Brevet FR3078846A1 — publié le 20190913

La présente invention se situe dans le domaine des systèmes électroniques de puissance et plus particulièrement des systèmes de conversion d'énergie entre des courants alternatifs (qui peuvent être abrégés par CA ou en anglais par AC pour « alternating current ») et/ou des courants continus (qui peuvent être abrégés par CC ou en anglais par DC pour « direct current »). La présente invention porte notamment sur la réalisation d'une alimentation isolée générée à partir du système de conversion d'énergie. Les systèmes électroniques de puissance remplissent plusieurs fonctions suivants les applications dans lesquelles ils sont utilisés. A titre d'exemple non limitatif nous pouvons citer notamment la commande de moteur pour de la variation de couple, de la conversion de source entre un accumulateur électrochimique DC et un réseau de distribution AC, de l'adaptation de niveau de tension entre deux sources DC, de la variation de puissance. Une grande majorité de ces systèmes de quelques dizaines de watts à plusieurs centaines de kilowatts sont des systèmes dits à découpage par l'homme de l'art. Autrement dit, ils sont composés d'interrupteurs à semi-conducteurs capables de commuter à des fréquences élevées des courants et des tensions importants. Ces semi-conducteurs sont pilotés par des étages de composants ou circuits électroniques de pilotage ( dénommés « drivers » par la suite) et qui permettent de convertir les signaux de commande provenant d'unité de calcul numérique, type « DSP » (pour Digital Signal Processor en anglais) ou microcontrôleur à titre d'exemple, en signaux de commande de faible puissance adaptés aux types d'interrupteur, comme illustré sur la figure 1 a qui représente un schéma générique d'un système de puissance de l'état de l'art comprenant un driver, et qui sera détaillée dans la suite de la description). Ces drivers, pour des niveaux de tension élevés et afin de satisfaire les normes de sécurité, sont isolés des circuits de commande soit par isolation galvanique (transformateur d'impulsion), soit par opto-isolation (photodiodes couplées). Dans l'état de l'art de ces drivers représenté à la figure 1 b, un étage driver est constituée d'un driver d'amplification (DD) des niveaux de tension et de courant non isolé à sorties à basse impédance ( dites push-pull ou totem-pole et qui comportent un semi-conducteur commutateur vers le niveau haut et un autre vers le niveau bas, dont l'un des deux est bloqué, tandis que l'autre est saturé ) associé à un transformateur d'impulsion (Tl) pour isoler les signaux. Dans ces types de convertisseurs, on utilise généralement des alimentations isolées à masses flottantes pour alimenter les drivers des interrupteurs ou bien alimenter des capteurs de tension qui nécessitent par exemple une alimentation sur la haute tension du type capteur à opto-isolation, et de façon non limitative les autres circuits de faible puissance nécessitant une alimentation isolée dans le système. Ces alimentations isolées à masse flottante sont dans l'état de l'art générées à partir du bus de tension élevée ou d'une source de tension auxiliaire avec l'ajout d'un régulateur à 5 découpage dédié et centralisé pour le reste des circuits. Cette solution est souvent coûteuse et consommatrice de place sur le circuit imprimé de la carte. En outre, cette alimentation centralisée doit être distribuée sur les différentes cartes du système et dimensionnée pour alimenter tous les circuits en aval. La présente invention vise à réaliser une alimentation isolée pour minimiser les coûts 10 et l'encombrement du système de conversion d'énergie. Pour atteindre au moins les objectifs susvisés, parmi d'autres, la présente invention propose, selon un premier aspect, un système électronique de puissance pour la conversion d'énergie comprenant au moins un driver, au moins une alimentation isolée à masse flottante 15 et au moins une unité de calcul numérique pour générer des signaux de commande, ledit driver comprend un driver d'amplification adapté à envoyer les signaux de commande à un transformateur d'impulsion associé, et l'invention se caractérise en ce que l'alimentation isolée à masse flottante est reliée à la sortie du driver d'amplification de telle manière que les signaux de commande sont récupérés et utilisés pour générer l'alimentation isolée à masse 20 flottante du système électronique de puissance. Selon une caractéristique, l'alimentation isolée à masse flottante comprend un transformateur avec son redresseur. 25 Selon une caractéristique, le redresseur de l'alimentation isolée à masse flottante est un redresseur à diode. Selon une caractéristique, le système électronique de puissance comprend un dispositif de mesure de courant et de tension isolés. 30 Selon une caractéristique, le driver d'amplification est un driver d'amplification des niveaux de tension et de courant non isolé à sortie push-pull. Selon une caractéristique, la sortie push-pull du driver d'amplification est composée d'une association de transistors. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne une alimentation isolée à masse flottante qui comprend un transformateur et un redresseur et qui se caractérise en ce qu'elle est adaptée à être alimentée par une sortie d'un driver d'amplification d'un système électronique de puissance tel que décrit ci-dessus. 5 L'invention consiste à utiliser ces signaux de commande entre la sortie du driver d'amplification (DD) et l'entrée du transformateur d'impulsion (Tl) pour générer des alimentations isolées flottantes comme visible sur la figure 2. Ainsi, les signaux de commande sont avantageusement envoyés vers un nouveau transformateur (TA) avec son redresseur, à diode par exemple, pour créer une alimentation 10 isolée à masse flottante. Le rapport de transformation du transformateur (TA) permet d'adapter le niveau de tension requis par le circuit consommateur. A noter que l'on peut dans une variante de l'invention rajouter un régulateur linéaire pour stabiliser la tension en sortie du transformateur (TA). D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la 15 lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. Présentation succincte des figures La figure 1 a représente l'état de l'art d'un schéma générique d'un système de puissance ; 20 La figure 1 b est un schéma d'un driver de l'état de l'art utilisé dans un système de puissance de la figure 1 a ; La figure 2 est un schéma de détail de l'étage driver et de la génération de l'alimentation isolée selon un mode de réalisation. Description détaillée de l'invention 25 Les systèmes électroniques de puissance (1) remplissent plusieurs fonctions suivants les applications dans lesquelles ils sont utilisés comme notamment la commande de moteur pour de la variation de couple, de la conversion de source entre un accumulateur électrochimique DC et un réseau de distribution AC, de l'adaptation de niveau de tension entre deux sources DC, de la variation de puissance. 30 Comme énoncé précédemment une grande majorité de ces systèmes, de quelques dizaines de watts à plusieurs centaines de kilowatts, sont des systèmes dits à découpage. Autrement dit ils sont composés d'interrupteurs à semi-conducteurs (13) capables de commuter à des fréquences élevées des courants et des tensions importants. La figure la illustre sous forme de schéma bloc, les différentes fonctions d'un système électronique de puissance (également appelé « à conversion d'énergie ») tel que présenté en introduction et que l'on retrouve généralement dans l'état de l'art. Ce schéma est également celui retrouvé dans le cadre de l'invention décrite ci-après. Sur les figures, les 5 références GND correspondent aux masses électriques. Un tel système électronique (1) comprend un bloc de mesure MES qui est composé de dispositifs de mesures de courant et de tension isolés des grandeurs situées sur la haute tension du convertisseur. Ce bloc de mesure comprend des capteurs (3) isolés, par un système d'isolation (4), entre la mesure d'entrée et un signal conditionné de sortie. Ce signal 10 de mesure en sortie étant adapté aux niveaux de tension usuelle d'une unité (2) numérique de calcul. Le système électronique (1) comprend également des dispositifs de conditionnement des mesures, des drivers de communication et l'unité (2) numérique de calcul. Cette partie étant le coeur du système où la logique de fonctionnement du système est implémentée. 15 En outre, le système électronique (1) comprend des dispositifs de commande des semi-conducteurs (13) de puissance. Dans le cas de systèmes de conversion à haute tension, ces dispositifs sont des drivers (10) isolés. Les semi-conducteurs sont pilotés par des étages drivers qui permettent de convertir des signaux de commande (12) provenant de l'unité de calcul numérique (2) en signaux de commande de faible puissance adaptés aux 20 types d'interrupteur. Le système électronique (1) comprend également des dispositifs de commutation de puissance typiquement à semi-conducteurs MOSFET (qui sont les acronymes de « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » en anglais ce qui se traduit par transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur) ou IGBT (de l'anglais lnsulated 25 Gate Bipolar Transistor ou « transistor bipolaire à grille isolée »). Ces interrupteurs sont connectés entre la sortie et l'entrée du système au travers d'un système d'accumulation inductif d'énergie, typiquement un transformateur pour les convertisseurs isolés ou une inductance pour les convertisseurs non isolés. Ces dispositifs de commutation peuvent être commandés par une méthode de modulation de longueur d'impulsion PWM (de l'anglais 30 « Power Width Modulation »). Comme visible sur la figure 1b, un driver (10) est constitué d'un driver d'amplification (DD) des niveaux de tension et de courant non isolé à sorties push-pull (15) associé à un transformateur d'impulsion (Tl) pour isoler les signaux. Le driver (10) comprend également une partie commande (CMD) et une partie puissance (PUI). La partie commande (CMD) et le 35 driver d'amplification (DD) sont isolés par une isolation (14), qui peut être soit une isolation galvanique (transformateur d'impulsion), soit une isolation opto-isolation (photodiodes couplées). Les sorties push-pull (15) du driver d'amplification (DD) peuvent être composées d'une association de transistors. Les tensions aux bornes des sorties (15) est généralement 5 comprise entre +15V et -15V. Elles peuvent également être à OV. La partie puissance (PUI) et le driver d'amplification (DD) sont également isolés par une isolation (16). La figure 2 représente un système électronique (1) dans un mode de réalisation conforme à l'invention. A cet effet le système électronique (1) comprend un étage driver et 10 une alimentation isolée à masse flottante (11). L'étage driver tel que précédemment décrit, est constitué d'un driver d'amplification (DD) des niveaux de tension et de courant non isolé à sortie push-pull associé à un transformateur d'impulsion (TI) pour isoler les signaux. Dans le cadre de l'invention les signaux de commande (12) entre la sortie du driver d'amplification (DD) et l'entrée du transformateur d'impulsion (TI) sont récupérés et utilisés pour générer les 15 alimentations isolées flottantes (11). Pour ce faire, on prévoit une connexion filaire comme des fils métalliques (notamment en cuivre), qui relie la sortie du driver d'amplification (DD) et l'entrée du transformateur d'impulsion (TI). Une autre réalisation de connectique consiste à utiliser les pistes électroniques d'une carte électronique. L'invention peut comprendre une ou plusieurs alimentations isolées flottantes. 20 L'alimentation isolée à masse flottante (11) comprend un transformateur (TA) avec son redresseur, à diode par exemple, afin de créer une alimentation isolée et redressée à masse flottante d'une amplitude paramétrable en sortie. Les signaux de commande (12) sont envoyés vers ce nouveau transformateur (TA) avec son redresseur. Le rapport de transformation du transformateur (TA) permet d'adapter le niveau de 25 tension requis par le circuit consommateur (non représenté). Dans une variante de l'invention, on peut rajouter un régulateur linéaire pour stabiliser la tension en sortie du transformateur (TA). Le mode de réalisation de la figure 2 peut comprendre des variantes de réalisation. Notamment, une variante qui consiste à utiliser des transformateurs à 2 secondaires, ou une 30 autre variante qui consiste à utiliser un transformateur à 1 secondaire de ratio n : 1 ou encore une variante consistant à utiliser un transformateur planaire. L'invention décrite ci-dessus présente l'avantage de réutiliser des fonctions existantes dans le circuit pour avantageusement créer une alimentation isolée et locale à masse flottante. En ce sens, l'invention permet de diminuer le nombre de composants ainsi que le 35 coût et de réduire l'encombrement, les connecteurs et les câbles à distribuer entre les 6 différentes cartes. On notera également que l'invention est avantageuse concernant le choix de l'unité de calcul numérique, elle permet en effet de ne pas rajouter de besoin de sortie PWM pour gérer les différentes alimentations isolées à masse flottante, donc de choisir un composant moins coûteux. 5 Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux réalisations décrites ci-dessus à titre d'exemple, REVENDICATIONS1) Système électronique de puissance (1) pour la conversion d'énergie comprenant au moins un circuit électronique de pilotage (10), au moins une alimentation isolée à masse flottante (11) et au moins une unité de calcul numérique (2) pour générer des signaux de commande (12), ledit circuit électronique de pilotage (10) comprend un circuit électronique de pilotage de l'amplification (DD) adapté à envoyer les signaux de commande (12) à un transformateur d'impulsion (Tl) associé audit circuit électronique de pilotage de l'amplification (DD) caractérisé en ce que l'alimentation isolée à masse flottante (11) est reliée à la sortie du circuit électronique de pilotage de l'amplification (DD) de telle manière que les signaux de commande (12) issus dudit circuit électronique de pilotage de l'amplification (DD) sont récupérés et utilisés pour générer l'alimentation isolée à masse flottante (11) du système électronique de puissance (1). 2) Système électronique de puissance (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'alimentation isolée à masse flottante (11) comprend un transformateur (TA) avec son redresseur. 3) Système électronique de puissance (1) selon la revendication 2 caractérisé en ce que le redresseur de l'alimentation isolée à masse flottante (11) est un redresseur à diode. 4) Système électronique de puissance (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure de courant et de tension isolés. 5) Système électronique de puissance (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit électronique de pilotage de l'amplification (DD) est un circuit électronique de pilotage de l'amplification des niveaux de tension et de courant non isolé à sortie à basse impédance (15). 6) Système électronique de puissance (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que la sortie à basse impédance (15) du circuit électronique de pilotage de l'amplification (DD) est composée d'une association de transistors. 7) Alimentation isolée à masse flottante (11) comprenant un transformateur (TA) et un redresseur caractérisé en ce qu'elle est adaptée à être alimentée par une sortie d'un circuit électronique de pilotage de l'amplification (DD) d'un système électronique de puissance (1) tel que revendiqué dans les revendications 1 à8.