Brevet FR3034929A1 — publié le 20161014

Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un système de filtrage actif. Ce système est destiné à être connecté à une source de tension continue située en amont. Etat de la technique Des onduleurs monophasés sont couramment employés dans des convertisseurs de tension pour des applications de type alimentation sécurisée (UPS pour Uninterruptible Power Supply) ou dans le domaine du photovoltaïque. Dans ces applications, un bus continu d'alimentation comprenant deux lignes d'alimentation est connecté en amont à une source de tension continue, par exemple des panneaux photovoltaïques ou une batterie, et en aval à un onduleur commandé pour générer une tension variable à une charge électrique. Une solution de filtrage est employée pour contrôler les variations de tension présentes en entrée. Habituellement, pour éviter ces variations de tension, un ou plusieurs condensateurs de filtrage sont connectés à la première ligne d'alimentation et à la deuxième ligne d'alimentation du bus. La capacité totale des condensateurs doit être suffisante pour absorber les ondulations de la tension d'entrée. Les condensateurs sont souvent de type chimique et présentent un encombrement, un coût importants et une durée de vie limitée. Pour pallier ces inconvénients, des systèmes de filtrage actif ont été proposés. La demande de brevet US2014/369090 décrit un système de filtrage actif destiné à être connecté à une source de tension continue située en amont et à un onduleur situé en aval et connecté à une charge. Le système est connecté en série sur le bus continu d'alimentation. Cette solution de l'état de la technique présente plusieurs inconvénients, parmi lesquels : - la présence d'une ondulation de tension très importante à la sortie du bus continu d'alimentation (Vout1 sur la figure 1 du document), - la nécessité d'employer dans le système de filtrage actif des transistors qui tiennent la tension du bus continu d'alimentation, rendant la solution coûteuse, génératrice de pertes élevées et complexe, les transistors du système devant être commandés avec des alimentations et des circuits de commande de grille isolés. - le système étant connecté directement en série sur le bus continu d'alimentation, la nécessité de dimensionner la plupart des composants pour tenir le courant maximal de la charge, ce qui engendre des pertes élevées et augmente le coût global de la solution. 3034929 2 Le but de l'invention est de proposer un système de filtrage actif destiné à se connecter à un bus continu d'alimentation, qui soit particulièrement compact, d'un 5 faible coût et qui génère des pertes limitées. Exposé de l'invention Ce but est atteint par un système de filtrage actif agencé pour se connecter 10 entre une première ligne d'alimentation et une deuxième ligne d'alimentation d'un bus continu, ledit bus étant agencé pour être connecté à une source de tension continue située en amont, ledit système comportant : un premier condensateur agencé pour se connecter d'une part à la première ligne d'alimentation du bus et d'autre part à la deuxième ligne 15 d'alimentation du bus et aux bornes duquel est appliquée une tension comprenant une composante alternative, un ensemble de commutation commandé par des moyens de traitement pour générer une tension de compensation, en opposition de la composante alternative de la tension aux bornes du premier 20 condensateur, et comprenant une première borne connectée au premier condensateur et une deuxième borne destinée à se connecter à la deuxième ligne d'alimentation. Selon un premier mode de réalisation, l'ensemble de commutation comporte 25 un premier transistor, un deuxième transistor connecté d'une part au premier transistor et d'autre part à sa deuxième borne, et une inductance connectée à sa première borne et à un point milieu de connexion situé entre les deux transistors et un deuxième condensateur connecté d'une part à la deuxième borne et d'autre part au premier transistor. 30 Selon un deuxième mode de réalisation, l'ensemble de commutation comporte : un premier transistor, un deuxième transistor connecté en série au premier transistor et une inductance connectée à sa première borne et à un point milieu de connexion situé entre les deux transistors, 35 un deuxième condensateur connecté en parallèle des deux transistors, 3034929 3 un troisième transistor et un quatrième transistor connectés en série et en parallèle du deuxième condensateur, le point milieu situé entre le troisième transistor et le quatrième transistor étant connecté à sa deuxième borne. 5 Selon une particularité, le système de l'invention comporte un troisième condensateur connecté à la première borne de l'ensemble de commutation et à la deuxième borne de l'ensemble de commutation. 10 Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente, de manière schématique, l'architecture du système de filtrage actif de l'invention, 15 la figure 2 représente un schéma électronique d'un exemple de réalisation du système de filtrage actif de l'invention, la figure 3 représente le synoptique de commande de l'ensemble de commutation employé dans le système de filtrage actif de l'invention, la figure 4 représente une variante de réalisation de l'ensemble de 20 commutation employé dans le système de filtrage actif de l'invention. Description détaillée d'au moins un mode de réalisation L'invention concerne un système de filtrage actif destiné à se connecter sur un 25 bus continu d'alimentation, ledit bus comprenant une première ligne d'alimentation 10, par exemple à potentiel électrique positif et une deuxième ligne d'alimentation 11, par exemple à potentiel électrique négatif. Ledit bus continu d'alimentation est par exemple connecté à une source de tension continue (DC), par exemple un ou plusieurs panneaux photovoltaïques ou une batterie. La tension continue fournie par le bus est 30 par exemple appliquée en entrée d'un onduleur (DC/AC) comportant des transistors commandés pour générer une tension variable à une charge électrique C. Le système de filtrage actif AF de l'invention comporte : un premier condensateur Cl agencé pour se connecter d'une part à la première ligne d'alimentation 10 du bus et d'autre part à la deuxième ligne 3034929 4 d'alimentation 11 du bus et aux bornes duquel est appliquée une tension Vc, comprenant une composante alternative, un ensemble de commutation SW agencé pour générer une tension de compensation VAF, en opposition de la composante alternative de la 5 tension aux bornes du premier condensateur Ci, et comprenant une première borne B1 connectée au premier condensateur Cl et une deuxième borne B2 destinée à se connecter à la deuxième ligne d'alimentation 11. 10 L'ensemble de commutation SW doit être commandé de sorte que la capacité équivalente du système de filtrage actif soit la plus élevée possible. La capacité équivalente Ceq vaut en effet : Ceq=C1/(1-k) avec C1 la capacité du premier condensateur Cl et k un gain de compensation. 15 A partir de cette relation, on comprend que pour une valeur de k proche de 1, inférieure à 1, mais non égale à 1, la capacité équivalente sera très élevée, permettant d'améliorer considérablement le filtrage à la fréquence d'ondulation de la tension d'entrée. La figure 1 illustre le principe de fonctionnement du système de filtrage actif 20 de l'invention. La commande de l'ensemble de commutation SW est réalisée de manière à générer une tension VAF venant s'ajouter à la tension Vc, aux bornes du premier condensateur Cl en vue d'agir sur la tension Vdc du bus continu d'alimentation qui résulte de la somme des tensions VAF et VC1. En fonction de la valeur de la tension Vc, aux bornes du premier condensateur 25 Ci, des moyens de traitement UC extraient les oscillations de cette tension puis détermine les signaux de commande CTi , CT2, par exemple de type MLI (Modulation à Largeur d'Impulsion), à appliquer à l'ensemble de commutation SW pour compenser ces oscillations. 30 De manière plus précise, en référence à la figure 3, le principe de fonctionnement est le suivant : - Dans une première étape, la tension Vc, mesurée par des moyens de mesure classiques est filtrée par les moyens de traitement UC à l'aide d'un 3034929 5 filtre passe-bande Pb en vue de bloquer sa composante continue et ses ondulations à haute fréquence et de ne garder que sa composante alternative 9c1. Dans une deuxième étape, les moyens de traitement UC appliquent un 5 gain à la composante alternative -Vci de la tension en vue d'ajuster le degré de compensation. Le gain vaut préférentiellement -k, k ayant une valeur proche de 1 mais toujours inférieure à 1 pour que la solution reste stable. Après application d'un offset e à une troisième étape, les moyens de 10 traitement obtiennent une valeur de référence VAF ref à atteindre pour la tension aux bornes de l'ensemble de commutation SW. Dans une quatrième étape, les moyens de traitement mettent en oeuvre une boucle de régulation dans laquelle est injectée la valeur de référence VAF ref- La boucle de régulation consiste à déterminer la différence entre la 15 valeur de référence VAF ref à atteindre et une valeur VAF de la tension mesurée par des moyens de mesure classique aux bornes de l'ensemble de commutation SW. La différence obtenue est injectée dans un régulateur, par exemple à action proportionnelle-intégrale-dérivé (PID). En sortie de la boucle de régulation, on obtient les ordres de commande CT15 20 CT2 à appliquer à l'ensemble de commutation SW pour que la tension VAF aux bornes de l'ensemble de commutation atteigne la valeur de référence VAF ref- Les ordres de commande CTi, CT2 sont complémentaires, c'est-à-dire que les transistors 11 et 12 ne sont jamais à l'état fermé en même temps. Lorsque le transistor 11 est commandé à l'état fermé (le transistor 25 12 est alors à l'état ouvert), il conduit le courant et la tension VAF augmente et tend vers la valeur de VAUX. Lorsque le transistor 12 est commandé à l'état fermé (le transistor 11 est alors à l'état ouvert), il conduit le courant et la tension VAF décroît pour tendre vers O. 30 Avantageusement, l'ensemble de commutation comporte un premier transistor 11 et un deuxième transistor 12. Le deuxième transistor 12 est connecté à la deuxième borne B2 de l'ensemble de commutation SW et au premier transistor 11. Il comporte également une inductance Li connectée d'une part à la première borne B1 de l'ensemble de commutation et au point milieu situé entre les deux transistors Ii, 3034929 6 12. Il comporte également un condensateur 02, désigné deuxième condensateur, connecté au premier transistor 11 et à la deuxième borne B2 de l'ensemble de commutation SW. L'ensemble formé par les deux transistors 11, 12 et l'inductance Li fonctionne comme un amplificateur de puissance qui permet de générer la tension VAF 5 destinée à compenser la composante alternative Vci de la tension Vc, aux bornes du premier condensateur Ci. Le deuxième condensateur 02 permet de créer un potentiel électrique VAUX par rapport à la deuxième ligne d'alimentation L2 du bus continu pour alimenter l'amplificateur de puissance de l'ensemble de commutation SW. Le rôle du deuxième condensateur 02 est notamment d'encaisser la variation de puissance et de 10 limiter la variation du potentiel Vaux. Préférentiellement, l'amplificateur de puissance peut comporter un condensateur 03, désigné troisième condensateur qui permet, en collaboration avec l'inductance Li, de lisser la tension VAF générée par la commutation des deux transistors Ii, 12. Ce troisième condensateur 03 est connecté entre la première borne 15 131 et la deuxième borne B2 de l'ensemble de commutation SW. Les transistors Ii, 12 sont dimensionnés pour tenir la tension Vaux. Typiquement, la tension Vaux peut être de l'ordre de 1 /20ème de la tension Vdc du bus continu d'alimentation. L'ensemble de commutation formé par les transistors T1, 12 et l'inductance Li sont dimensionnés pour supporter un courant de l'ordre de la valeur 20 crête de la composante alternative du courant de charge La tension VAUX à supporter étant faible, les transistors T1 et 12 peuvent être de type MOSFET basse tension, avec l'avantage de commuter à très haute fréquence (centaine de kHz, jusqu'à MHz) et d'avoir de très faible pertes en conduction (RDson très faible de l'ordre de milliOhm) et en commutation. L'inductance Li pourra ainsi 25 avoir une valeur faible. La figure 4 représente une variante de réalisation de l'ensemble de commutation SW employée dans le système de filtrage actif AF de l'invention. Dans cette deuxième topologie, l'ensemble de commutation SW comporte deux transistors 13, 14 supplémentaires connectés en parallèle du deuxième condensateur 02. Par 30 ailleurs, la deuxième borne B2 de l'ensemble de commutation SW n'est plus connectée au deuxième condensateur 02 et au deuxième transistor 12 mais au point milieu situé entre les deux transistors 13, 14. Comme dans la topologie précédente, le troisième condensateur 03 peut être prévu et connecté entre la première borne 131 et la deuxième borne B2. Cette deuxième topologie permet notamment de réduire la tension 3034929 7 VAUX appliquée sur le deuxième condensateur 02 et de pouvoir être utilisée pour générer une tension alternative, en remplacement du bus continu d'alimentation. La solution de l'invention présente ainsi plusieurs avantages, parmi lesquels : - Un encombrement limité, - Des pertes réduites, - Un coût modéré, - Une mise en place aisée et un fonctionnement fiable. REVENDICATIONS1. Système de filtrage actif (AF) agencé pour se connecter entre une première ligne d'alimentation (10) et une deuxième ligne d'alimentation (11) d'un bus continu, ledit bus étant agencé pour être connecté à une source de tension continue située en amont, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comporte : Un premier condensateur (Cl) agencé pour se connecter d'une part à la première ligne d'alimentation du bus (10) et d'autre part à la deuxième ligne d'alimentation (11) du bus et aux bornes duquel est appliquée une tension (Vci) comprenant une composante alternative (/cl), Un ensemble de commutation (SW) commandé par des moyens de traitement (UC) pour générer une tension de compensation (VAF), en opposition de la composante alternative (Vc1) de la tension aux bornes du premier condensateur (Cl), et comprenant une première borne (B1) connectée au premier condensateur (C1) et une deuxième borne (B2) destinée à se connecter à la deuxième ligne d'alimentation (11). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de commutation (SW) comporte un premier transistor (T1), un deuxième transistor (12) connecté d'une part au premier transistor (T1) et d'autre part à sa deuxième borne (B2), et une inductance (L1) connectée à sa première borne (B1) et à un point milieu de connexion situé entre les deux transistors et un deuxième condensateur (02) connecté d'une part à la deuxième borne (B2) et d'autre part au premier transistor (T1). 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de commutation (SW) comporte : un premier transistor (T1), un deuxième transistor (12) connecté en série au premier transistor (T1) et une inductance (L1) connectée à sa première borne (B1) et à un point milieu de connexion situé entre les deux transistors, un deuxième condensateur (02) connecté en parallèle des deux transistors (T1, 12), un troisième transistor (13) et un quatrième transistor (14) connectés en série et en parallèle du deuxième condensateur (02), le point milieu situé 3034929 9 entre le troisième transistor (13) et le quatrième transistor (14) étant connecté à sa deuxième borne (B2). 4. Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte un 5 troisième condensateur (03) connecté à la première borne (B-1) de l'ensemble de commutation (SW) et à la deuxième borne (B2) de l'ensemble de commutation (SW). 10