Brevet FR3090242A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : Circuit électrique pour conversion de tension continue [0001] La présente invention concerne un circuit électrique pour la conversion de tension continue. L'invention s'applique notamment, mais non exclusivement, pour réaliser une conversion de tension au sein du réseau de bord d'un véhicule automobile, par exemple un véhicule à propulsion hybride ou électrique. [0002] Pour des raisons diverses telles que la sûreté, ou le non-référencement entre deux sources de tension, il peut être souhaitable de disposer d'une isolation électrique entre deux sources de tension continue. Dans ce but, il est connu d'utiliser un transformateur magnétique. Un tel transformateur présente l'inconvénient dc devoir utiliser un noyau magnétique. L'emploi d'un tel noyau magnétique génère dc l'encombrement, un alourdissement, un coût important et peut s'avérer difficile à intégrer au circuit électrique. [0003] 11 existe un besoin pour remédier aux inconvénients liés à l'emploi d'un trans- formateur magnétique. [0004] L'invention a pour but de répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l'un de ses aspects, à l'aide d'un circuit électrique pour la conversion de tension continue, le circuit comprenant : - une entrée sur laquelle est appliquée une première tension continue, - une première sortie sur laquelle est appliquée une deuxième tension continue, - un premier onduleur/redresseur et un deuxième redresseur définissant entre eux une partie du circuit électrique parcourue par du courant alternatif, et - un transformateur capacitif formé à l'aide de plusieurs condensateurs, le transformateur capacitif étant disposé dans la partie du circuit électrique parcourue par du courant alternatif, de manière à isoler électriquement l'entrée de la première sortie. [0005] Grâce à l'invention telle que définie ci-dessus, on réalise l'isolation électrique entre l'entrée et la première sortie du circuit électrique via des condensateurs. On peut ainsi bénéficier des avantages de non-référencement des sources de tension continue ou de sûreté mentionnés ci-dessus sans qu'il ne soit nécessaire d'avoir recours à un noyau magnétique. [0006] La partie du circuit électrique parcourue par du courant alternatif peut être mo- nophasée, et le transformateur capacitif comprend alors un premier et un deuxième condensateur, le premier condensateur étant disposé sur la phase et le deuxième condensateur étant disposé sur le neutre. Dans ce cas, le transformateur capacitif peut ainsi être formé par deux condensateurs pour isoler électriquement l'entrée de la première sortie. 2 [0007] En variante, la partie du circuit électrique parcourue par du courant alternatif peut être polyphasée, par exemple triphasée, et le transformateur capacitif comprend alors un nombre de condensateurs égal au nombre de phases de cette partie parcourue par du courant alternatif incrémenté de 1. Chaque condensateur du transformateur capacitif peut être respectivement disposé sur une phase ou sur le neutre de cette partie parcourue par du courant alternatif [0008] Le premier onduleur/redresseur est par exemple un bras simple ou un pont en H. Au sens de la présente demande, un bras simple est formé par deux cellules de commutation montées en série entre le potentiel positif et le potentiel négatif de la première tension continue, ce bras comprenant entre ces deux cellules de commutation une connexion à la partie du circuit électrique parcourue par le courant alternatif Chaque cellule de commutation peut, selon l'invention, être réalisée à l'aide d'un interrupteur commandable ou non et/ou bidirectionnel en courant ou non. Chaque cellule de commutation est par exemple formée par un transistor, tel qu'un transistor MOSFET ou IGBT, avec une diode en anti-parallèle, qui est ou non la diode intrinsèque du transistor. [0009] Le premier onduleur/redresseur peut encore être réalisé autrement que via un bras simple ou un pont en H [0010] Le deuxième onduleur peut être un onduleur/redresseur c'est-à-dire qu'il peut également présenter un mode de fonctionnement permettant de convertir la deuxième tension continue en la première tension continue. Il peut s'agir d'un doubleur de tension. Le deuxième onduleur, qu'il puisse ou non également fonctionner en tant que redresseur, peut encore être réalisé autrement que via un doubleur de tension, par exemple via un pont de Graetz ou un pont en H. [0011] Dans tout ce qui précède, le circuit électrique peut comprendre une inductance disposée dans la partie du circuit parcourue par du courant alternatif, cette inductance formant une inductance résonante. [0012] En variante, le premier onduleur/redresseur peut comprendre deux inductances couplées magnétiquement, chacune de ces inductances étant disposée en série avec une cellule de commutation du premier onduleur/redresseur. Ces deux inductances couplées magnétiquement remplacent alors l'inductance résonante précitée. Une telle variante peut permettre d'obtenir un premier onduleur/redresseur générant moins de perturbations CEM. [0013] En variante encore le deuxième redresseur, étant le cas échéant un deuxième onduleur/redresseur, peut comprendre deux inductances couplées magnétiquement, chacune de ces inductances étant disposée en série avec une cellule de commutation du deuxième redresseur. Ces deux inductances couplées magnétiquement remplacent alors ou complètent alors l'inductance résonante précitée. 3 [0014] Le circuit peut permettre que les commutations dans le premier onduleur/redresseur et dans le deuxième redresseur se fassent à courant nul, ce qui supprime les pertes par commutation. [0015] La fréquence d'ondulation de la deuxième tension continue peut être égale au double de la fréquence de découpage du circuit. Une telle valeur de fréquence d'ondulation peut être particulièrement simple à filtrer. [0016] Dans tout ce qui précède, la première tension continue peut avoir une valeur égale ou différente à la valeur de la deuxième tension continue. La valeur commune aux première et deuxième tensions continues est par exemple 12V, 48V ou une valeur supérieure à 300V. [0017] Dans tout ce qui précède, la valeur de la deuxième tension continue peut être in- férieure à la valeur de la première tension continue. On obtient dans ce cas un circuit non-résonant qui permet une régulation de tension. [0018] En variante, dans tout ce qui précède, la valeur de la deuxième tension continue peut être supérieure à la valeur de la première tension continue. [0019] L'invention n'est pas limitée à un circuit permettant de convertir une première tension continue seulement en une deuxième tension continue, comme expliqué ci-après. [0020] En combinaison de tout cc qui précède, le circuit peut également permettre la conversion de la première tension continue en une troisième tension continue, et réciproquement ou non, le circuit comprenant : - une deuxième sortie sur laquelle est appliquée une troisième tension continue, - un troisième redresseur, le cas échéant un troisième onduleur/redresseur, le troisième redresseur définissant avec le premier onduleur/redresseur une autre partie du circuit électrique parcourue par du courant alternatif, et - un autre transformateur capacitif formé à l'aide de plusieurs condensateurs, cet autre transformateur capacitif étant disposé dans l'autre partie du circuit électrique parcourue par du courant alternatif de manière à isoler électriquement l'entrée de la deuxième sortie. Cet autre transformateur capacitif peut être monté fonctionnellement en parallèle de celui précédemment décrit. Aucun condensateur appartenant à cet autre transformateur capacitif n'appartient par exemple également au transformateur capacitif précédemment décrit pour l'isolation électrique de l'entrée et de la première sortie. [0021] Lorsque plusieurs transformateurs capacitifs existent, la première tension continue, la deuxième tension continue et la troisième tension continue peuvent toutes avoir la même valeur, par exemple 12V. 48V ou une valeur supérieure à 300V. En variante, la première tension continue peut présenter une valeur différente de celle de la deuxième tension continue et/ou la première tension continue peut présenter une valeur différente de celle de la troisième tension continue. [0022] Dans tout ce qui précède, chaque transformateur capacitif peut être obtenu à l'aide d'au moins deux couches d'un circuit imprimé. Ce circuit imprimé peut être exclusivement utilisé pour réaliser le transformateur capacitif ou également porter d'autre composants électroniques. Chacune de ces couches comprend par exemple une première zone électriquement conductrice et une deuxième zone électriquement conductrice, la première zone électriquement conductrice étant isolée électriquement de la deuxième zone électriquement conductrice, les deux couches étant disposées l'une par rapport à l'autre, étant notamment superposées, de manière à ce qu'un condensateur soit formé entre la première zone électriquement conductrice d'une couche et la première zone électriquement conductrice de l'autre couche et à cc qu'un autre condensateur soit formé entre la deuxième zone électriquement conductrice d'une couche et la deuxième zone électriquement conductrice de l'autre couche. On peut ainsi utiliser des composants existants pour réaliser le transformateur capacitif, ce qui est avantageux en termes d'encombrement. Entre les deux couches du circuit imprimé est disposé un diélectrique, par exemple de la résine époxy. [0023] L'une au moins des premières zones électriquement conductrices, voire chaque deuxième zone électriquement conductrice, peut avoir une forme de spirale de manière à définir une inductance. [0024] Chacune des couches du circuit imprimé peut être plane. [0025] En variante, lorsque l'on utilise pour former le transformateur capacitif des couches d'un circuit imprimé, plusieurs premières couches peuvent être électriquement reliées entre elles et plusieurs deuxièmes couches peuvent être électriquement reliées entre elles, et ces premières et deuxièmes couches sont disposées les unes par rapport aux autres de manière à ce que entre deux premières, respectivement deuxièmes, couches, soit disposée une deuxième, respectivement première, couche afin qu'un condensateur soit formé entre chaque première, respectivement deuxième, couche et la deuxième, respectivement première, couche. Le condensateur global modélisant tous les condensateurs ainsi formés en parallèle entre les premières et deuxièmes couches définit alors un condensateur du transformateur capacitif Chacune des premières et deuxièmes couches peut présenter une première zone électriquement conductrice et une deuxième zone électriquement conductrice, comme mentionné plus haut, de sorte que les dispositions relatives des premières couches et des deuxièmes couches permettent alors d'obtenir deux condensateurs du transformateur capacitif. [0026] L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'exemples non limitatifs de mise en oeuvre de celle-ci et à l'examen du dessin annexé sur lequel : - la est une vue schématique d'un circuit électrique selon un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, - la est une vue schématique d'un circuit électrique selon une variante du premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, - la est une vue schématique d'une autre variante du premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, - la est un circuit électrique selon un deuxième exemple de mise en oeuvre de l' invention, - la est une vue schématique d'un exemple de réalisation d'un transformateur capacitif, - la correspond au schéma électrique équivalent de l'exemple de la [Figure 5], - la représente une variante de la [Figure 5] et, - la [fig.1] correspond au schéma électrique équivalent de l'exemple de la [Figure 7]. [0027] On a représenté sur la Figure 1 un circuit électrique 1 selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention. Cc circuit 1 est ici un convertisseur de tension permettant de convertir une première tension continue en une deuxième tension continue. Ces deux tensions continues ont par exemple la même valeur qui peut être égale à 12V, 48V ou à une valeur supérieure à 300V. La première tension continue est appliquée sur une entrée 3 et la deuxième tension continue est appliquée sur une première sortie 4. [0028] Le circuit électrique 1 comprend ici un premier onduleur/redresseur 5 et un deuxième redresseur 6. Le premier onduleur/redresseur 5 est ici monté aux homes de l'entrée 3 tandis que le deuxième redresseur 6 est monté aux bornes de la première sortie 4. Le premier onduleur/redresseur 5 et le deuxième redresseur 6 définissent entre eux une partie du circuit parcourue par du courant alternatif On constate sur la figure 1 qu'une inductance 7 est disposée dans cette partie du circuit parcourue par du courant alternatif. [0029] Dans l'exemple décrit, le premier onduleur/redresseur 5 est un simple bras de com- mutation, qui est formé par deux cellules de commutation 8 qui sont montées en série entre le potentiel positif et le potentiel négatif de la tension appliquée sur l'entrée 3. En parallèle de ce bras de commutation 5 est monté un condensateur 9 de liaison de courant continu. Chaque cellule de commutation 8 est dans l'exemple considéré un interrupteur commandable bidirectionnel en courant, formée ici par un transistor MOSFET et une diode en anti-parallèle. [0030] Le deuxième redresseur 6 est un ici un doubleur de tension, mettant en oeuvre deux diodes 11 et 12 montées en série entre le potentiel positif et le potentiel négatif de la tension appliquée sur la première sortie 4. Le doubleur de tension comprend encore deux condensateurs 15 et 16, tous deux montés en série entre le potentiel positif et le potentiel négatif de la tension appliquée sur la première sortie 4. Entre ces deux condensateurs 15 et 16 est connecté le neutre de la partie du circuit parcourue par le courant alternatif. 6 [0031] Selon l'invention, un transformateur capacitif est positionné dans la partie du circuit parcourue par le courant alternatif, de manière à isoler électriquement l'entrée 3 de la première sortie 4. Dans l'exemple de mise en oeuvre décrit, la partie du circuit parcourue par le courant alternatif est monophasée et le transformateur capacitif est formé par deux condensateurs 20 et 21, le condensateur 20 étant disposé sur la phase de la partie du circuit parcourue par du courant alternatif tandis que le condensateur 21 est disposé sur le neutre de cette partie. [0032] On choisit dans un exemple concret : - pour la première tension continue et pour la deuxième tension continue une même valeur égale à 12V, - pour réaliser les interrupteurs commandables des cellules de commutation du bras de commutation 8 des transistors MOSFET canal n - pour l'inductance 7 une valeur de 600nH - pour les condensateurs 15, 16, 20 et 21 une valeur de capacité de lpF, - pour la fréquence de découpage du premier onduleur/redresseur une valeur de 355 kHz - pour la valeur du rapport cyclique de la commande des transistors MOSFET des cellules de commutation 8 : 0,5 . [0033] On va maintenant décrire en référence à la figure 2 une variante du premier exemple de mise en oeuvre de l'invention. Cette variante diffère de celle décrite en référence à la figure 1 par le fait que : - l'inductance 7 est remplacée par deux inductances 7a et 7b couplées magnétiquement, chacune de ces inductances 7a, 7b étant disposée en série avec une cellule de commutation 8 du premier onduleur/redresseur 5, et - le deuxième redresseur 6 est un onduleur/redresseur, les diodes 11 et 12 étant remplacées par des cellules de commutation reversibles formées par un transistor avec une diode en anti-parallèle. [0034] On va maintenant décrire en référence à la figure 3 une autre variante du premier exemple de mise en oeuvre. Dans cette variante, la partie du circuit qui est parcourue par du courant alternatif est triphasée. On constate ici que le transformateur capacitif comprend quatre condensateurs 20, 21, 22 et 23, les condensateurs 20, 22 et 23 étant chacun positionné sur une phase de cette partie du circuit tandis que le condensateur 21 est positionné sur le neutre de cette partie du circuit 1. [0035] On va décrire en référence à la figure 4 un deuxième exemple de mise en oeuvre qui diffère de celui décrit en référence aux figures 1 à 3 par le fait que le circuit 1 permet non seulement de convertir la première tension continue appliquée sur l'entrée 3 en une deuxième tension continue appliquée sur la première sortie 4, mais également en une troisième tension continue appliquée sur une deuxième sortie 25. 7 [0036] On constate que, selon ce deuxième exemple de mise en oeuvre, le premier onduleur/ redresseur 5 permet à la fois la conversion en la deuxième tension continue et en la troisième tension continue. Pour la conversion en la troisième tension continue, un troisième redresseur 30, qui est le cas échéant un troisième onduleur/redresseur, est prévu, de sorte qu'une autre partie du circuit parcourue par du courant alternatif existe entre le premier onduleur/redresseur 5 et le troisième redresseur 30. On constate que, par analogie avec ce qui a été décrit en référence aux figures 1 et 2, un autre transformateur capacitif est présent dans cette autre partie du circuit parcourue par du courant alternatif, cette autre partie étant ici monophasée. L'autre transformateur capacitif est ici formé par deux condensateurs 32 et 33, le condensateur 32 étant disposé sur la phase de cette autre partie et le condensateur 33 étant disposé sur le neutre de cette autre partie. [0037] On va maintenant décrire en référence aux figures 5 et 6 un exemple particulier de réalisation d'un transformateur capacitif selon l'invention. Ce transformateur capacitif est ici réalisé en utilisant deux couches successives 34 et 37 d'un circuit imprimé portant ou non d'autres composants tels que des condensateurs. [0038] Comme on peut le voir sur la figure 5, la première couche 34 comprend une première zone électriquement conductrice 35 et une deuxième zone électriquement conductrice 36, ces zones étant isolées électriquement entre elles. On constate que la première zone électriquement conductrice 35 présente une forme de spirale. La deuxième couche 37 comprend également une première zone électriquement conductrice 38 et une deuxième zone électriquement conductrice 39, ces zones étant isolées électriquement entre elles. Là encore, la première zone électriquement conductrice 38 présente une forme de spirale. Les premières zones électriquement conductrice 35 et 38 peuvent être exactement superposées. [0039] Dans l'exemple de la figure 5, la distance entre les deux couches 34 et 37 du circuit imprimé est telle que des condensateurs sont définis entre ces couches. Le circuit électrique équivalent est représenté sur la figure 6. On constate que la forme de la première zone électriquement conductrice 35 et celle de la première zone électriquement conductrice 38 sont telles qu'une inductance, qui dans le cas de la figure 1 est l'inductance résonante 7, est définie. [0040] En variante de ce qui vient d'être décrit en référence aux figures 5 et 6, la formation des condensateurs du transformateur capacitif peut impliquer la coopération de plusieurs premières couches de circuit imprimé reliées électriquement entre elles, et de plusieurs deuxièmes couches de circuit imprimé reliées électriquement entre elles. Dans l'exemple considéré, deux premières couches 40 et 41 sont électriquement reliées entre elles et deux deuxièmes couches 42 et 43 sont électriquement reliées entre elles. Comme on peut le voir sur la figure 7, entre deux premières couches 40 et 41 est 8 disposée une deuxième couche 42, de sorte qu'un condensateur soit ménagé entre la première couche 40 et la deuxième couche 42 d'une part et entre la première couche 41 et la deuxième couche 42 d'autre part. La réunion de ces condensateurs en parallèle définit un condensateur du transformateur capacitif, comme représenté sur la figure 8. Lorsque chaque couche 40 à 43 présente une première zone électriquement conductrice et une deuxième zone électriquement conductrice isolées l'une par rapport à l'autre, par exemple comme décrit en référence aux figures 5 et 7, la coopération entre les différentes couches 40 à 43 de la figure 7 permet d'obtenir deux condensateurs du transformateur capacitif [0041] Dans l'exemple décrit en référence à la figure 7, deux premières couches 40 et 41 sont utilisées, et deux deuxièmes couches 42 et 43 sont utilisées, mais l'invention n'est pas limitée à un nombre particulier de premières couches électriquement reliées entre elles et de deuxièmes couches électriquement reliées entre elles. Un autre nombre, par exemple trois premières couches et trois deuxièmes couches est envisageable, de même qu'un montage dans lequel le nombre de premières couches reliées électriquement entre elles diffère du nombre de deuxièmes couches électriquement reliées entre elles. [0042] L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. [0043] L'invention peut encore être utilisée dans d'autres applications. On peut par exemple utiliser un transformateur capacitif tel que décrit précédemment pour réaliser une isolation d'un signal de communication entre deux équipements reliés par un réseau, par exemple un réseau de données CAN, SPI RS485, R5232... 9