentiel de la borne 33 - potentiel de la borne 32) : - interrupteurs K4 et K5 fermés, diode DO passante, le courant 12 (avec les conventions de sens indiquées en figure 2) est positif et correspond au courant 14, la tension VH entre les bornes 16 et 18 vaut Vb ; - interrupteurs K6 et K3 fermés, diode DO passante, le courant 12 est négatif et correspond au courant -14, la tension VH vaut -Vb ; et - interrupteur K fermé, diode D passante, le courant 12 est nul. Pour une tension Vb négative : - interrupteurs K4 et K5 fermés, diode DO passante, le courant 12 est positif et correspond au courant 14, la tension VH vaut -Vb; - interrupteurs K6 et K3 fermés, diode DO passante, le courant 12 est négatif et correspond au courant -14, la tension VH vaut Vb ; et - interrupteur K fermé, diode D passante, le courant 12 est nul. Pour une tension Vb positive et un courant 12 négatif ou nul, un amorçage (fermeture) commandé de l'interrupteur K B13244 - DD15201 7 s'accompagne d'un blocage retardé (après une durée de chevauchement) commandé de l'interrupteur K6, tandis que son blocage (ouverture) commandé est précédé d'une fermeture commandée de l'interrupteur K6. Pour une tension Vb positive et un courant 12 positif ou nul, un amorçage commandé de l'interrupteur K4 provoque le blocage spontané au zéro de courant de la diode D tandis que son blocage commandé provoque l'amorçage spontané au zéro de tension de la diode D (en supposant l'interrupteur K fermé). Pour une tension Vb négative et un courant 12 négatif ou nul, un amorçage commandé de l'interrupteur K6 provoque un blocage spontané au zéro de tension de la diode D tandis que son blocage commandé provoque l'amorçage spontané au zéro de tension de la diode D (en supposant l'interrupteur K fermé). Pour une tension Vb négative et un courant 12 positif ou nul, un amorçage commandé de l'interrupteur K s'accompagne d'un blocage commandé retardé (après une durée de chevauchement) de l'interrupteur K4 tandis que son blocage commandé est précédé d'un amorçage commandé de l'interrupteur K4. Le même raisonnement se transpose en considérant la tension Va entre les bornes 32 et 31 et en commutant les interrupteurs K6, K7 et K8, K5 ; et en considérant la tension Vc entre les bornes 33 et 31 et en commutant les interrupteurs K7, K4 et K8, K3. La figure 3 représente l'onduleur de courant décrit ci- dessus en représentant l'exemple d'une source de courant 4 formée d'une inductance en série avec une source de tension, comme en figure 1. La figure 4 illustre, sous forme de chronogrammes, le fonctionnement du commutateur de courant de la figure 2 et représente un exemple de phases de commutation des interrupteurs K et K3 à K8 et les courants il à 13 correspondants. Les périodes de conduction des interrupteurs sont symbolisées par un état 1, les périodes d'absence de conduction étant symbolisées par un état 0. B13244 - DD15201 8 On notera que les interrupteurs K3 à K8 sont à commutations exclusivement (uniquement) commandées et ne commutent pas spontanément. Toutefois, la diode DO conditionne la circulation du courant. On utilise de préférence des interrupteurs particuliers, formés de transistors bidirectionnels en courant à haute mobilité électronique tels que décrits dans la demande de brevet FR-A-2998713 à laquelle on pourra se référer. Typiquement, il s'agit de transistors de puissance bidirectionnels à hétéroj onction à effet de champ, comprenant : des première et deuxième électrodes de conduction et une grille disposée entre les première et deuxième électrodes de conduction, la distance entre la grille et la première électrode étant comprise entre 45 et 55% de la distance entre les première et deuxième électrodes de conduction ; une première couche semiconductrice et une deuxième couche semiconductrice formée sur la première couche semiconductrice, les première et deuxième couches semiconductrices formant une couche de gaz d'électrons à leur interface ; une électrode de référence ménagée dans la première 20 couche semiconductrice et connectée électriquement au potentiel de la zone de la couche de gaz d'électrons située à son aplomb, la distance entre l'électrode de référence et la première électrode de conduction étant comprise entre 45 et 55% de la distance entre les première et deuxième électrodes de conduction. 25 Un circuit de commande (non représenté) est connecté à l'électrode de référence de chaque transistor, le circuit de commande étant programmé pour générer une tension de commutation du transistor à partir de la tension de l'électrode de référence et programmé pour appliquer ladite tension de commande sur la 30 grille. Ces transistors sont particulièrement adaptés à la réalisation d'un commutateur ou onduleur de courant triphasé tel que décrit en relation avec la figure 2. B13244 - DD15201 9 Un avantage des modes de réalisation qui ont été décrits est qu'ils permettent de réaliser un commutateur de courant triphasé en réduisant le nombre d'interrupteurs et les pertes. Parmi les applications d'un commutateur tel que décrit 5 ci-dessus, on notera toute installation compatible avec les périodes où l'interrupteur K reliant, avec la diode D, les bornes 18 et 16, est fermé et où, soit tous les interrupteurs K3 à K8 sont ouverts, soit deux des interrupteurs secondaires d'une même branche sont fermés. Dans une telle situation le courant augmente 10 dans l'inductance formant la source de courant 4. L'élément en série avec l'inductance L (par exemple, un générateur photovoltaïque, éolien, à base de batteries, ou un système de propulsion électrique ferroviaire, automobile, aérienne, navale, etc.) doit supporter cette augmentation de courant. 15 Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le choix des caractéristiques des transistors constituant les interrupteurs et des diodes dépend de l'application. De plus, bien que les modes de réalisation aient 20 été décrits en relation avec un exemple particulier, ils se transposent sans difficulté à toute application utilisant un commutateur ou onduleur de courant triphasé. En outre, on pourra en variante utiliser d'autres types d'interrupteurs, par exemple des thyristors de type GTO (Thyristor ouvrable par la gâchette). 25 Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation qui ont été décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. Ceci s'applique notamment à la génération des signaux de commande des interrupteurs. REVENDICATIONS1. Commutateur de courant triphasé comportant, en parallèle entre deux premières bornes (16, 18) : une première diode (D) en série avec un premier interrupteur (K) ; une deuxième diode (DO), en série avec une association en parallèle de trois branches, comportant chacune exclusivement deux interrupteurs (1 2. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel la commutation des interrupteurs est commandée. 3. Commutateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque interrupteur (K ; 1 4. Commutateur selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, dans lequel chaque interrupteur (K ; 1 5. Convertisseur statique d'énergie électrique comportant : un commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 ; et une source de courant connectée entre lesdites premières bornes. 6. Convertisseur selon la revendication 5, dans lequel la source de courant est constituée d'un élément inductif mis en série avec au moins un générateur photovoltaïque.