Brevet FR3077441A1 — publié le 20190802

Procédé de commande d'un redresseur triphasé pour un dispositif de charge à entrée triphasée 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 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 20 (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 également pour assurer la fonction d'isolation pour la sécurité d'utilisation. Un 2 filtre d'entrée 13 est classiquement intégré en entrée du dispositif de charge embarqué 10, en amont du circuit PFC 20 par rapport au réseau électrique triphasé 30. Le circuit PFC 20 est commandé par un contrôleur intégré (non 5 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. Son rôle est plus précisément d'obtenir un courant non 10 déphasé et le plus sinusoïdal possible en entrée de l'alimentation du chargeur. Pour le circuit PFC 20, il est connu, notamment du document d'art antérieur CN104811061, de mettre en oeuvre un redresseur triphasé trois niveaux à trois interrupteurs, communément connu sous le nom de redresseur triphasé de Vienne, tel que décrit dans le document d'art antérieur EP94120245 15 et en figure 2. Le choix de cette topologie est en effet particulièrement avantageux du point de vue des performances pour la correction de facteur de puissance. Dans un redresseur triphasé de Vienne 20, chaque phase de la tension d'entrée alternative triphasée 30 est reliée par des inductances respectives La, 20 Lb, Lc à un bras de commutation 1, 2, 3 du redresseur 20, lequel est pourvu d'une cellule d'interrupteurs de puissance respectivement Sa, Sb, Sc. Les cellules d'interrupteurs de puissance Sa, Sb, Sc étant disposées chacune entre une inductance respective La, Lb, Lc et un point milieu O entre les deux tensions de sortie VDCH et VDCL du redresseur 20, correspondant 25 respectivement à la tension sur un premier condensateur de sortie Cl connecté entre le point milieu O et une ligne d'alimentation positive H et à la tension sur un deuxième condensateur de sortie C2 connecté entre le point milieu O et une ligne d'alimentation négative L. Généralement pour commander un tel redresseur de Vienne 20, on 30 mesure les tensions et les courants en entrée de chaque interrupteur Sa, Sb, Sc ainsi qu'en sortie du redresseur et on utilise des boucles de régulation permettant de générer des rapports cycliques nécessaires pour régler le temps de conduction moyen des interrupteurs Sa, Sb, Sc. 3 Cependant, les procédés de génération des rapports cycliques connus de l'art antérieur ont pour inconvénient de provoquer des pertes relativement importantes, notamment dues au découpage des semi-conducteurs du pont de Vienne. 5 Aussi, la présente invention vise à remédier à cet inconvénient. On propose un procédé de commande d'un redresseur de Vienne triphasé, comprenant une pluralité d'interrupteurs de puissance commandés associés chacun à une phase électrique ; le procédé comprenant : - une étape de transformation de trois tensions composées de consigne 10 fournies en trois tensions simples. Le procédé comprend aussi : - une étape de calcul d'une composante homopolaire à injecter en fonction des valeurs et des signes des tensions simples et des valeur moyennes des courants de phases du redresseur de Vienne triphasé; 15 ladite étape de calcul de la composante homopolaire comprenant : - une étape de sélection d'une tension de commande parmi les trois tensions simples, en fonction des courants de chacune des phases ; - une étape de détermination d'une constante fonction de ladite tension de commande choisie ; 20 - une étape de détermination, pour chaque tension simple, d'une première valeur intermédiaire ; - une étape de détermination d'une deuxième valeur intermédiaire en fonction des relations d'ordres entre les trois tensions simples ; et - une étape de calcul de la composante homopolaire en fonction de 25 ladite deuxième variable intermédiaire et de chacune des premières valeurs intermédiaires ; le procédé comprenant en outre : - une étape de calcul pour chaque phase, d'une modulante en fonction de ladite composante homopolaire déterminée et de la tension simple 30 associée à ladite phase ; et - une étape de génération de six signaux de commutations des interrupteurs de puissance commandés, en fonction du signe des courants de phases et des valeurs de modulantes calculées. 4 Ainsi, on obtient un procédé de commande adaptative basée sur l'injection d'un harmonique de rang trois, de la forme M x f(3cot) avec M l'amplitude du signal à injecter, ne nécessitant ni équation trigonométrique ni boucle à verrouillage de phase (PLL) pour la détermination de l'angle électrique t9 = cot. 5 Ce procédé de commande réduit fortement les pertes liées à la commutation des interrupteurs du redresseur de Vienne. Avantageusement et de manière non limitative, on choisit ladite tension de commande de sorte qu'elle corresponde à la tension simple de la phase présentant le courant de phase, en valeur absolue, le plus important parmi les 10 trois courants de phase. Ainsi, le choix de la tension de commande reste relativement simple et rapide en terme d'exécution algorithmique. Avantageusement et de manière non limitative, ladite constante est égale à un multiplié par le signe de ladite tension de commande moins ladite tension de commande. Ainsi, le calcul de la constante et simple est rapide en terme 15 d'exécution algorithmique. Avantageusement et de manière non limitative, pour chaque phase la première valeur intermédiaire est égale à ladite tension simple associée à ladite phase auquel on ajoute ladite constante déterminée. Ainsi, le calcul de première valeur intermédiaire pour chaque phase est simple et rapide en terme 20 d'exécution algorithmique. Avantageusement et de manière non limitative, ladite deuxième valeur intermédiaire correspond à la tension simple dont la valeur d'amplitude est comprise entre les deux autres tensions simples. Ainsi on peut sélectionner la deuxième valeur intermédiaire uniquement par des comparaisons de valeurs. 25 Avantageusement et de manière non limitative, ladite composante homopolaire est égale à ladite constante si le signe de la première valeur intermédiaire de la première phase est identique au signe du courant de la première phase. Ainsi, un premier test rapide permet de déterminer la composante homopolaire sans nécessiter de calcul supplémentaire, ce qui 30 améliore la rapidité du procédé. Avantageusement et de manière non limitative, on détermine ladite composante homopolaire de sorte que, pour un phase P parmi les trois phases, ladite composante homopolaire est égale à l'opposé de la tension simple de la 5 phase P, si le signe de la première valeur intermédiaire de ladite phase P est différent du signe du courant de ladite phase P et si la deuxième valeur intermédiaire est égale à la tension simple associée à ladite phase P. Ainsi, on peut déterminer la composante homopolaire uniquement par comparaison de 5 valeurs déjà calculées, ce qui améliore la rapidité du procédé. Avantageusement et de manière non limitative, pour chaque phase, ladite modulante correspond à la somme de la tension simple associée à la phase avec ladite composante homopolaire déterminée. Ainsi, on peut calculer les modulantes par simple addition de deux valeurs déjà déterminées, ce qui 10 permet d'obtenir un procédé plus rapide et simple. 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 dessins annexés sur lesquels : 15 - la figure 1 représente un convertisseur de tension mettant en oeuvre un procédé selon un mode de réalisation de l'invention représenté figure 3; - la figure 2 représente un redresseur de Vienne triphasé connu de l'art antérieur ; - la figure 3 est une représentation schématique d'un mode de réalisation 20 de l'invention ; - la figure 4 est une représentation schématique d'une étape de génération des signaux de commutations des interrupteurs de puissance commandés du redresseur de Vienne, selon le mode de réalisation de la figure 3 ; et 25 - la figure 5 est une représentation schématique d'une autre étape de génération des signaux de commutations des interrupteurs de puissance commandés du redresseur de Vienne, selon le mode de réalisation de la figure 3. La figure 2 représente la structure d'un redresseur triphasé de Vienne 20 30 connu de l'art antérieur, aussi appelé Boost Vienna triphasé à trois niveaux de tension de sortie, tel qu'il est employé dans l'invention. Le redresseur triphasé de Vienne 2 comprend trois connexions entrantes parallèles couplées chacune à une phase a, b, c d'un réseau d'alimentation 6 électrique triphasé 30 par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série La, Lb, Lc, et reliée chacune à une paire d'interrupteurs Sa, Sb, Sc formant un premier, un deuxième et un troisième bras de commutation du redresseur triphasé de Vienne. 5 Chaque paire d'interrupteurs Sa, Sb, Sc comprend un montage série en tête bêche constitué d'un premier interrupteur correspondant Sah, Sbh, Sch, qui est piloté quand un courant d'entrée correspondant la, lb, Ic est positif, et d'un second interrupteur correspondant Sal, Sbl, Scl qui est piloté quand le courant d'entrée correspondant est négatif. Autrement dit, on utilise un seul interrupteur 10 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 des transistors SiC-MOS (acronyme anglais pour Silicon Carbide-Meta/ Oxide Semiconductor), connectés en antiparallèle avec une diode. Ce type de semi-conducteurs est adapté pour des 15 fréquences de découpage très élevées. Les interrupteurs Sah, Sbh, Sch sont également nommés interrupteurs haut et les interrupteurs Sal, Sbl, Scl, interrupteurs bas. Le redresseur triphasé de Vienne 20 comprend aussi trois branches parallèles 1, 2 et 3, comportant chacune deux diodes Dah et Dal, Dbh et Dbl et 20 Dch et Dcl, qui forment un pont triphasé à six diodes permettant un transfert unidirectionnel de l'énergie et de redresser le courant et la tension prélevés à partir du réseau d'alimentation électrique 30 triphasé. Chaque entrée du redresseur triphasé de Vienne 20 est connectée, par une connexion entrante parallèle respective, à un point de connexion situé 25 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 H et L, respectivement positive H et négative L, du redresseur triphasé de Vienne 20, qui sont destinées à être couplées au dispositif DC-DC 12. 30 Les bras de commutation Sa, Sb, Sc de chaque phase sont par ailleurs connectés chacun respectivement entre le point de connexion Xa, Xb, Xc situé entre les deux diodes des première 1, deuxième 2 et troisième branches 3 et un point milieu O des tensions de sortie VDCH et VDcL du redresseur triphasé de 7 Vienne 20, correspondant respectivement à la tension sur un condensateur de sortie Cl entre la borne de sortie positive H du redresseur triphasé et le point milieu O et à la tension sur un condensateur de sortie C2 entre le point milieu O et une borne de sortie négative L du redresseur triphasé 20. 5 La tension sur les condensateurs de sortie C1, C2 est asservie de façon indépendante par le convertisseur DC-DC du dispositif de charge connecté en sortie du redresseur triphasé de Vienne 20, selon la topologie globale illustré à la figure 1. Autrement dit, les tensions de sortie du redresseur triphasé de Vienne 20 sont commandées par le convertisseur DC-DC 12. 10 Le redresseur triphasé de Vienne 20 intercalé à l'entrée de l'alimentation du chargeur 10 assume le rôle de correction du facteur de puissance du chargeur. 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 20. 15 Les bras de commutation Sa, Sb et Sc de chaque phase du réseau triphasé 30 sont contrôlés aux moyens de six signaux de commande PWM (d'après l'anglais « Pulse Width Modulation ») ayant un rapport cyclique variable à fréquence de découpage fixe égale à 140kHz individuellement réglé par des moyens de traitement de type FPGA par exemple (non représenté) 20 pour des fréquences d'échantillonnage élevées. Ainsi, les moyens de traitement sont adaptés à déterminer les 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. 25 En référence à la figure 3, dans une première étape du procédé 6 selon l'invention, on transforme 60 deux tensions composées (liab, liac) de consigne en trois tensions simples (v*a, v*b, v*c) chacune associée à une phase a, b, c. A noter que sur les figures 3 à 5, les chiffres « 1 », »2 », « 3 » ou « 6 » marquant les branches entre blocs logiques font référence aux nombres de 30 paramètres traités (« 3 » pour les trois phases simples par exemple en sortie du bloc 60) En effet, il est plus simple d'analyser le problème dans l'espace réel formé par les trois tensions simples de consignes, que d'utiliser les deux tensions 8 composées de consigne générées par la régulation en boucle fermée (à savoir Ua*b et Ua*,.). Ceci car, pour une stratégie de modulation donnée, le vecteur tension de référence tournant est exprimé, en moyenne, en fonction des trois tensions simples (pour le cas triphasé) notées va*, vb et vc*. Ainsi, on applique 5 l'équation (1) suivante pour obtenir les trois tensions simples à partir des deux tensions composées 1 va v* = - ircc) , a 3 de 1 Vb - (-2 irà. Uctc) Vdc 3 1 v c c 3 - - 2 irctc) = 17c Ensuite on calcule 61 une composante homopolaire à injecter, notée vz* = M x f (3cot), pour la réduction des pertes par commutation des semiconducteurs du convertisseur de puissance. 10 L'objectif est, d'une part, de bloquer (à l'état ON) le semi-conducteur qui est traversé par le courant ayant la valeur maximale, en valeur absolue et, d'autre part, de rendre ce blocage adaptatif en fonction du déphasage qui peut exister entre la tension réseau et le courant dans l'inductance du boost. L'inconvénient pour ce type de stratégie de modulation à concevoir pour la 15 topologie du pont de Vienne est la nécessité de conserver la polarité entre l'image du rapport cyclique, connu sous le nom « modulante » et noté modx* avec x = a, b, c et le courant dans l'inductance La, Lb, Lc du boost. Ainsi, et pour assurer un bon fonctionnement du système à contrôler, la logique de la MLI à développer doit respecter cette condition de conservation de la polarité entre le 20 courant dans l'inductance et l'image des rapports cycliques pour chacune des trois phases. L'équation mathématique de l'image des rapports cycliques est représentée par l'équation (2) suivante : moda = va + v; (2) modb = + mod' = + v; avec V a* ,b ou c représentant les trois tensions de commande, normalisées 25 par rapport à la moitié de la tension totale du bus DC en sortie du pont redresseur de Vienne, qui proviennent de l'étape 1 précédente et v; représentant la composante homopolaire à déterminer. (1) 9 La composante homopolaire est calculée par les étapes suivantes, à une fréquence prédéterminée, par exemple à une fréquence de 140KHz. On détermine la valeur maximale des trois courants de phase en valeur absolue : it = max(lial, libilicl) (3) 5 On choisit la tension de commande ifk à utiliser en fonction des valeurs absolues des courants de phase, selon l'équation 4 suivante : 1,,', si /.2 = liai (4) 1 12 - si ft - libl { 1,' si ,u = lici 1,, On détermine ensuite une constante a, mise à jour à chaque répétition du procédé, tel que : o- = 1 x signe(vi*,) - vk (5) On détermine pour chaque phase a,b,c, une première valeur intermédiaire 10 ya*,b,c tel que : + 0- (6) Yb = vb + Yc = +6 On détermine une deuxième valeur intermédiaire int des tensions de commande selon le système de comparaison, par relation d'ordre des valeurs de tensions simples, suivant : lic't si 0, la « modulante » modx* est comparée avec un signal 15 triangulaire symétrique, qui varie entre 0 et 1, pour la génération de Sxh et Sx1 = 1. Concernant la génération de Sxh : o Si modx est inférieure au signal triangulaire qui varie entre 0 et 1 : Sxh = 1. 20 o Si modx est supérieure ou égale au signal triangulaire qui varie entre 0 et 1 : Sxh = O. Pour les interrupteurs bas Sâ, Sb,, Spi et pour chaque bras x=a,b,c en référence à la figure 5 : Si le signe(ix) REVENDICATIONS1. Procédé (6) de commande d'un redresseur de Vienne triphasé (20), comprenant une pluralité d'interrupteurs de puissance commandés (Sa, Sb, Sc) associés chacun à une phase électrique (a, b, c) ; le procédé (6) comprenant : - une étape de transformation (60) d'au moins deux tensions composées (U*ab, U*ac) de consigne fournies en trois tensions simples (v*a, v*b, v*c) ; caractérisé en ce que le procédé comprend aussi : - une étape de calcul (61) d'une composante homopolaire (vz*) à injecter en v*b, -c, fonction des valeurs et des signes des tensions simples (v*a, v*ID, v* 1 et des valeurs absolues des courants de phases (ia, ib,ic) du redresseur de Vienne triphasé (20) ; ladite étape de calcul (61) de la composante homopolaire comprenant : - une étape de sélection d'une tension de commande (ek) parmi les trois tensions simples (v*a, v*b, v*c), en fonction des courants de chacune des phases ; - une étape de détermination d'une constante (a) fonction de ladite tension de commande (ek) choisie ; - une étape de détermination, pour chaque tension simple (Va, b, v*c), d'une première valeur intermédiaire (Ya*,b,c) ; - une étape de détermination d'une deuxième valeur intermédiaire (int) en fonction des relations d'ordres entre les trois tensions simples (v*a, V b, v*c) ; et - une étape de calcul de la composante homopolaire (v;) en fonction de ladite deuxième variable intermédiaire (int) et de chacune des premières valeurs intermédiaires (Ya*,b,c) ; le procédé comprenant en outre : - une étape de calcul (63) pour chaque phase (a, b, c), d'une modulante (mocr,''modb,modj en fonction de ladite composante homopolaire déterminée (vz*) et de la tension simple (v*a, v*b, v*c) associée à ladite phase(a, b, c) ; et - une étape de génération (62) de six signaux de commutations des interrupteurs de puissance commandés, en fonction du signe des courants de phases (ia, ib,ic) et des valeurs de modulantes (mod,m04,modj calculées. 13 2. Procédé (6) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on choisit la tension de commande (v0 de sorte qu'elle corresponde à la tension simple (v*a, * * V b, V c) de la phase (a, b, c) présentant le courant de phase, en valeur absolue, 5 le plus important parmi les trois courants de phase (ia, ib,ic). 3. Procédé (6) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite constante (o-) est égale à un multiplié par le signe de ladite tension de commande (v0 moins ladite tension de commande (vD. 4. Procédé (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que pour chaque phase (a, b, c) la première valeur intermédiaire (ya*,b,c) est égale à ladite tension simple associée (v*a, v*b, à ladite phase auquel on v*ID, - v*c,) ajoute ladite constante déterminée (a). 5. Procédé (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite deuxième valeur intermédiaire (int) correspond à la tension de simple (v*a, v*b, dont la valeur d'amplitude est comprise entre les deux v*ID, - v*c,) autres tensions simples (v *a, - v *ID, - v *)c,- 6. Procédé (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite composante homopolaire (v,*) est égale à ladite constante (o-) si le signe de la première valeur intermédiaire (y:,) de la première phase (a) est identique au signe du courant (ia) de la première phase (a). 25 7. Procédé (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on détermine ladite composante homopolaire (v;) de sorte que, pour une phase P parmi les trois phases (a, b, c), ladite composante homopolaire (v;) est égale à l'opposé de la tension simple (v*a, v*b, de la phase P, si le signe v*ID, - v*c,) 30 de la première valeur intermédiaire (ya*,b,c) de ladite phase P est différent du signe du courant (ia, ib, ic) de ladite phase P et si la deuxième valeur intermédiaire (int) est égale à la tension simple (v*a, v*b, associée à ladite v*ID, - v*c,) phase P. 10 15 20 14 8. Procédé (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, pour chaque phase (a, b, c), ladite modulante (mocr,''m04,modj correspond à la somme de la tension simple (v*a, v*b, v*c) associée à la phase 5 (a, b, c) avec ladite composante homopolaire (v,*) déterminée.