Brevet FR3063850A1 — publié le 20180914

Convertisseur à double pont Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte un procédé de commande d'un bras de commutation à au moins deux transistors de puissance à double grille et au système de commande destiné à mettre en oeuvre ledit procédé. Etat de la technique Le transistor de puissance en Nitrure de Gallium (GaN) est connu comme étant un composant qui présente certains avantages, notamment une faible résistance à l'état passant permettant d'occasionner peu de pertes et une capacité à fonctionner à des fréquences élevées. Ce transistor présente une structure obtenue par la croissance par épitaxie de couches de GaN sur un substrat de silicium. Plus spécifiquement, les transistors à effet de champ à haute mobilité d'électrons HEMTs (ou High Electron Mobility Transistor dans la littérature anglo-saxonne), basés sur l'hétérojonction AlGaN/GaN, ont démontré d'excellentes performances. Récemment, il a été proposé de réaliser sur une seule puce un tel transistor bidirectionnel à deux grilles séparées. La demande de brevet W02009/153965A1 décrit un tel composant et son emploi dans un variateur de vitesse pour la commande d'un moteur électrique. La figure 1 est un schéma représentant une coupe verticale d'un transistor HEMT AlGaN/GaN latéral à double grille et à drain commun. Ce composant est réalisé à partir d'un substrat 100 de silicium en guise de support, d'une couche canal 101 de GaN, et d'une couche barrière 102 de Nitrure de Gallium d'Aluminium AlGaN formant une hétérojonction avec la couche de GaN. Ces deux couches semi-conductrices ont des bandes interdites différentes qui forment un puits quantique à leur interface. Des électrons sont confinés dans ce puits quantique pour former un gaz bidimensionnel d'électrons (2DEG) qui constitue le canal situé à l'interface AlGaN/GaN du côté GaN. L'épitaxie ainsi obtenue accueille deux électrodes ohmiques Si et S2 espacées latéralement. Deux électrodes de commande, communément appelées grilles, respectivement Gh et GI, sont disposées entre les deux électrodes ohmiques Si et S2. Suivant l'architecture à drain commun retenue, le courant et la tension sont donc gérés par un seul et même canal, ce qui optimise la résistance spécifique et le coût du composant. 3063850 2 Même si l'emploi de tels transistors dans des convertisseurs de puissance tels que des variateurs de vitesse a déjà été évoqué dans l'état de la technique, aucune stratégie de commande d'un bras de commutation muni de plusieurs de ces transistors 5 bidirectionnels à double grille n'a été décrite. Or, il s'avère qu'il existe un besoin de proposer une stratégie de commande adaptée à ce type de composant dans son emploi dans un bras de commutation, notamment pour : - Eviter toute mise en court-circuit de la source de tension, même lors d'un 10 court instant ; - Permettre de toujours proposer un chemin pour que le courant dans la charge (souvent inductive) puisse se reboucler, même pour un court instant ; - Gérer l'inversion de polarité de la source de tension ; 15 Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de commande de transistors bidirectionnels à double grille associés en série dans un bras de commutation, qui permette de répondre aux objectifs fixés ci-dessus. 20 Exposé de l'invention Ce but est atteint par un convertisseur à double pont qui comporte : - Un transformateur comprenant un enroulement primaire et un enroulement secondaire ; 25 - Un premier pont de commutation de type AC/AC connecté à l'enroulement primaire du transformateur et qui comporte au moins deux bras de commutation connectés à une source de tension alternative d'entrée, chaque bras de commutation comportant au moins deux transistors ; - Un deuxième pont de commutation de type AC/DC connecté à 30 l'enroulement secondaire du transformateur et qui comporte au moins deux bras de commutation ; - Un circuit résonant connecté au premier pont de commutation et à l'enroulement primaire du transformateur et qui comporte un condensateur de résonance en série avec une inductance ; 35 - Un système de commande des transistors du premier pont de commutation et du deuxième pont de commutation ; 3063850 3 - Chaque bras de commutation du premier pont de commutation comportant au moins un premier transistor bidirectionnel à deux électrodes de grille et un deuxième transistor bidirectionnel à deux électrodes de grille connectés en série, chaque électrode de grille de chaque transistor pouvant être dans 5 un premier état ou dans un deuxième état, chaque transistor étant commandé de sorte que lorsque : o Sa première électrode de grille est dans le premier état et sa deuxième électrode de grille dans le premier état, le transistor est à l'état ouvert, 10 o La première électrode de grille et la deuxième électrode de grille sont dans des états différents, le transistor est dans un mode de fonctionnement diode, le mode de fonctionnement diode étant diode inverse ou diode direct selon l'état de chaque électrode de grille, o Sa première électrode de grille est dans le deuxième état et sa 15 deuxième électrode de grille est dans le deuxième état, le transistor est à l'état fermé. Selon une particularité, le système de commande comporte : - Des moyens de traitement agencés pour exécuter des instructions pour 20 appliquer au moins une séquence de commande déterminée ; - Des moyens d'acquisition de données utilisées comme entrées pour appliquer ladite séquence de commande ; - Des moyens de commande recevant des commandes de la part des moyens de traitement et agencés pour appliquer des signaux de commande 25 sur les grilles des transistors desdits au moins deux bras de commutation selon la séquence de commande qui est appliquée ; Ledit système de commande est apte à commander une séquence de commande de type pleine onde dans laquelle le premier transistor du premier bras de commutation et le deuxième transistor du deuxième bras de 30 commutation sont à l'état fermé en même temps et le deuxième transistor du premier bras de commutation et le premier transistor du premier bras de commutation sont à l'état fermé en même temps. Selon une particularité, ladite séquence de commande de type pleine onde est 35 mise en oeuvre sur chaque bras de commutation de la manière suivante : 3063850 4 - Lorsque le premier transistor est commuté de l'état fermé vers un mode de fonctionnement diode, le mode de fonctionnement diode est choisi pour assurer une mise en conduction naturelle du deuxième transistor selon un mode de fonctionnement diode de type roue libre ; 5 - Lorsque le premier transistor est commuté dans le mode de fonctionnement diode, le deuxième transistor est dans un mode de fonctionnement diode choisi pour reboucler un courant de charge et assurer la continuité dudit courant de charge ; - Lorsque le deuxième transistor est commuté du mode de fonctionnement 10 diode vers l'état fermé, le premier transistor est maintenu dans son mode de fonctionnement diode. Selon une réalisation particulière, lorsque la tension d'entrée est dans une alternance de tension positive, le premier transistor étant initialement à l'état fermé et le 15 deuxième transistor initialement dans le mode de fonctionnement diode, ledit système est apte à mettre en oeuvre la séquence suivante : - Commander le premier transistor dans le mode de fonctionnement diode, - Après un temps-mort, commander le deuxième transistor à l'état fermé, - Commander le deuxième transistor dans le mode de fonctionnement diode, 20 - Après un temps-mort, commander le premier transistor à l'état fermé, Selon une réalisation particulière, lorsque la tension d'entrée est dans une alternance de tension négative, le premier transistor étant initialement à l'état fermé et le deuxième transistor initialement dans le mode de fonctionnement diode, ledit système 25 est apte à mettre en oeuvre la séquence suivante : - Commander le premier transistor dans le mode de fonctionnement diode, - Après un temps-mort, commander le deuxième transistor à l'état fermé, - Commander le deuxième transistor dans le mode de fonctionnement diode, - Après un temps-mort, commander le premier transistor à l'état fermé. 30 Selon une particularité, ladite séquence de commande comporte une étape de commutation des deux électrodes de grilles de tous les transistors dans le premier état lorsque la tension d'entrée est proche de zéro, entre une alternance de tension positive et une alternance de tension négative et entre une alternance de tension négative et une alternance de tension positive. 35 Selon une autre particularité, le convertisseur comporte des moyens de mesure de la tension fournie par ladite source d'alimentation. 3063850 5 L'invention concerne également le chargeur de batteries d'un véhicule électrique qui comporte un convertisseur à double pont tel que défini ci-dessus. La présence de deux grilles permet au composant de couper une tension quel que soit son signe et de conduire du courant dans les deux sens. On verra que cette 5 caractéristique permet de réaliser des fonctions de conversion directe d'une tension alternative vers une autre tension alternative (par exemple dans le cadre d'un variateur de vitesse à partir du réseau triphasé ou d'un chargeur isolé qui alimente le transformateur d'isolement directement à partir du réseau d'alimentation) avec une densité de puissance et un rendement nettement plus élevés qu'avec les topologies 10 conventionnelles. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description 15 détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels : - Les figure 1A et 1B représentent un transistor à effet de champ à haute mobilité électronique, à double grille et à drain commun, connu dans l'état de la technique, respectivement vu suivant une coupe schématique et vu sous la forme de son symbole électronique ; 20 - La figure 2 illustre les différents états pris par un transistor bidirectionnel à double grille tel que représenté sur la figure 1 ; - La figure 3 représente un schéma électronique d'un bras de commutation à deux transistors bidirectionnels à double grille en série tels que représentés sur la figure 1, connecté à une source d'alimentation et commandé pour 25 alimenter une charge électrique ; - Les figures 4A et 4B représentent des chronogrammes illustrant les séquences de commande appliquées au bras de commutation de la figure 3; - Les figures 5A et 5B illustrent les différentes phases des séquences de 30 commande représentées sur les figures 4A et 4B; - La figure 6 représente des courbes illustrant les séquences de commande des figures 4A et 4B; - La figure 7 représente la topologie d'un convertisseur à double pont "Dual Active Bridge" de type monophasé, à deux bras de commutation tels que 35 celui de la figure 3; 3063850 6 - La figure 8 représente la topologie d'un convertisseur à double pont "Dual Active Bridge" de type triphasé, à trois bras de commutation tels que celui de la figure 3 ; - La figure 9 représente un chronogramme illustrant la séquence de 5 commande appliquée à un pont de commutation du convertisseur de la figure 7 ; - La figure 10 illustre les différentes phases de la séquence de commande représentée sur la figure 9 ; - La figure 11 illustre le principe de l'aide au blocage d'un transistor employé 10 dans un convertisseur de l'invention ; Description détaillée d'au moins un mode de réalisation Comme déjà décrit ci-dessus, un transistor à effet de champ à haute mobilité électronique (HEMT) en Nitrure de Gallium (ci-après GaN) sur substrat silicium à deux 15 grilles séparées et à drain commun est représenté sur les figures 1A et 1B. De manière générale mais non limitative et pour les besoins de l'invention, un tel transistor comporte les particularités suivantes : - Un substrat en silicium ; - Une couche de GaN formée par épitaxie sur le substrat en silicium, au 20 travers d'une couche tampon spécifique (AIN typiquement) afin d'assurer l'intégrité de la structure cristalline du GaN ; - Une couche barrière formée par épitaxie sur la couche de GaN, de manière à former un canal de conduction à l'interface de la couche de GaN et la couche barrière ; 25 - Deux électrodes de source Si, S2 opposées et un drain D commun ; - Deux électrodes de commande, appelées également électrodes de grille Gh, GI, réalisées sur la couche barrière et formées entre les deux électrodes de source Si, S2 de manière à moduler la conductance dans le canal de conduction entre les deux électrodes de source Si, S2 ; 30 La structure à drain commun n'augmente la taille du composant que d'une longueur grille-source par rapport à un transistor simple grille (environ 10% de surface active supplémentaire pour une tension de blocage de 600V, soit 211m pour une longueur 35 de 17 à 1811m classiquement). 3063850 7 Dans un tel transistor, la première électrode de grille (Gh) et la deuxième électrode de grille (GI) sont chacune susceptibles de prendre deux états distincts, dits premier état et deuxième état. De manière non limitative, le premier état est un état 0, c'est-à-dire que la grille est inactive et le deuxième état est un état 1, c'est-à-dire que la 5 grille est active. L'invention est décrite ci-dessous avec des transistors de type normalement ouvert ("normally off"), c'est-à-dire à l'état ouvert en l'absence de tension de commande sur la grille mais il faut comprendre qu'elle pourrait s'appliquer avec des transistors de type normalement fermé ("normally on"), c'est-à-dire à l'état fermé en l'absence de 10 tension de commande sur la grille. En référence à la figure 2, selon l'état pris par chacune de ses électrodes de grille Gh et GI, le transistor pourra prendre les quatre états distincts ou modes de fonctionnements décrits ci-dessous : - Etat A: Première électrode de grille Gh à l'état 0 et deuxième électrode de 15 grille GI à l'état 0, le transistor est à l'état ouvert ; - Etat B : Première électrode de grille Gh à l'état 1 et deuxième électrode de grille GI à l'état 0, le transistor est dans un mode de fonctionnement diode inverse ; - Etat C : Première électrode de grille Gh à l'état 0 et deuxième électrode de 20 grille GI à l'état 1, le transistor est dans un mode de fonctionnement diode direct ; - Etat D : Première électrode de grille Gh à l'état 1 et deuxième électrode de grille GI à l'état 1, le transistor est à l'état fermé ; 25 Dans un tel composant à double-grille à base de GaN, le mode de fonctionnement diode est réalisé de manière automatique avec une remise en conduction naturelle du composant en mode inverse lorsqu'il est bloqué. 30 Ces quatre états A, B, C, D permettent ainsi un fonctionnement dans les quatre quadrants, c'est-à-dire : - Tension à bloquer positive ou négative entre les électrodes Si et S2; - Circulation du courant dans les deux sens entre les électrodes Si et S2; - Choix du sens de roue libre selon le signe de la tension à bloquer entre les 35 électrodes Si et S2; 3063850 8 En référence à la figure 3, l'invention s'applique notamment à un bras de commutation qui comporte deux transistors TH1, TL1 bidirectionnels à double grille tels que décrits ci-dessus, connectés en série à une source d'alimentation fournissant une 5 tension d'entrée alternative Ve. Le premier transistor TH1 comporte une première électrode de grille Glh et une deuxième électrode de grille Gll et le deuxième transistor TL1 comporte une première électrode de grille G2h et une deuxième électrode de grille G2I. Les deux transistors TH1, TL1 sont commandés pour convertir ladite tension d'entrée Ve en une tension de sortie Vc fournie à une charge électrique C, par exemple 10 connectée en parallèle du deuxième transistor TL1. La source d'alimentation fournit une tension Ve alternative, avantageusement sinusoïdale, comportant une succession de motifs, chaque motif comprenant une alternance de tension positive suivie d'une alternance de tension négative. La tension Ve est par exemple la tension fournie par le réseau électrique à une fréquence de 50Hz ou 60Hz. 15 En tenant compte des différents états décrits ci-dessus que peut prendre chaque transistor à double grille, l'invention vise à proposer un procédé de commande adapté à un tel bras de commutation qui permette de remplir certains objectifs, notamment : D'éviter toute mise en court-circuit de la source d'alimentation, même lors 20 d'une courte durée ; - De toujours proposer un chemin pour que le courant présent dans la charge (qui est souvent inductive) puisse se reboucler, même lors d'une courte durée ; - De gérer l'inversion de polarité de la source d'alimentation ; 25 Les figures 4A et 4B représentent deux chronogrammes illustrant le principe du procédé de commande de l'invention. Le premier chronogramme est appliqué lorsque la tension d'entrée fournie par la source d'alimentation est dans une alternance positive (Ve>0) et le deuxième chronogramme est appliqué lorsque la tension d'entrée fournie 30 par la source d'alimentation est dans une alternance négative (Ve 0, les 30 moyens de traitement évoqués ci-dessus mettent en oeuvre la séquence suivante : - Les électrodes de grille G1 h et G2h sont maintenues actives, c'est-à-dire à l'état 1 pendant toute la durée de l'alternance. La commutation est alors appliquée sur les deux autres électrodes de grille, c'est-à-dire Gll et G2I. - A partir de tO, H=1 - L'électrode de grille G1I est initialement à l'état 1 et 35 l'électrode de grille G2I est à l'état 0. Le premier transistor TH1 est ainsi dans l'état D, c'est-à-dire fermé et le deuxième transistor TL1 est dans l'état 3063850 10 B, c'est-à-dire dans un mode de fonctionnement diode inverse. La tension de sortie Vc générée par le bras de commutation vaut donc Vc=Ve et le courant Ic augmente, permettant d'alimenter la charge électrique C. - A partir de t1 , H=0 - L'électrode de grille Gll passe à l'état 0 et l'électrode 5 de grille G2I reste à l'état 0. Le premier transistor TH1 et le deuxième transistor TL1 sont chacun dans l'état B, c'est-à-dire dans le mode fonctionnement diode inverse. La tension de sortie s'annule, Vc=0. Le courant Ic décroît. Lorsque TH1 passe dans le fonctionnement diode inverse, le transistor TL1 se place naturellement en roue libre, permettant 10 de reboucler le courant Ic. - A partir de t2, H=0 - Après un temps mort dl, l'électrode de grille G2I est commandé à l'état 1. L'électrode de grille G1 I est toujours à l'état 0. Le premier transistor TH1 est donc toujours dans l'état B, c'est-à-dire dans le mode de fonctionnement diode inverse et le deuxième transistor TL1 est 15 commuté dans l'état D, c'est-à-dire à l'état fermé. La tension Vc reste nulle, Vc=0 et le courant Ic continue de décroître. - A partir de t3, H=1 - L'électrode de grille G2I passe à l'état 0. L'électrode de grille Gll reste inactive à l'état 0. Le premier transistor TH1 et le deuxième transistor TL1 sont donc à l'état B, c'est-à-dire en mode de fonctionnement 20 diode inverse. Le transistor TL1 est ainsi remis en fonctionnement diode inverse pour préparer la prochaine commutation du transistor TH1. - A partir de t4, H=1 - Après un temps mort dl, l'électrode de grille Gll est commandée à l'état 1. L'électrode de grille G2I est maintenue inactive à l'état 0. Le premier transistor TH1 1 est donc commuté dans l'état D, c'est-à-dire 25 à l'état fermé et le deuxième transistor TL1 est dans l'état B, c'est-à-dire dans le mode de fonctionnement diode inverse. En référence à la figure 4B et à la figure 5B, lorsque la tension d'entrée est dans une alternance négative, Ve REVENDICATIONS1. Convertisseur à double pont qui comporte : - Un transformateur (3) comprenant un enroulement primaire et un enroulement secondaire ; - Un premier pont de commutation (20) de type AC/AC connecté à l'enroulement primaire du transformateur et qui comporte au moins deux bras de commutation connectés à une source de tension alternative d'entrée (Ve), chaque bras de commutation comportant au moins deux transistors ; - Un deuxième pont de commutation (21) de type AC/DC connecté à l'enroulement secondaire du transformateur (3) et qui comporte au moins deux bras de commutation ; - Un circuit résonant connecté au premier pont de commutation et à l'enroulement primaire du transformateur et qui comporte un condensateur de résonance (Cr) en série avec une inductance (Lr) ; - Un système de commande des transistors du premier pont de commutation et du deuxième pont de commutation ; - Caractérisé en ce que chaque bras de commutation du premier pont de commutation comporte au moins un premier transistor (TH1, TH2) bidirectionnel à deux électrodes de grille et un deuxième transistor (TL1, TL2) bidirectionnel à deux électrodes de grille connectés en série, chaque électrode de grille de chaque transistor pouvant être dans un premier état ou dans un deuxième état, chaque transistor étant commandé de sorte que lorsque : o Sa première électrode de grille (G1h, G2h) est dans le premier état et sa deuxième électrode de grille (G11, G21) dans le premier état, le transistor est à l'état ouvert, o La première électrode de grille (G1 h, G2h) et la deuxième électrode de grille (G1I, G21) sont dans des états différents, le transistor est dans un mode de fonctionnement diode, le mode de fonctionnement diode étant diode inverse ou diode direct selon l'état de chaque électrode de grille, 3063850 22 o Sa première électrode de grille (G1 h, G2h) est dans le deuxième état et sa deuxième électrode de grille (G11, G21) est dans le deuxième état, le transistor est à l'état fermé. 5 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de commande comporte : - des moyens de traitement agencés pour exécuter des instructions pour appliquer au moins une séquence de commande déterminée ; - des moyens d'acquisition de données utilisées comme entrées pour 10 appliquer ladite séquence de commande ; - des moyens de commande recevant des commandes de la part des moyens de traitement et agencés pour appliquer des signaux de commande sur les grilles des transistors desdits au moins deux bras de commutation selon la séquence de commande qui est appliquée ; 15 Caractérisé en ce que ledit système est apte à commander une séquence de commande de type pleine onde dans laquelle le premier transistor du premier bras de commutation et le deuxième transistor du deuxième bras de commutation sont à l'état fermé en même temps et le deuxième transistor du premier bras de commutation et le premier transistor du premier bras de 20 commutation sont à l'état fermé en même temps. 3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite séquence de commande de type pleine onde est mise en oeuvre sur chaque bras de commutation de la manière suivante : - Lorsque le premier transistor (TH1, TH2) est commuté de l'état fermé vers 25 un mode de fonctionnement diode, le mode de fonctionnement diode est choisi pour assurer une mise en conduction naturelle du deuxième transistor (TL1, TL2) selon un mode de fonctionnement diode de type roue libre ; - Lorsque le premier transistor (TH1, TH2) est commuté dans le mode de fonctionnement diode, le deuxième transistor (TL1, TL2) est dans un mode 30 de fonctionnement diode choisi pour reboucler un courant de charge (10) et assurer la continuité dudit courant de charge (10) ; - Lorsque le deuxième transistor (TL1, TL2) est commuté du mode de fonctionnement diode vers l'état fermé, le premier transistor (TH1, TH2) est maintenu dans son mode de fonctionnement diode. 3063850 23 4. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que, lorsque la tension d'entrée est dans une alternance de tension positive, le premier transistor (TH1, TH2) étant initialement à l'état fermé et le deuxième transistor (TL1, TL2) initialement dans le mode de fonctionnement diode, 5 ledit système est apte à mettre en oeuvre la séquence suivante : - Commander le premier transistor dans le mode de fonctionnement diode, - Après un temps-mort, commander le deuxième transistor à l'état fermé, - Commander le deuxième transistor dans le mode de fonctionnement diode, - Après un temps-mort, commander le premier transistor à l'état fermé, 10 5. Convertisseur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que, lorsque la tension d'entrée est dans une alternance de tension négative, le premier transistor (TH1) étant initialement à l'état fermé et le deuxième transistor (TL1) initialement dans le mode de fonctionnement diode, ledit système est 15 apte à mettre en oeuvre la séquence suivante : - Commander le premier transistor dans le mode de fonctionnement diode, - Après un temps-mort, commander le deuxième transistor à l'état fermé, - Commander le deuxième transistor dans le mode de fonctionnement diode, - Après un temps-mort, commander le premier transistor à l'état fermé. 20 6. Convertisseur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ladite séquence de commande comporte une étape de commutation des deux électrodes de grilles de tous les transistors dans le premier état lorsque la tension d'entrée est proche de zéro, entre une alternance de tension positive et une alternance de tension négative et entre une alternance de tension négative et une 25 alternance de tension positive. 7. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure de la tension fournie par ladite source d'alimentation. 8. Chargeur de batteries d'un véhicule électrique, caractérisé en ce qu'il 30 comporte un convertisseur tel que défini dans l'une des revendications 1 à 7.