Brevet FR3058592A1 — publié le 20180511

Procédé de commande d'un redresseur triphasé pour un dispositif de charge embarqué sur un véhicule électrique ou hybride La présente invention concerne un procédé de commande d'un redresseur triphasé pour un dispositif de charge à entrée triphasée, comprenant un convertisseur AC-DC (courant alternatif-courant continu) isolé. Un tel dispositif de charge est particulièrement adapté pour une utilisation en tant que dispositif embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride. Ces véhicules sont équipés de batteries électriques haute tension et comprennent généralement des chargeurs embarqués, c'est-à-dire des dispositifs de charge des batteries électriques qui sont montés directement sur les véhicules. La fonction principale de ces dispositifs de charge est la recharge des batteries à partir de l'électricité disponible sur le réseau de distribution électrique. Ils assurent donc une conversion d'un courant alternatif en courant continu. Les critères recherchés pour les dispositifs de charge, et tout particulièrement pour les chargeurs embarqués, sont un rendement élevé, un faible encombrement, une isolation galvanique, une bonne fiabilité, une sécurité de fonctionnement, une faible émission de perturbations électromagnétiques, et un faible taux d'harmoniques sur le courant d'entrée. On se place ici dans la catégorie des dispositifs de charge à entrée triphasée, qui présentent une puissance de charge supérieure relativement aux dispositifs de charge à entrée monophasée. La figure 1 illustre une topologie connue d'un dispositif de charge 10 isolé, embarqué sur un véhicule électrique ou hybride pour la recharge de la batterie haute tension 20 du véhicule à partir du réseau électrique triphasé 30 auquel le dispositif de charge embarqué 10 est connecté par l'intermédiaire de l'impédance de ligne 40 du réseau. Afin de mettre en oeuvre la fonction de conversion AC-DC avec isolation galvanique, il est connu d'utiliser un dispositif de charge 10 comprenant un premier convertisseur AC-DC, qui comporte un circuit correcteur de facteur de puissance 11 (PFC, pour « Power factor Correction ») afin de limiter les harmoniques de courant d'entrée, et un deuxième convertisseur DC-DC (courant continu-courant continu) 12, pour assurer la régulation de la charge et 3058592 2 également pour assurer la fonction d'isolation pour la sécurité d'utilisation. Un filtre d'entrée 13 est classiquement intégré en entrée du dispositif de charge embarqué 10, en amont du circuit PFC 11 par rapport au réseau électrique triphasé 30. 5 Le circuit PFC 11 est géré par un contrôleur intégré (non représenté), qui analyse et corrige en temps réel l'allure du courant par rapport à la tension. Il en déduit les erreurs de forme par comparaison avec la sinusoïde redressée de la tension et il les corrige en contrôlant la quantité d'énergie grâce à un découpage haute fréquence et un stockage d'énergie dans une inductance. 10 Son rôle est plus précisément d'obtenir un courant non déphasé et le plus sinusoïdal possible en entrée de l'alimentation du chargeur. Pour le circuit PFC, il est possible de mettre en oeuvre un redresseur triphasé trois niveaux à trois interrupteurs, communément connu sous le nom de redresseur triphasé de Vienne. Le choix de cette topologie est en effet 15 particulièrement avantageux du point de vue des performances pour la correction de facteur de puissance. Le document de brevet CN 104811061 décrit à la figure 1 une modélisation d'un tel redresseur PFC triphasé où chaque phase de la tension d'entrée alternative triphasée est reliée par des inductances respectives Ll, 20 L2, L3 à un bras de commutation du redresseur pourvu d'une cellule d'interrupteurs de puissance, respectivement 51, S2, S3, les cellules d'interrupteurs de puissance étant disposées chacune entre une inductance respective et un point milieu M entre les deux tensions de sortie du redresseur, correspondant respectivement à la tension sur un premier condensateur de 25 sortie Cl connecté entre le point milieu et une ligne d'alimentation positive et à la tension sur un deuxième condensateur de sortie C2 connecté entre le point milieu et une ligne d'alimentation négative. Généralement pour commander un tel redresseur, on mesure les tensions et les courants en entrée de chaque interrupteur ainsi qu'en sortie du 30 redresseur et on utilise des boucles de régulation permettant de générer des rapports cycliques nécessaires pour régler le temps de conduction moyen des interrupteurs. 3058592 3 L'état de l'art sur l'application des rapports cycliques sur chaque bras de commutation d'un redresseur triphasé de Vienne consiste à utiliser l'un ou l'autre des deux interrupteurs en fonction du sens de circulation du courant sur le bras. Cependant, lorsque le courant d'entrée est proche de zéro, des erreurs 5 de mesure peuvent conduire à ce qu'on ne pilote pas le bon interrupteur. En outre, l'application de ces rapports cyclique selon l'état de l'art conduit à des pertes par commutation importantes. Un but de l'invention est de pallier cette limitation. En particulier, il existe un besoin pour une stratégie améliorée d'application des rapports cycliques sur 10 les bras de commutation du redresseur triphasé de Vienne de manière à respecter des tensions cibles voulues par la régulation tout en réduisant les pertes par commutation. Conformément à l'invention, ce but est atteint par un procédé de commande d'un circuit correcteur de facteur de puissance pour un dispositif de 15 charge de batterie embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de charge étant apte à être connecté à un réseau d'alimentation électrique triphasé afin de charger la batterie et comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant ledit circuit correcteur de facteur de puissance et un convertisseur DC-DC, ledit circuit correcteur de facteur de 20 puissance étant un redresseur triphasé de Vienne comprenant trois bras de commutation aptes à être connectés chacun à l'une des phases respectives du réseau d'alimentation triphasé par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série et comprenant chacun un montage en série d'un interrupteur haut apte à être piloté quand le courant du réseau est positif et d'un interrupteur bas apte à 25 être piloté quand le courant du réseau est négatif, chaque bras étant piloté à l'aide de signaux de commande de modulation par largeur d'impulsion dont le rapport cyclique de commutation est déterminé en fonction de valeurs de courants de consigne en entrée du redresseur, caractérisé en ce que, sur chaque période des courants de consigne, les signaux de commande sont 30 déterminés de façon à ne faire commuter systématiquement que deux bras sur trois en fonction d'un changement de signe des courants de consigne et, parmi les deux bras qui commutent, on procède à une répartition de l'état de commutation des interrupteurs concernés en faisant varier les rapports 3058592 4 cycliques en fonction des valeurs des tensions entre phases à chaque instant donné. Avantageusement, on divise la période des courants de consigne en des portions de périodes, on analyse l'évolution des courants de consigne dans les 5 portions de période, de façon à identifier sur chaque portion de période successivement, le bras de commutation dont la tension est intermédiaire entre une tension de phase la plus haute et une tension de phase la plus faible, et on applique sur le bras identifié un signal de commande ayant un rapport cyclique fixé à 100% lors du changement de signe de la tension intermédiaire, 10 de sorte que les interrupteurs du bras identifié sont maintenus fermés en permanence autour du changement de signe de la tension intermédiaire. Avantageusement, pour chaque portion de période des courants de consigne : - on commande la fermeture des interrupteurs haut et bas de la tension 15 intermédiaire tant que le rapport cyclique appliqué sur le bras identifié est fixé à 100%, - pour un courant de consigne sur un des deux bras qui commute positif, on commande le hachage de l'interrupteur haut du bras correspondant avec un premier rapport cyclique et on ouvre l'interrupteur bas du bras correspondant, 20 et - pour un courant de consigne sur un des deux bras qui commute négatif, on commande le hachage de l'interrupteur bas avec un deuxième rapport cyclique et on ouvre l'interrupteur haut. Ainsi, à chaque instant de la période des courants de consigne on ne fait 25 commuter que deux interrupteurs parmi l'ensemble des interrupteurs des trois bras de commutation pour le hachage des courants. De préférence, chaque portion de période constitue un sixième d'une période complète des courants de consigne. L'invention concerne également un dispositif de commande d'un circuit 30 correcteur de facteur de puissance pour un dispositif de charge de batterie embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de charge étant apte à être connecté à un réseau d'alimentation électrique triphasé afin de charger la batterie et comportant un convertisseur AC-DC isolé 3058592 5 comprenant ledit circuit correcteur de facteur de puissance et un convertisseur DC-DC, ledit circuit correcteur de facteur de puissance étant un redresseur triphasé de Vienne comportant trois bras de commutation aptes à être connectés chacun à l'une des phases respectives du réseau d'alimentation 5 triphasé par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série, ledit dispositif de commande comprenant des moyens de traitement agencés pour exécuter les étapes du procédé tel que décrit ci-dessus. Ces moyens de traitement peuvent par exemple comprendre un processeur, par exemple un microprocesseur, un microcontrôleur, ou autre. 10 L'invention concerne encore un véhicule automobile électrique ou hybride comprenant une batterie haute tension et un dispositif de charge embarqué apte à charger la batterie à partir d'un réseau d'alimentation électrique triphasé, ledit dispositif de charge comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant un circuit correcteur de facteur de puissance et un convertisseur 15 DC-DC, ledit circuit correcteur de facteur de puissance étant un redresseur triphasé de Vienne comportant trois bras de commutation aptes à être connectés chacun à l'une des phases respectives du réseau d'alimentation triphasé par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série, ledit véhicule comprenant un dispositif de commande tel que décrit ci-dessus. 20 D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux figures suivantes dans lesquelles : - la figure 1 illustre de façon schématique une topologie connue d'un 25 dispositif de charge de batterie destiné à être embarqué sur un véhicule automobile électrique ou hybride, - la figure 2 illustre de façon schématique la structure d'un redresseur triphasé de Vienne intégré au dispositif de charge de la figure 1, sans le filtre d'entrée, 30 - la figure 3 est un schéma illustrant l'évolution des tensions de phase V2 V3 en entrée du redresseur sur une période du courant réseau et le principe de séparation de la période du courant réseau en 3058592 6 six portions de période pour l'application des rapports cycliques de hachage ; - la figure 4 est un schéma illustrant sur une période du courant réseau, les bras qui seront successivement maintenus à l'état fermé (rapport 5 cyclique appliqué égal à 100%) ; - La figure 5 reprend le schéma de la figure 2 en indiquant la configuration d'application des rapports cycliques de hachage en début de la première portion de période déterminée de manière à respecter les courants de consigne voulus par la régulation tout en 10 réduisant les pertes par commutation ; - la figure 6 correspond au schéma de la figure 5, en indiquant cette fois la configuration d'application des rapports cycliques de hachage en fin de la première portion de période. La figure 2 rappelle donc la structure du redresseur triphasé de Vienne 15 utilisé ici pour la correction du facteur de puissance du dispositif de charge. Le redresseur triphasé de Vienne 110 comprend trois connexions entrantes parallèles couplées chacune à une phase A, B, C d'un réseau d'alimentation électrique 4 triphasé par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série L1, L2, L3, et reliée chacune à une paire d'interrupteurs Si, S2, S3 formant un 20 premier, un deuxième et un troisième bras de commutation du redresseur triphasé de Vienne. Chaque paire d'interrupteurs 51, S2, S3 comprend un montage série constitué d'un premier interrupteur correspondant 1H, 2H, 3H, qui est piloté quand un courant d'entrée correspondant la, lb, Ic est positif, et d'un second 25 interrupteur correspondant IL, 2L, 3L qui est piloté quand le courant d'entrée correspondant est négatif. Autrement dit, on utilise un seul interrupteur piloté sur une branche de commutation pour le hachage du courant. Les interrupteurs sont formés par des composants semi-conducteurs commandés à la fermeture et à l'ouverture, tel que par exemple des transistors MOS (acronyme anglais 30 pour « Metal Oxide Semiconductor »), connectés en antiparallèle avec une diode. Les interrupteurs 1H à 3H sont également nommés interrupteurs haut et les interrupteurs 1L à 3L, interrupteurs bas. 3058592 7 Le redresseur triphasé de Vienne comprend aussi trois branches parallèles 1, 2 et 3, comportant chacune deux diodes D1 et D2, D3 et D4 et D5 et D6, qui forment un pont triphasé à six diodes permettant de redresser le courant et la tension prélevés à partir d'un réseau d'alimentation électrique 4 5 triphasé. Chaque entrée du redresseur triphasé de Vienne est connectée, par une connexion entrante parallèle respective, à un point de connexion situé entre deux diodes d'une même branche 1, 2 et 3. Les deux extrémités communes des branches 1, 2 et 3 constituent deux bornes de sorties 5 et 6, respectivement positive et négative, du redresseur 10 triphasé de Vienne, qui sont destinées à être couplées au dispositif DC-DC. Les bras de commutation S1, S2, S3 de chaque phase sont par ailleurs connectés chacun respectivement entre le point de connexion situé entre les deux diodes des première, deuxième et troisième branches 1, 2 et 3 et un point milieu M des tensions de sortie VDC_high et VDC_low du redresseur triphasé 15 de Vienne, correspondant respectivement à la tension sur un condensateur de sortie Cl entre la borne de sortie positive 5 du redresseur triphasé et le point milieu M et à la tension sur un condensateur de sortie C2 entre le point milieu M et une borne de sortie négative 6 du redresseur triphasé. A noter que la tension sur les condensateurs de sortie C1, C2 est 20 asservie de façon indépendante par le convertisseur DC-DC du dispositif de charge connecté en sortie du redresseur triphasé de Vienne, selon la topologie globale illustré à la figure 1. Autrement dit, les tensions de sortie du redresseur triphasé de Vienne sont commandées par le convertisseur DC-DC. Le redresseur triphasé de Vienne intercalé à l'entrée de l'alimentation du 25 chargeur assume le rôle de correction du facteur de puissance du chargeur, soit de régulateur des courants réseau. Un tel rôle permet d'empêcher les courants perturbateurs (harmoniques) produits par le chargeur, de circuler à travers l'impédance du réseau, située en amont du redresseur de Vienne. Les bras de commutation S1, S2 et S3 de chaque phase sont contrôlés 30 aux moyens de trois signaux de commande PWM (d'après l'anglais « Pulse Width Modulation ») ayant un rapport cyclique variable individuellement réglé par des moyens de traitement de type microcontrôleur par exemple (non représenté). Ainsi, les moyens de traitement sont adaptés à déterminer les 3058592 8 rapports cycliques des signaux de commande de commutation des interrupteurs des bras de commutation du redresseur, nécessaires pour l'asservissement des courants sinusoïdaux en entrée du redresseur. A noter qu'à chaque instant, on a seulement un interrupteur par bras de commutation 5 qui a une influence sur les tensions entre-phases, l'autre interrupteur étant court-circuité par la diode montée en parallèle. Soient V1, V2 et V3 les tensions simples, entre phases et neutre, en entrée du redresseur triphasé de Vienne et L la valeur des inductances L1, L2 et L3 connectées en série respectivement entre les points A, B et C et les bras de 10 commutation du redresseur. Le calcul des rapports cycliques nécessaires à la génération des tensions à réaliser entre chaque bras repose tout d'abord sur le principe de maintenir à l'état fermé (soit d'appliquer un rapport cyclique égal à 100°A) le bras de commutation dont le courant sera susceptible d'être le prochain à changer de 15 signe, de façon à ne pas subir les erreurs de mesure autour du changement de signe d'un des courants. Ce principe permet en effet d'immuniser la commande du système aux erreurs de mesure sur le courant du bras de commutation concerné puisqu'en maintenant fermé en permanence ce bras autour du changement de signe, il n'y aura pas de passage d'un interrupteur à l'autre au 20 changement de signe. En outre, dans la mesure où seuls deux bras de commutation sur trois sont commutés pour le hachage des courants d'entrée dans le redresseur dans cette configuration où le rapport cyclique du PWM de hachage est maintenu à 100% pour le bras dont le courant va changer de signe, les pertes par commutation peuvent être réduites. 25 Pour cela, la période du courant réseau triphasé est divisée en six portions de périodes, comme le montre la figure 3, illustrant l'évolution des courants de consigne représentés par les tensions de phase V1, V2 V3 sur une période du courant réseau. Comme on cherche à avoir un facteur de puissance le plus proche de 1, les tensions de phase sur chaque bras vont être en phase 30 avec les courants. Les portions de période référencées P1 à P6 sur la figure 3 sont aisément identifiables à partir des courants de consigne. Par exemple, la portion de période P1 correspond à un courant de consigne positif sur le 3058592 9 premier bras de commutation 1 et à des courants de consigne négatifs sur les deuxième et troisième bras de commutation S2 et S3. Une fois ces portions de période du courant réseau définies, on analyse l'évolution des courants de consigne dans les portions de période, de façon à 5 identifier sur chaque portion de période successivement, le bras de commutation dont le courant est susceptible d'être le prochain à changer de signe, et on fixe sur le bras identifié un signal de commande PWM ayant un rapport cyclique égal à 100% lors du changement de signe du courant, de sorte que les interrupteurs haut et bas du bras identifié sont maintenus fermés io en permanence autour du changement de signe du courant. On va donc en permanence chercher à fixer un rapport cyclique de commande égal à 100% sur le bras dont la tension est intermédiaire, c'est-à-dire comprise entre la tension la plus grande des trois phases et la tension la plus faible des trois phases, autrement dit encore, qui est susceptible d'être la prochaine à passer 15 par zéro. La figure 4 illustre sur une période du courant réseau triphasé, les bras qui seront successivement maintenus à l'état fermé (rapport cyclique appliqué égal à 100%), tandis que les deux autres seront utilisés pour le hachage. Pour l'analyse, plaçons-nous par exemple au début de la première portion de 20 période P1, où la tension intermédiaire V3 est celle reçue sur le troisième bras de commutation S3, de sorte que dans la première partie de cette portion de période, le bras de commutation S3 associé à la tension de phase V3 est maintenu à l'état fermé. Soient par exemple les tensions entre phases V12 et V13 demandées par la 25 régulation en entrée du redresseur. Avec le bras de commutation S3 maintenu à l'état fermé en permanence dans la première partie de la portion de période référencée 1, il est possible de commander les tensions entre phases V12 et V13 suivantes en fonction de l'état de fermeture des interrupteurs sur les autres bras de commutation : Tension V12 V13 Bras fermé 0 Vdc 2 Vdc 0 Vdc 2 Vdc S3 x x S2 et S3 x x S1 et S3 x x 3058592 10 S1, S2 et x x S3 Le tableau précédent montre qu'en maintenant le bras de commutation S3 fermé en permanence, il est possible de générer une tension entre phases V12 comprise entre 0 et 2Vd, et une tension entre phases V13 comprise entre 0 et 5 Vdc, en respectant V12>V13. Dans la première partie de la portion de période référencée 1, on sera nécessairement dans ce cas car la tension maximale est sur le premier bras de commutation S1 et la tension minimale est sur le deuxième bras de commutation S2 (le bras S3 étant associé à la tension intermédiaire comme dit plus haut). Tant que le bras S3 est celui de la tension 10 intermédiaire et que V13 a3, alors on va commander à l'état ouvert tous les bras pendant un pourcentage de temps correspondant à 4, fermer les bras S2 et S3 pendant un pourcentage de temps correspondant 1-4 et fermer uniquement le troisième bras S3 pendant le reste du temps. 5 Si a3 REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un circuit correcteur de facteur de puissance (11) pour un dispositif de charge (10) de batterie (20) embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de charge étant apte à être connecté à un réseau d'alimentation électrique triphasé (4) afin de charger la batterie et comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) et un convertisseur DC-DC (12), ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) étant un redresseur triphasé de Vienne comprenant trois bras de commutation (51, S2, S3) aptes à être connectés chacun à l'une des phases respectives (A, B, C) du réseau d'alimentation triphasé (4) par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série (L1, L2, L3) et comprenant chacun un montage en série d'un interrupteur haut apte à être piloté quand le courant du réseau est positif et d'un interrupteur bas apte à être piloté quand le courant du réseau est négatif, chaque bras étant piloté à l'aide de signaux de commande de modulation par largeur d'impulsion dont le rapport cyclique de commutation est déterminé en fonction de valeurs de courants de consigne en entrée du redresseur, caractérisé en ce que, sur chaque période des courants de consigne, les signaux de commande sont déterminés de façon à ne faire commuter systématiquement que deux bras sur trois en fonction d'un changement de signe des courants de consigne et, parmi les deux bras qui commutent, on procède à une répartition de l'état de commutation des interrupteurs concernés en faisant varier les rapports cycliques en fonction des valeurs des tensions entre phases à chaque instant donné. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on divise la période des courants de consigne en des portions de périodes, on analyse l'évolution des courants de consigne dans les portions de période, de façon à identifier sur chaque portion de période successivement, le bras de commutation dont la tension est intermédiaire entre une tension de phase la plus haute et une tension de phase la plus faible, et on applique sur le bras identifié un signal de commande ayant un rapport cyclique fixé à 100% lors du changement de signe du courant, de sorte que les interrupteurs du bras 3058592 16 identifié sont maintenus fermés en permanence autour du changement de signe du courant de la tension intermédiaire. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour chaque portion de période des courants de consigne : 5 on commande la fermeture des interrupteurs haut et bas de la tension intermédiaire tant que le rapport cyclique appliqué sur le bras identifié est fixé à 100%, pour un courant de consigne sur un des deux bras qui commute positif, on commande le hachage de l'interrupteur haut du bras correspondant avec un 10 premier rapport cyclique et on ouvre l'interrupteur bas du bras correspondant, et pour un courant de consigne sur un des deux bras qui commute négatif, on commande le hachage de l'interrupteur bas avec un deuxième rapport cyclique et on ouvre l'interrupteur haut. 15 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque portion de période représente un sixième d'une période complète des courants de consigne. 5. Dispositif de commande d'un circuit correcteur de facteur de puissance (11) pour un dispositif de charge (10) de batterie (20) embarqué 20 dans un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de charge étant apte à être connecté à un réseau d'alimentation électrique triphasé (4) afin de charger la batterie et comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) et un convertisseur DC-DC (12), ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) 25 étant un redresseur triphasé de Vienne (110) comportant trois bras de commutation (S1, S2, S3) aptes à être connectés chacun à l'une des phases respectives (A, B, C) du réseau d'alimentation triphasé (4) par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série (L1, L2, L3), ledit dispositif de commande comprenant des moyens de traitement agencés pour exécuter les étapes du 30 procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6. Véhicule automobile électrique ou hybride comprenant une batterie haute tension et un dispositif de charge embarqué apte à charger la batterie à partir d'un réseau d'alimentation électrique triphasé, ledit dispositif de charge 3058592 17 comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant un circuit correcteur de facteur de puissance (11) et un convertisseur DC-DC (12), ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) étant un redresseur triphasé de Vienne comportant trois bras de commutation (S1, S2, S3) aptes à être connectés 5 chacun à l'une des phases respectives (A, B, C) du réseau d'alimentation triphasé (4) par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série (L1, L2, L3), ledit véhicule comprenant un dispositif de commande selon la revendication 5. 10