Brevet FR3090243A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : Circuit électrique pour charge d'une source de tension continue [0001] La présente invention concerne un circuit électrique pour la charge d'une source de tension continue à l'aide d'un réseau alternatif. L'invention s'applique notamment, mais non exclusivement, pour charger une source de tension continue servant à l'alimentation électrique d'un moteur de propulsion d'un véhicule électrique ou hybride. [0002] Pour des raisons diverses telles que la sûreté, ou le non-référencement entre deux sources dc tension, d peut être souhaitable de disposer d'une isolation électrique entre le réseau électrique alternatif et la source dc tension continue chargée par ce réseau électrique. 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 de 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 charge d'une première source de tension continue depuis un réseau de tension alternatif, le circuit comprenant : - une entrée recevant une tension alternative, - une première sortie connectée à la première source de tension continue, et - un transformateur capacitif formé à l'aide de plusieurs condensateurs, disposé de manière à isoler électriquement l'entrée de la première sortie du circuit. [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 ou dc sûreté mentionnés ci-dessus sans qu'il ne soit nécessaire d'avoir recours à un noyau magnétique. [0006] L'entrée du circuit peut être reliée à un connecteur, monophasé ou polyphasé, permettant le branchement au réseau alternatif, ce dernier étant par exemple un réseau électrique indusniel géré par un opérateur. Ce réseau alternatif peut fournir une tension supérieure à 100V. Il peut s'agir d'un réseau monophasé ou polyphasé, par exemple triphasé. [0007] La première source de tension continue a par exemple une tension de valeur égale à 48V, ou une tension de valeur supérieure à 300V. 2 [0008] Le transformateur capacitif peut être disposé dans une partie monophasée du circuit électrique, le transformateur capacitif comprenant alors un premier et un deuxième condensateur, le premier condensateur étant disposé sur la phase et le deuxième condensateur étant disposé sur le neutre. [0009] En variante, le transformateur capacitif peut être disposé dans une partie polyphasée du circuit, notamment une partie triphasée du circuit, le transformateur capacitif comprenant alors une pluralité de condensateurs de telle sorte que chaque condensateur soit respectivement disposé sur une phase ou sur le neutre. Le transformateur capacitif peut alors comprendre un nombre de condensateurs égal au nombre de phases de cette partie parcourue par du courant alternatif incrémenté de 1. [0010] Selon un premier exemple de mise en oeuvre, le transformateur capacitif peut être disposé dans une partie du circuit parcourue par un courant alternatif à la fréquence du réseau alternatif. Le réseau alternatif est par exemple à une fréquence de 50Hz ou 60Hz. Selon un cas particulier de cc premier exemple de mise en oeuvre, le transformateur capacitif peut être relié à l'entrée du circuit sans l'intermédiaire d'un convertisseur de tension. [0011] Selon cc cas particulier, le circuit peut comprendre un redresseur, étant le cas échéant un onduleur/redresseur, et le transformateur capacitif peut être monté entre l'entrée du circuit et ce redresseur. Le redresseur est par exemple un doubleur de tension. En variante, le redresseur pourrait être réalisé autrement, par exemple via un pont de Graetz ou un pont en H. [0012] Selon ce cas particulier, le circuit peut comprendre un filtre de mode commun. Le re- dresseur peut être monté entre le transformateur capacitif et le filtre de mode commun. [0013] Selon ce cas particulier, le circuit peut comprendre un filtre de mode différentiel. Le filtre de mode commun peut être monté entre le redresseur et le filtre de mode différentiel. En variante, le positionnement relatif de ces deux filtres peut être inversé. [0014] Selon ce cas particulier, le filtre de mode différentiel peut être directement connecté à la première sortie du circuit. En variante, un convertisseur de tension continue/continue peut être monté entre le filtre de mode différentiel et la première sortie du circuit. Le convertisseur de tension continue/continue est par exemple un hacheur série ou un hacheur parallèle. Le convertisseur de tension continue/continue utilise par exemple des cellules de commutation, étant par exemple chacune un interrupteur commandable et 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 de ce transistor. [0015] Selon un deuxième exemple de mise en oeuvre, le transformateur capacitif peut être disposé dans une partie du circuit parcourue par un courant alternatif à une fréquence supérieure à celle du réseau alternatif. Le rapport entre la fréquence du courant 3 parcourant cette partie du circuit et la fréquence du réseau alternatif peut être supérieur à 5. Le positionnement du transformateur capacitif dans une partie du circuit parcourue par un courant alternatif à fréquence plus élevée peut permettre d'utiliser pour réaliser ce transformateur capacitif des condensateurs de taille réduite et/ou de coût plus faible. La ou les inductances résonantes associées à ces condensateurs peuvent également être de taille réduite et/ou de coût plus faible. [0016] Selon cc deuxième exemple, le transformateur capacitif peut être relié à l'entrée du circuit par l'intermédiaire d'au moins un redresseur, notamment un onduleur/redresseur redressant la tension alternative appliquée sur l'entrée du circuit. Le redresseur utilise par exemple des cellules de commutation, étant par exemple chacune un interrupteur commandablc et 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 de cc transistor. [0017] Selon le deuxième exemple, le circuit peut comprendre un filtre de mode commun monté entre l'entrée du circuit et le redresseur précité. [0018] Selon le deuxième exemple, le redresseur est par exemple un redresseur élévateur sans pont (« boost bridgeless converter » en anglais) Ce redresseur met par exemple en oeuvre la fonction de correction du facteur de puissance (« Power Factor Corrcctor » en anglais). [0019] Selon le deuxième exemple, le circuit peut comprendre un deuxième onduleur, notamment un deuxième onduleur/redresseur. Ce deuxième onduleur peut être monté entre le redresseur précité et le transformateur capacitif. Le deuxième onduleur est par exemple piloté à une fréquence de commutation comprise entre 200Hz et 100MHz. [0020] Selon le deuxième exemple, le circuit peut comprendre un troisième redresseur, étant notamment un troisième onduleur/redresseur, et ce troisième redresseur peut être monté entre le transformateur capacitif et la première sortie du circuit. Ce troisième redresseur est par exemple un doubleur de tension. Le cas échéant, un convertisseur de tension continue/continue peut être monté entre le troisième redresseur et la première sortie du circuit, par exemple pour effectuer une régulation du courant de charge de la source de tension continue. Ce convertisseur est par exemple un hacheur série ou parallèle. [0021] Selon le deuxième exemple, le circuit peut permettre que les commutations dans le premier redresseur et dans le deuxième onduleur se fassent à courant nul, ce qui supprime les pertes par commutation. [0022] L'invention n'est pas limitée à un circuit permettant de charger une unique source de tension continue depuis le réseau alternatif, comme expliqué ci-après. [0023] En combinaison de tout ce qui précède, le circuit peut également permettre la charge d'une deuxième source de tension continue, le circuit comprenant : une deuxième sortie connectée à la deuxième source de tension continue, et un autre transformateur capacitif formé à l'aide de plusieurs condensateurs, disposé de manière à isoler électriquement l'entrée de la deuxième sortie du circuit. 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. [0024] L'autre transformateur capacitif peut être associé à des composants (onduleur, re- dresseur, filtre...) tels que décrits en référence au premier exemple de mise en oeuvre ci-dessus ou à des composants (onduleur, redresseur, filtre...) tels que décrits en référence au deuxième exemple de mise en oeuvre ci-dessus. [0025] Lorsque le réseau alternatif permet de charger deux sources de tension continue distinctes, ces deux sources de tension continue peuvent ou non avoir la même valeur de tension, par exemple 48V ou une valeur supérieure à 300V. En variante, ces deux sources de tension continue peuvent présenter des valeurs de tension différentes. [0026] 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 ce 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. [0027] 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. [0028] Chacune des couches du circuit imprimé peut être plane. [0029] 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. [0030] Dans tout ce qui précède, le circuit électrique peut ou non être réversible, un circuit réversible permettant à la ou les sources de tension continues de transférer de l'énergie électrique vers le réseau alternatif [0031] 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 : [Fig 1] est une vue schématique d'un circuit électrique selon un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, [Fig 2] est une vue schématique d'un circuit électrique selon une variante du premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, [Fig 3] est une vue schématique d'un circuit électrique selon un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention, [Fig 4] est un circuit électrique selon un troisième exemple de mise en oeuvre de l'invention, [Fig 5] est une vue schématique d'un exemple de réalisation d'un transformateur capacitif, [Fig 6] correspond au schéma électrique équivalent de l'exemple de la [Figure 5], [Fig 7] représente une variante de la [Figure 5] et, [Fig 8] correspond au schéma électrique équivalent de l'exemple de la [Figure 7]. [0032] On a représenté sur la Figure 1 un circuit électrique 1 selon un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention. Ce circuit 1 permet ici la charge d'une première source de tension continue depuis un réseau alternatif. Le réseau alternatif est par exemple un réseau électrique industriel géré par un opérateur et fournissant une tension monophasée ou polyphasée et de fréquence égale à 50Hz ou 60Hz. Dans l'exemple considéré, le réseau électrique est monophasé et il est relié à une entrée 3 du circuit 6 électrique 1 par l'intermédiaire d'un connecteur non représenté. [0033] Selon cc premier exemple, le circuit 1 comprend un redresseur 5 qui est ici un doubleur de tension. Cc redresseur 5 comprend deux diodes 8 et 9, la diode 8 étant montée entre un point de connexion vers une borne de l'entrée 3 et la borne positive de la sortie continue du redresseur 5, tandis que la diode 9 est montée entre le point de connexion précité et la borne négative de la sortie continue du redresseur 5. Le redresseur 5 comprend encore dans l'exemple décrit deux condensateurs 10 et 11, le condensateur 10 étant monté entre un point de connexion vers l'autre home de l'entrée 3 et la borne positive de la sortie continue du redresseur 5, tandis que le condensateur 11 est monté entre le point de connexion précité vers l'autre borne de l'entrée 3 et la borne négative de la sortie continue du redresseur 5. En variante, le redresseur 5 pourrait être réalisé autrement, par exemple via un pont de Gractz. [0034] Toujours dans l'exemple de la figure 1, le circuit 1 comprend un filtre de mode commun 12 mettant en oeuvre des condensateurs 13, 14, 15 et 16 ainsi que des inductances couplées 17 et 18. Ce filtre de mode commun est relié à un filtre de mode différentiel 20 qui comprend une inductance 22 et un condensateur 23. [0035] Dans l'exemple de la figure 1, un hacheur série 25 est monté entre le filtre de mode différentiel 20 et la première sortie 4 du circuit 1, cette dernière étant connectée aux bornes de la première source de tension continue. [0036] Selon cc premier exemple de mise en oeuvre, et conformément à l'invention, un transformateur capacitif est prévu. Ce transformateur capacitif est ici relié à l'entrée 3 du circuit 1 sans l'intermédiaire d'un convertisseur de tension. Le transformateur capacitif est ainsi parcouru dans cet exemple par du courant qui est à la fréquence du réseau alternatif. Le réseau étant ici monophasé, le transformateur capacitif est ici formé par deux condensateurs 30 et 31, le condensateur 30 étant disposé sur la phase et le condensateur 31 étant disposé sur le neutre. [0037] La figure 2 représente, de façon très schématique une variante de la figure 1 dans laquelle le transformateur capacitif est toujours disposé dans une partie du circuit 1 parcourue par un courant alternatif dont la fréquence est celle du réseau alternatif. Dans le cas de la figure 2, le transformateur capacitif est disposé dans une partie du circuit qui est triphasée. On constate ici que le transformateur capacitif comprend quatre condensateurs 30, 31, 32 et 33, les condensateurs 30, 32 et 33 étant chacun positionné sur une phase de cette partie du circuit tandis que le condensateur 31 est positionné sur le neutre de cette partie du circuit 1. [0038] On va maintenant décrire en référence à la figure 3 un circuit électrique 1 selon un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention. Ce circuit électrique 1 diffère essentiellement de celui qui vient d'être décrit par le fait que le transformateur capacitif n'est plus disposé dans une partie du circuit dans laquelle circule un courant à la 7 fréquence du réseau alternatif. Selon cc deuxième exemple de mise en oeuvre, le transformateur capacitif est monté dans une partie du circuit parcourue par un courant électrique dont la fréquence est comprise entre 200Hz et 100MHz. [0039] On constate dans l'exemple de la figure 3 que plusieurs composants sont interposés entre l'entrée 3 du circuit et le transformateur capacitif [0040] Ainsi , un filtre de mode commun 39 mettant en oeuvre deux inductances couplées 40 et deux condensateurs 41 de liaison avec la terre est directement connecté à l'entrée 3. Un premier onduleur/redresseur 42 est connecté en sortie de ce filtre de mode commun, pour redresser la tension alternative appliquée sur l'entrée 3 après filtrage par le filtre de mode commun 39. Ce premier onduleur/redresseur met en oeuvre dans cet exemple des cellules de commutation 45, chacune étant ici formée par un transistor tel qu'un transistor MOSFET ou IGBT, avec une diode en anti-parallèle, qui est ou non la diode intrinsèque de ce transistor. Cc premier onduleur/redresseur est ici un redresseur élévateur sans pont mettant en oeuvre la fonction de correction du facteur de puissance (« PFC boost bridgeless converter » en anglais) et est monté en parallèle d'un condensateur 48. Un deuxième onduleur/redresseur 50 découpe la tension redressée par le premier onduleur/redresseur 42. Ce deuxième onduleur/redresseur 50 travaille par exemple à une fréquence de commutation comprise entre 200Hz et 100MHz. Ce deuxième onduleur/redresseur est par exemple un bras simple de commutation formé par deux cellules de commutation 51 qui peuvent être de réalisation similaire aux cellules de commutation 45 précitées. Les deux cellules de commutation Si sont montées en série entre le potentiel positif et le potentiel négatif de la tension aux bornes du condensateur 48. En série entre ces deux cellules de commutation 51, une connexion vers la phase de la partie du circuit dans laquelle se trouve le transformateur capacitif existe. Cette partie du circuit étant monophasée, le transformateur capacitif est formé par deux condensateurs 30 et 31, le condensateur 30 étant positionné sur la phase de cette partie du circuit tandis que le condensateur 31 est positionné sur le neutre de cette partie du circuit. [0041] Un troisième onduleur/redresseur 53 est disposé en sortie du transformateur capacitif Ce troisième onduleur/redresseur 53 est ici un doubleur de tension, mettant en oeuvre deux cellules de commutations 54 de réalisation similaire à celles des cellules de commutation 45 précitées. Ces cellules de commutation 54 sont montées en série entre le potentiel positif et le potentiel négatif de la tension redressée par ce troisième onduleur/redresseur 53. Le doubleur de tension 53 comprend encore deux condensateurs 56 et 57 dans l'exemple considéré, étant tous deux montés en série entre le potentiel positif et le potentiel négatif de la tension redoessée par de doubleur de tension 53. Entre ces deux condensateurs 56 et 57 est connecté le neutre de la partie du 8 circuit dans laquelle est disposé le transformateur capacitif. [0042] Dans l'exemple de la figure 3, le circuit 1 comprend encore un convertisseur de tension continue/continue 60, qui est ici un hacheur série monté entre le troisième onduleur/redresseur 53 et la première sortie 4 du circuit. [0043] On va décrire en référence à la figure 4 un troisième exemple de mise en oeuvre qui diffère de ceux décrits en référence aux figures 1 à 3 par le fait que le circuit 1 permet non seulement la charge d'une première source de tension continue sur la première sortie 4 mais également la charge d'une deuxième source de tension continue sur une deuxième sortie 100 du circuit électrique 1. [0044] Selon cc troisième exemple, un premier transformateur capacitif est monté entre un redresseur, notamment un onduleur/redresseur, et la première sortie 4 du circuit électrique et un deuxième transformateur capacitif est monté entre un redresseur, notamment un onduleur/redresseur, et la deuxième sortie 100 du circuit électrique. Dans l'exemple décrit, chaque transformateur capacitif a ses condensateurs disposés dans des parties du circuit 1 parcourues par un courant électrique à la fréquence du réseau alternatif mais des montages similaires à ce qui est décrit en référence à la figure 2 permettant que l'un au moins des transformateurs capacitifs soit disposé dans une partie du circuit parcourue par du courant de fréquence plus élevée que celle du réseau alternatif est possible. [0045] 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 61 et 62 d'un circuit imprimé portant ou non d'autres composants tels que des condensateurs. [0046] Comme on peut le voir sur la figure 5, la première couche 61 comprend une première zone électriquement conductrice 63 et une deuxième zone électriquement conductrice 64, ces zones étant isolées électriquement entre elles. On constate que la première zone électriquement conductrice 63 présente une forme de spirale. La deuxième couche 62 comprend également une première zone électriquement conductrice 65 et une deuxième zone électriquement conductrice 66, ces zones étant isolées électriquement entre elles. Là encore, la première zone électriquement conductrice 65 présente une forme de spirale. Les premières zones électriquement conductrice 63 et 65 peuvent être exactement superposées. [0047] Dans l'exemple de la figure 5, la distance entre les deux couches 61 et 62 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 63 et celle de la première zone électriquement conductrice 65 sont telles qu'une inductance est définie. Chacune de la première 61 et de la deuxième 62 couche du circuit imprimé est ici plane. 9 [0048] 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 70 et 71 sont électriquement reliées entre elles et deux deuxièmes couches 72 et 73 sont électriquement reliées entre elles. Comme on peut le voir sur la figure 7, entre deux premières couches 70 et 71 est disposée une deuxième couche 72, de sorte qu'un condensateur soit ménagé entre la première couche 70 et la deuxième couche 72 d'une part et entre la première couche 71 et la deuxième couche 72 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 70 à 73 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 70 à 73 de la figure 7 permet d'obtenir deux condensateurs du transformateur capacitif [0049] Dans l'exemple décrit en référence à la figure 7, deux premières couches 70 et 71 sont utilisées, et deux deuxièmes couches 72 et 73 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. [0050] L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. [0051] 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... [0052] 10