Brevet FR3107407A1 — publié le 20210820

Onduleur multiniveau, comprenant un ensemble de condensateurs (C) ayant une pluralité de points de connexion et un ensemble d’interrupteurs (S1 à S6) agencés et reliés à une unité de commande (UC) pour connecter successivement chacun des points de connexion avec une première ligne de sortie ainsi soumise à une tension alternative de sortie. L’ensemble d’interrupteurs comprend deux branches parallèles sur lesquelles sont respectivement montées une première inductance (L1) et une deuxième inductance (L2) et entre lesquelles sont raccordés un premier condensateur (C1) et un deuxième condensateur (C2) pour former une cellule résonante soumise à la tension alternative de sortie, le premier condensateur et le deuxième condensateur se raccordant aux branches de manière croisée de part et d’autre des inductances. FIGURE DE L’ABREGE: Fig. 3 Onduleur multiniveau à cellule résonante ARRIERE PLAN DE L’INVENTION La présente invention concerne le domaine de la conversion de l’énergie électrique et plus particulièrement les convertisseurs électriques de puissance tels que les onduleurs. Les onduleurs sont classiquement utilisés pour alimenter un équipement électrique, tel qu’un moteur électrique, en courant/tension alternatif à partir d’une source de courant/tension continu. Un onduleur est un circuit électrique agencé pour fournir en sortie une onde sinusoïdale ayant des caractéristiques prédéterminées d’amplitude, de fréquence et de contenu harmonique. L’onde doit être la plus sinusoïdale possible. En effet, les imperfections de la tension sinusoïdale engendrent une distorsion du courant harmonique. Cette distorsion augmente les pertes et engendre un échauffement important du moteur. Il existe de nombreuses topologies d’onduleurs, résultant chacune d’un compromis entre complexité et performances. Parmi ces topologies, on peut distinguer les onduleurs à commutation commandée qui comportent un agencement particulier d’interrupteurs qui sont commandés pour fournir une onde sinusoïdale d’amplitude et de fréquence variables. Un exemple d’onduleur à commutation commandée à source de tension est représenté à la figure 1, à savoir un onduleur multiniveau et plus particulièrement ici à trois niveaux ANPC. Cet onduleur comprend une première branche et une deuxième branche reliées en parallèle à un point de connexion positive +DC et un point de connexion négative -DC. La première branche comprend deux condensateurs C reliés en série au point de connexion positive +DC et au point de connexion négative –DC. La deuxième branche comprend en série une première paire de transistors S1, S2 et une deuxième paire de transistors S4, S6, le transistor S1 étant relié au point de connexion positive +DC et le transistor S6 étant relié au point de connexion négative -DC. Une troisième branche est reliée au point milieu de la première paire de transistors S1, S2 et une quatrième branche est reliée au point milieu de la deuxième paire de transistors S4, S6. La troisième branche et la quatrième branche comportent respectivement un cinquième transistor S3 et un sixième transistor S5 et sont toutes deux reliées à une première ligne de sortie présentant une inductance Lf. Une deuxième ligne de sortie est reliée au point milieu de la deuxième branche (entre les deux paires de transistors) et au point milieu de la première branche (entre les deux condensateurs C1, C2) pour définir avec la première ligne de sortie une tension de sortie Vout. Les transistors S1 à S6 sont pilotés par un circuit de commande non représenté selon une loi de modulation prédéterminée. Un exemple de loi de modulation des transistors est représenté sur la figure 2 qui montre que: la tension de sortie Vout est positive lorsque le transistor S1 est piloté par un signal carré, les transistors S2 et S5 sont pilotés par un signal carré en opposition de phase avec le précédent, les transistors S3 et S4 sont passants, le transistor S6 est bloquant; la tension de sortie Vout est négative lorsque le transistor S6 est piloté par un signal carré, les transistors S3 et S4 sont pilotés par un signal carré en opposition de phase avec le précédent, les transistors S2 et S5 sont passants, le transistor S1 est bloquant. Les signaux carrés sont habituellement exploités comme une série d’impulsions dont la largeur est modulée pour définir l’amplitude et la fréquence de la tension de sortie. Les onduleurs à commutation commandée présentent deux inconvénients principaux à savoir: des pertes par commutation d’une part et de forts fronts de tension (dV/dt) en sortie engendrant des perturbations électromagnétiques d’autre part. Ces inconvénients sont d’autant plus gênants que la fréquence souhaitée en sortie est élevée. En outre, dans les onduleurs à trois niveaux, les transistors sont soumis à un stress en tension deux fois supérieur à celui présent dans d’autres topologies d’onduleur. OBJET DE L’INVENTION L’invention a notamment pour but d’améliorer les performances des onduleurs à commutation commandée. A cet effet, on prévoit, selon l’invention un onduleur multiniveau, comprenant un ensemble de condensateurs ayant une pluralité de points de connexion et un ensemble d’interrupteurs agencés et reliés à une unité de commande pour connecter successivement chacun des points de connexion avec une première ligne de sortie ainsi soumise à une tension alternative de sortie. L’ensemble d’interrupteurs comprend deux branches parallèles sur lesquelles sont respectivement montées une première inductance et une deuxième inductance et entre lesquelles sont raccordés un premier condensateur et un deuxième condensateur pour former une cellule résonante soumise à la tension alternative de sortie, le premier condensateur et le deuxième condensateur se raccordant aux branches de manière croisée de part et d’autre des inductances. Ainsi, la cellule résonante forme un filtre en Z susceptible d’absorber tout ou partie des fronts de tension de sorte que l’onduleur n’engendre pas de perturbations électromagnétiques en aval. De préférence, l’onduleur est un onduleur trois niveaux dans lequel: la première inductance est montée sur la troisième branche, la deuxième inductance est montée sur la quatrième branche, le premier condensateur est relié à une première borne de la première inductance du côté de la première paire de transistors et à une deuxième borne de la deuxième inductance du côté du deuxième montage de transistors, et le deuxième condensateur est relié à une première borne de la deuxième inductance du côté de la deuxième paire de transistors et à une deuxième borne de la première inductance du côté du premier montage de transistors. Avec cette topologie, l’onduleur permet une commutation douce, c’est-à-dire à 0V, tout en éliminant les fronts de tension sur la ligne de sortie. Avantageusement, l’onduleur comprend une cinquième branche en parallèle de la troisième branche et une sixième branche en parallèle de la quatrième branche, la cinquième branche comprenant une troisième inductance et un troisième montage de transistors et la sixième branche comprenant une quatrième inductance et un quatrième montage de transistors. Ceci permet de doubler la valeur d’inductance vue par le courant de résonance et donc de jouer sur la fréquence de résonance de la cellule résonante. De préférence, l’unité de commande est agencée pour piloter les transistors comme suit: le premier transistor est piloté par un signal carré, le deuxième transistor est piloté par un signal carré en opposition de phase avec le précédent, le premier montage de transistors et le troisième transistor sont passants, le deuxième montage de transistors et le quatrième transistor sont bloquants de sorte que la tension de sortie est positive; le quatrième transistor est piloté par un signal carré, le premier montage de transistors et le troisième transistor sont pilotés par un signal carré en opposition de phase avec le précédent, le deuxième transistor et le deuxième montage de transistors sont passants, le premier transistor et le premier montage de transistors sont bloquants de sorte que la tension de sortie est négative. Ce mode de pilotage permet de supprimer les fortes variations de tension de l’onduleur. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est un schéma d’un onduleur trois niveaux de l’art antérieur; la figure 2 est un diagramme illustrant la loi de commande de cet onduleur trois niveaux de l’art antérieur; la figure 3 est un schéma d’un onduleur trois niveaux selon l’invention; la figure 4 est un diagramme illustrant la loi de commande de l’onduleur selon l’invention; la figure 5 est un schéma d’un onduleur trois niveaux selon une variante de l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION L’invention est un onduleur utilisable pour la commande de tout actionneur tel qu’un moteur ayant une ou plusieurs phases. Le raccordement de l’onduleur à l’actionneur et l’adaptation de l’onduleur à l’actionneur (nombre de phases notamment) sont connus en eux-mêmes et ne seront pas décrits ici. En référence à la figure 3, l’onduleur selon l’invention comprend une première branche et une deuxième branche reliées en parallèle à un point de connexion positive +DC et un point de connexion négative –DC. La première branche comprend deux condensateurs C reliés en série au point de connexion positive +DC et au point de connexion négative –DC. La deuxième branche comprend en série une première paire de transistors S1, S2 et une deuxième paire de transistors S4, S6. Les transistors S1, S2, S4, S6 sont ici des transistors à effet de champ de type MOSFET (on note qu’il serait possible d’utiliser des transistors de type différent: IGBT, HEMT, etc.). Le premier transistor S1 a un drain relié à la borne positive +DC et une source reliée au drain du deuxième transistor S2 dont la source est reliée au drain du troisième transistor S4. La source du troisième transistor S4 est relié au drain du quatrième transistor S6 qui a une source reliée à la borne négative -DC. La deuxième branche a un point milieu (entre les deux paires de transistors) qui est relié à un point milieu de la première branche (entre les condensateurs C) qui forme un troisième point de connexion. L’onduleur comprend une troisième branche reliée au point milieu de la première paire de transistors S1, S2 et une quatrième branche reliée au point milieu de la deuxième paire de transistors S4, S6. La troisième branche et la quatrième branche comportent respectivement un premier montage de transistors S3 comprenant deux transistors montés à drain commun, et un deuxième montage de transistors S5 comprenant deux transistors montés à drain commun. La troisième branche et la quatrième branche sont toutes deux reliées à une première ligne de sortie. Les transistors du premier montage de transistors S3 et du deuxième montage de transistors S5 sont ici des transistors à effet de champ de type MOSFET. L’onduleur comprend une deuxième ligne de sortie reliée au point milieu de la première branche pour définir avec la première ligne de sortie une tension de sortie Vout. L’onduleur comprend une cellule résonante montée dans l’ensemble d’interrupteurs pour être soumise à une tension alternative. La cellule résonante comprend une première inductance L1 montée sur la troisième branche et une deuxième inductance L2 montée sur la quatrième branche. Les inductances L1 et L2 ont la même valeur correspondant à l’inductance globale de la cellule résonante. Un premier condensateur C1 est relié à une première borne de la première inductance L1 du côté de la première paire de transistors S1, S2 et à une deuxième borne de la deuxième inductance L2 du côté du deuxième montage de transistors S5. Un deuxième condensateur C2 est relié à une première borne de la deuxième inductance L2 du côté de la deuxième paire de transistors S4, S6 et à une deuxième borne de la première inductance L1 du côté du premier montage de transistors S3. Les condensateurs C1, C2 se raccordent ainsi à la troisième branche et à la quatrième branche de manière croisée de part et d’autre des inductances L1, L2 pour former avec les inductances L1, L2 un circuit résonant de type «Z source». Les condensateurs C1 et C2 ont la même valeur correspondant à la capacité globale de la cellule résonante. L’unité de commande UC est agencée pour piloter les transistors S1 à S6 comme suit (voir la figure 4): le premier transistor S1 est piloté par un signal carré à une fréquence de découpage, le deuxième transistor S2 est piloté par un signal carré en opposition de phase avec le précédent, le premier montage de transistors S3 et le troisième transistor S4 sont passants, le deuxième montage de transistors S5 et le quatrième transistor S6 sont bloquants de sorte que la tension de sortie Vout est positive; le quatrième transistor S6 est piloté par un signal carré à la fréquence de découpage, le premier montage de transistors S3 et le troisième transistor S4 sont pilotés par un signal carré en opposition de phase avec le précédent, le deuxième transistor S2 et le deuxième montage de transistors S5 sont passants, le premier transistor S1 et le premier montage de transistors S3 sont bloquants de sorte que la tension de sortie Vout est négative. Ce mode de pilotage permet une commutation douce des transistors. Le dispositif onduleur est en pratique relié à une source de tension continue ou à un pont redresseur de telle manière que les condensateurs C sont toujours alimentés. On comprend que les transistors S1 à S6 forment un groupe d’interrupteurs agencés et pilotés pour connecter successivement chacun des points de connexion avec la première ligne de sortie qui est ainsi soumise à une tension alternative de sortie. La tension alternative de sortie a des caractéristiques dépendant de la fréquence de découpage. La fréquence de résonance de la cellule résonante et la sélectivité du filtre en Z que forme la cellule résonante dépendent de la fréquence de découpage. La forme de la tension de sortie est d’autant plus sinusoïdale que la fréquence de résonance est proche de la fréquence de découpage. En outre, le gain est aussi plus important dans ce cas. En revanche, il faut que la fréquence de découpage soit supérieure à la fréquence de résonance pour bénéficier de commutations à zéro volts. On choisit donc les valeurs des inductances L1 et L2 et la valeur des condensateurs C1 et C2 pour que la fréquence de résonance soit inférieure à la fréquence de découpage et pour minimiser la valeur moyenne du courant résonant et maximiser l’intervalle de rapport cyclique en commutation à tension nulle. L’invention présente plusieurs avantages significatifs: elle permet la commande de moteurs beaucoup plus rapides (vitesse comprise entre 0 et 50.10e3 rad/s), elle permet une augmentation de la fréquence sans pour autant augmenter le volume de l’électronique (gain sur le refroidissement, sur les filtres et les capacités de découplage), elle permet de séparer l’électronique de puissance et le moteur, autorisant un relâchement des contraintes environnementales de l’électronique, elle permet la transmission de données sur les lignes de puissance en aval de l’onduleur, elle limite voire élimine les problèmes de vieillissement des moteurs (isolant) provoqués par les décharges partielles, elle limite voire élimine les problèmes de rayonnement électromagnétique en aval de l’onduleur, et donc le recours à un blindage au détriment de la masse et du coût. Dans la variante de la figure 5, l’onduleur comprend une cinquième branche en parallèle de la troisième branche et une sixième branche en parallèle de la quatrième branche. La cinquième branche comprend une troisième inductance L3 et un troisième montage de transistors S7 et la sixième branche comprend une quatrième inductance L4 et un quatrième montage de transistors S8. Les transistors du troisième montage de transistors S7 et du quatrième montage de transistors S8 sont pilotés en statique par l’unité de commande UC. Le troisième montage de transistors S7 et le quatrième montage de transistors S8 sont passants et bloqués en même temps que le premier montage de transistors S3 et le deuxième montage de transistors S5 si les conditions sont satisfaites au niveau de la commande. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications. En particulier, l’onduleur peut avoir une structure différente de celle décrite. Tout type d’interrupteur est utilisable et notamment tout type de transistor. L’onduleur peut être de type différent et par exemple avoir un nombre de niveaux différents: par exemple deux niveaux mais le nombre est de préférence au moins égal à trois voire cinq niveaux, ce qui permet de laisser flottants des potentiels et améliore les performances de l’onduleur. La cellule résonante peut avoir une autre structure que celle décrite. Ainsi, la cellule résonante comprend ici uniquement des composants électroniques passifs, ce qui est avantageux en termes de complexité et de coût, mais la cellule résonante peut comprendre, en variante, au moins un composant actif. La variante de la figure 5, qui permet de faire varier la fréquence de résonance pour l’adapter à la fréquence de découpage, est facultative. Onduleur multiniveau, comprenant un ensemble de condensateurs (C) ayant une pluralité de points de connexion et un ensemble d’interrupteurs (S1 à S6) agencés et reliés à une unité de commande (UC) pour connecter successivement chacun des points de connexion avec une première ligne de sortie ainsi soumise à une tension alternative de sortie, caractérisé en ce que l’ensemble d’interrupteurs comprend deux branches parallèles sur lesquelles sont respectivement montées une première inductance (L1) et une deuxième inductance (L2) et entre lesquelles sont raccordés un premier condensateur (C1) et un deuxième condensateur (C2) pour former une cellule résonante soumise à la tension alternative de sortie, le premier condensateur et le deuxième condensateur se raccordant aux branches de manière croisée de part et d’autre des inductances. Onduleur selon la revendication 1, comprenant une première branche et une deuxième branche reliées en parallèle à un point de connexion positive (+DC) et un point de connexion négative (-DC), la première branche comprenant deux condensateurs (C) reliés en série au point de connexion positive (+DC) et au point de connexion négative (–DC), la deuxième branche comprenant en série une première paire de transistors (S1, S2) et une deuxième paire de transistors (S4, S6), une troisième branche étant reliée au point milieu de la première paire de transistors (S1, S2) et une quatrième branche étant reliée au point milieu de la deuxième paire de transistors (S4, S6), la troisième branche et la quatrième branche comportant respectivement un premier montage de transistors (S3) et un deuxième montage de transistors (S5) et étant toutes deux reliées à la première ligne de sortie, une deuxième ligne de sortie étant reliée au point milieu de la deuxième branche et au point milieu de la première branche pour définir la tension de sortie (Vout) avec la première ligne de sortie. Onduleur selon la revendication 2, dans lequel: la première inductance (L1) est montée sur la troisième branche, la deuxième inductance (L2) est montée sur la quatrième branche, le premier condensateur (C1) est relié à une première borne de la première inductance du côté de la première paire de transistors (S1, S2) et à une deuxième borne de la deuxième inductance du côté du deuxième montage de transistors (S5), et le deuxième condensateur (C2) est relié à une première borne de la deuxième inductance du côté de la deuxième paire de transistors (S4, S6) et à une deuxième borne de la première inductance du côté du premier montage de transistors (S3). Onduleur selon la revendication 3, comprenant une cinquième branche en parallèle de la troisième branche et une sixième branche en parallèle de la quatrième branche, la cinquième branche comprenant une troisième inductance (L3) et un troisième montage de transistors (S7) et la sixième branche comprenant une quatrième inductance (L4) et un quatrième montage de transistors (S8). Onduleur selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel l’unité de commande est agencée pour piloter les transistors comme suit: -le premier transistor (S1) de la première paire est piloté par un signal carré, le deuxième transistor (S2) de la première paire est piloté par un signal carré en opposition de phase avec le précédent, le premier montage de transistors (S3) et le troisième transistor (S4) de la deuxième paire sont passants, le deuxième montage de transistors (S5) et le quatrième transistor (S6) de la deuxième paire sont bloquants de sorte que la tension de sortie (Vout) est positive; -le quatrième transistor (S6) est piloté par un signal carré, le premier montage de transistors (S3) et le troisième transistor (S4) sont pilotés par un signal carré en opposition de phase avec le précédent, le deuxième transistor (S2) et le deuxième montage de transistors (S5) sont passants, le premier transistor (S1) et le premier montage de transistors (S3) sont bloquants de sorte que la tension de sortie (Vout) est négative. Onduleur selon la revendication 1, dans lequel la cellule résonante comprend uniquement des composants électroniques passifs. Onduleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cellule résonante a une induction globale et une capacité globale telles que la fréquence de résonance est inférieure à une fréquence de découpage de l’onduleur.