Brevet FR3162573A1 — publié le 20251128

Convertisseur (100) comprenant un étage de filtrage (110) à courant continu et un onduleur (120) relié à l’étage de filtrage (110), l’étage de filtrage (110) comprenant au moins des condensateurs de mode commun (C1, C2, C3, C4). L’étage de filtrage (110) comprend un dispositif de détection (113 ; 114) de courants de décharge partielle dans le convertisseur, le dispositif de détection (113 ;114) comprenant au moins un condensateur de découplage et un circuit de mesure de courant (1134 ; 1144) dans le condensateur de découplage, le condensateur de découplage étant formé par au moins l’un des condensateurs de mode commun (C1, C2 ; C3, C4). FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 1 Convertisseur de puissance incorporant un circuit de détection des décharges partielles. La présente invention concerne le domaine de l’électronique et plus particulièrement la mesure des décharges partielles dans les appareils électroniques de puissance. ARRIERE PLAN DE L’INVENTION On rappelle que, selon la norme IEC 60270, une décharge partielle est une décharge électrique localisée, engendrée par une forte tension, qui court-circuite partiellement l’intervalle isolant séparant deux conducteurs. La méthode de mesure classique des décharges partielles, préconisée par la norme IEC 60270, consiste à raccorder l’isolation aux bornes d’un générateur de tension et de mesurer les seuils d’apparition des décharges partielles à travers un condensateur de couplage associé à un circuit de mesure de courant et de traitement. Il a par ailleurs été envisagé de mesurer les décharges partielles dans des appareils électriques en cours d’utilisation. La méthode préconisée par la norme est alors difficile à mettre en œuvre puisqu’elle nécessite de prévoir une source d’alimentation haute tension externe et un condensateur de découplage et un circuit de mesure associé. OBJET DE L’INVENTION L’invention a notamment pour but de permettre une mesure des décharges partielles dans un appareil électronique raccordé à une installation électrique. A cet effet, on prévoit, selon l’invention un convertisseur comprenant un étage de filtrage à courant continu et un onduleur relié à l’étage de filtrage, l’étage de filtrage comprenant au moins des condensateurs de mode commun et un dispositif de détection de courants de décharge partielle dans le convertisseur. Le dispositif de détection comprend au moins un condensateur de découplage et un circuit de mesure de courant dans le condensateur de découplage, le condensateur de découplage étant formé par au moins l’un des condensateurs de mode commun. Les condensateurs de mode commun sont connectés au plus proche de l’alimentation susceptible de constituer une source de perturbation, en limitant les inductances de câblage, et donc en ayant une fréquence de coupure élevée compatible avec une mesure de décharge partielle. Il est donc très avantageux d’utiliser au moins l’un de ces condensateurs de mode commun comme condensateur de découplage dans un dispositif de détection de courant de décharge partielle. La détection des décharges partielles n’utilise donc pas de condensateur en plus des condensateurs de mode commun qui sont de toute façon nécessaires au fonctionnement du convertisseur. Le dispositif de détection selon l’invention permet de détecter les décharges partielles intervenant dans le convertisseur et les équipements et câbles auxquels le convertisseur est relié. Selon des caractéristiques optionnelles, utilisées individuellement ou tout ou partie en combinaison : l’étage de filtrage comprend au moins deux résistances d’amortissement chacune en série avec l’un des condensateurs de mode commun et le circuit de mesure est relié à un organe de mesure de tension agencé pour mesurer une tension aux bornes d’au moins une des résistances d’amortissement ; le circuit de mesure est relié à l’organe de mesure de tension via un filtre passe-haut ; le dispositif de détection est agencé pour mesurer une tension aux bornes des deux résistances d’amortissement ; le circuit de mesure est relié à un organe de mesure de courant agencé pour mesurer un courant dans l’un au moins des condensateurs de mode commun ; l’organe de mesure de courant comprend au moins un tore de Rogowski disposé sur un conducteur reliant le condensateur de mode commun à une masse ou l’organe de mesure de courant comprend au moins un transformateur de courant haute fréquence disposé sur un conducteur reliant le condensateur de mode commun à une masse ; les condensateurs de mode commun sont montés sur un jeu de barres laminées et une plaque de circuit imprimé s’étend entre les condensateurs de mode commun et le jeu de barres laminées et comprend un trou de passage d’une patte d’un des condensateurs de mode commun, l’organe de mesure de courant étant imprimé sur la plaque de circuit imprimé autour du trou ; le circuit de mesure est relié à l’organe de mesure de courant via un filtre passe-haut ; le dispositif de détection est agencé pour mesurer un courant dans les deux condensateurs de mode commun. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers et non limitatifs de l’invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : FIG. 1 est un schéma électrique d’une installation incorporant un convertisseur de puissance ; FIG. 2 est un schéma électrique d’une partie de ce convertisseur de puissance incorporant un dispositif de détection de décharges partielles selon un premier mode de réalisation de l’invention ; FIG. 3 est un schéma électrique d’une partie de ce convertisseur de puissance incorporant un dispositif de détection de décharges partielles selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ; FIG. 4 est une vue schématique partielle, de côté, d’un convertisseur de puissance selon l’invention ; FIG. 4 est une vue schématique partielle, de dessus, de la plaque de circuit imprimé de ce convertisseur de puissance. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION En référence à la FIG. 1 , le convertisseur de puissance selon l’invention, généralement désigné 100, est ici décrit en application à l’alimentation d’une machine électrique 200 auxquels le convertisseur de puissance est relié par un câble 300. La machine électrique 200 est ici une machine synchrone à aimants permanents (PMSM) comprenant ici trois enroulements électromagnétiques. Le convertisseur 100 comprend un étage de filtrage 110 de courant continu et un onduleur 120. L’étage de filtrage 110 comprend une première ligne 111 et une deuxième ligne 112 entre lesquelles une source de tension établit une différence de potentiel et qui ont chacune une inductance L de filtrage DC en mode commun et en mode différentielle et qui sont reliées chacune à un ensemble de condensateurs de mode commun. Cet ensemble comprend : un premier condensateur de mode commun C1 ayant une armature reliée à la première ligne 111 et une armature reliée à la masse, un deuxième condensateur de mode commun C2 ayant une armature reliée à la deuxième ligne 112 et une armature reliée à la masse, un troisième condensateur de mode commun C3 ayant une armature reliée à la première ligne 111 et une armature reliée à la masse via une première résistance d’amortissement R1, un quatrième condensateur de mode commun C4 ayant une armature reliée à la deuxième ligne 112 et une armature reliée à la masse via une deuxième résistance d’amortissement R2. Les condensateurs de mode commun ont de préférence une capacité comprise entre quelques dizaines à quelques centaines de nF. L’étage de filtrage 110 comprend en outre un premier condensateur de filtrage différentiel C5 et un deuxième condensateur de filtrage différentiel C6 montés en parallèles entre la première ligne 111 et la deuxième ligne 112. Les condensateurs sont de préférence positionnés sur un circuit imprimé ou sur un jeu de barres laminées (couramment dénommées « busbar »), en fonction de la puissance du convertisseur de puissance, de manière à limiter les inductances de boucle. L’onduleur 120 comprend une borne positive 121 et une borne négative 122 reliées respectivement à la première ligne 111 et la deuxième ligne 112 et trois bornes 123, 124, 125 reliées chacune, via le câble 300, à l’un des enroulements de la machine électrique 200. L’onduleur 120 comprend également trois bras de transistors 126 en série reliées en parallèle à la première borne 121 et à la deuxième borne 122 ; chaque paire de transistors 126 en série ayant un point milieu relié à l’une des bornes 123, 124, 125. L’onduleur 120 comprend en outre six entrées de commande 127, une pour chacun des transistors 126, reliées à une unité électronique de commande non représentée pour découper la tension fournie en sortie de l’étage de filtrage 110. Cet agencement du convertisseur de puissance 100, tel que représenté sur la FIG. 1 , est connu en lui-même et ne sera pas plus détaillé ici. Le convertisseur de puissance 100 comprend en outre, conformément à l’invention, un dispositif de détection de courants de décharge partielle dans le convertisseur de puissance 100. Le dispositif de détection comprend au moins un condensateur de découplage et un circuit de mesure de courant dans le condensateur de découplage, le condensateur de découplage étant formé par au moins l’un des condensateurs de mode commun. Dans les deux modes de réalisation de l’invention qui vont maintenant être décrits en relation avec les figures 2 et 3, le dispositif de détection comprend deux condensateurs de découplage formés chacun par l’un des condensateurs de mode commun. En référence à la FIG. 2 , et selon le premier mode de réalisation de l’invention, le dispositif de détection, généralement désigné en 113, comprend deux organes d’acquisition de tension 1131.1, 1131.2 reliés chacun d’une part aux bornes d’une des résistances d’amortissement R1, R2 et d’autre part à une entrée d’un sommateur 1132 ayant une sortie reliée à un filtre passe-haut 1133 relié au circuit de mesure 1134. La tension aux bornes de la résistance d’amortissement R1 en série avec le condensateur de mode commun C3 est représentative du courant circulant dans le condensateur de mode commun C3 et la tension aux bornes de la résistance d’amortissement R2 en série avec le condensateur de mode commun C4 est représentative du courant circulant dans le condensateur de mode commun C4. Les organes d’acquisition de tension 1131.1, 1131.2 sont des dispositifs à amplificateur opérationnel. Le circuit de mesure 1134 est agencé pour comparer la tension obtenue à un seuil et en déduire si un courant de décharge partielle circule dans les condensateurs de mode commun C3, C4. Le sommateur 1132 permet d’exploiter les mesures du « chemin positif » passant par le condensateur de mode commun C3 et la résistance d’amortissement R1 et du « chemin négatif » passant par le condensateur de mode commun C4 et la résistance d’amortissement R2, ce qui permet de mesurer les décharges partielles d’une phase au moment de la commutation (là où se produit le maximum de surtension) quel que soit le transistor qui conduit. On obtient ainsi un gain maximum et une meilleure précision. Le filtre passe-haut 1133 permet de supprimer les perturbations engendrées par les commutations des transistors 126. La détection d’une décharge partielle dans un équipement peut avoir plusieurs conséquences. Sur un banc d’essai, l’équipement sera déclaré non opérationnel et éventuellement réparé ou modifié pour remédier à ce problème. Sur un équipement en utilisation, par exemple en vol pour un équipement embarqué sur un aéronef : l’équipement est arrêté pour ne pas dégrader les isolants dont il est pourvu ; ou les valeurs et la durée des décharges partielles sont enregistrées, sans arrêt du convertisseur, pour un traitement ultérieur permettant de juger du vieillissement des isolants lors d’une opération de maintenance ; et/ou une alarme indiquant qu’une opération de maintenance est nécessaire est activée. En référence à la FIG. 3 , et selon le deuxième mode de réalisation de l’invention, le dispositif de détection, généralement désigné en 114, comprend deux tores de Rogowski 1141.1, 1141.2 montés chacun autour du conducteur reliant le point milieu à l’un des condensateurs de mode commun C1, C2. Les tores de Rogowski 1141.1, 1141.2 ont chacun une sortie de mesure reliée à une entrée d’un sommateur 1142 ayant une sortie reliée à un filtre passe-haut 1143 relié au circuit de mesure 1144. Les tores de Rogowski 1141.1, 1141.2 mesurent le courant circulant dans les condensateurs de mode commun C1, C2. Le sommateur 1132 permet d’exploiter les mesures du « chemin positif » passant par le condensateur de mode commun C1 et du « chemin négatif » passant par le condensateur de mode commun C2, ce qui permet de mesurer les décharges partielles d’une phase au moment de la commutation (là où se produit le maximum de surtension) quel que soit le transistor qui conduit. Le filtre passe-haut 1143 permet de supprimer les perturbations engendrées par les commutations des transistors 126. Lorsque les condensateurs de mode commun sont montés sur un circuit imprimé, il est facile d’intégrer la mesure au plus près des composants, que ce soit par la mesure de la tension aux bornes des résistances d’amortissement R1 et R2 ou en intégrant à la plaque de circuit imprimé les tores de Rogowski. Dans un tel mode de réalisation, une première partie de chacune des spires est imprimée sur la face supérieure de la plaque de circuit imprimé, une deuxième partie de chacune des spires est imprimée sur la face inférieure de la plaque de circuit imprimé, et des vias métallisés raccordent électriquement les deux parties de chaque spire. L’intégration de tores de Rogowski à la plaque de circuit imprimé est connue par exemple des documents : X. Zhao, R. Phukan, C. -. W. Chang, R. Burgos, D. Dong and P. Asfaux, "Design and Optimization of 2×211-kW SiC-Based Aircraft Propulsion Inverter System with High Power Density and High Efficiency", 2023 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Orlando, FL, USA, 2023, pp. 1009-1016, doi 10.1109/APEC43580.2023.10131406; B. Bayarkhuu, B. Bat-Ochir, B. Dugarjav, I. Omura Single PCB sensor-based output current reproduction for three-phase inverter systems, www.journals.elsevier.com/power-electronic-devices-and-components, 17 décembre 2023, 2772-3704, Elsevier. Lorsque les condensateurs de mode commun sont montés sur un jeu de barres laminées 130 (voir les figures 4a et 4b), la mise en place du dispositif de détection est plus délicate. Une plaque de circuit imprimé 140 est rapportée sur le jeu de barres laminées 130 pour s’étendre entre les condensateurs de mode commun C1, C2 et le jeu de barres laminées 130. La plaque de circuit imprimé 140 est munie de deux trous 141 pour permettre le passage des pattes des condensateurs de mode commun C1, C2 qui sont fixées au jeu de barres laminées 130. Chacun des trous 141 est entouré par des spires du tore de Rogowski 1141.1, 1141.2 qui sont imprimées sur la plaque de circuit imprimé 140 et reliées à un connecteur 142 fixé sur la plaque de circuit imprimé 140 pour permettre le raccordement des tores de Rogowski 1141.1, 1141.2 au circuit de mesure 1144 via le filtre passe haut 1143. Ainsi, les tores de Rogowski 1141.1, 1141.2 sont intégrés à la plaque de circuit imprimé 140. On notera que les mesures de courants sont positionnées sur les bornes des condensateurs de mode commun C1, C2 reliées à la masse : l’isolement à garantir par les tores de Rogowski est alors minimal. De préférence, la plaque de circuit imprimé 140 est collée à la barre laminée 130 pour être conforme aux contraintes d’environnement mécanique de l’assemblage. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications. En particulier, le convertisseur de puissance peut avoir une structure différente de celle décrite. Le convertisseur pourrait ne pas comprendre de résistance d’amortissement. En variante, on pourrait n’utiliser qu’un seul des condensateurs de mode commun comme condensateur de découplage. On pourrait alors se passer du sommateur pour n’exploiter la mesure que du chemin passant par le condensateur de mode commun en question. La mesure de courant peut être réalisée sur l’un des condensateurs de mode commun relié à la borne positive du circuit, ou sur l’un des condensateurs de mode commun relié à la borne négative du circuit. Ceci permet de limiter le nombre de composants, une partie du courant pouvant reboucler dans les condensateurs de mode différentiel C5 et C6 dont l’inductance de câblage est minimum. En variante du deuxième mode de réalisation, les tores de Rogowski 1141.1, 1141.2 peuvent être remplacés par des transformateurs de courant haute fréquence. Le connecteur peut être remplacé par des fils soudés pour transmettre au circuit de mesure 1144 les signaux de mesure des tores de Rogowski 1141.1, 1141.2. Le convertisseur de puissance selon l’invention peut prendre place dans n’importe quelle installation électrique et par exemple une installation électrique dans laquelle la machine électrique est remplacée par un transformateur. Convertisseur (100) comprenant un étage de filtrage (110) à courant continu et un onduleur (120) relié à l’étage de filtrage (110), l’étage de filtrage (110) comprenant au moins des condensateurs de mode commun (C1, C2, C3, C4), caractérisé en ce que l’étage de filtrage (110) comprend un dispositif de détection (113 ; 114) de courants de décharge partielle dans le convertisseur, le dispositif de détection (113 ;114) comprenant au moins un condensateur de découplage et un circuit de mesure de courant (1134 ; 1144) dans le condensateur de découplage, le condensateur de découplage étant formé par au moins l’un des condensateurs de mode commun (C1, C2 ; C3, C4). Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel l’étage de filtrage (110) comprend au moins deux résistances d’amortissement (R1, R2) chacune en série avec l’un des condensateurs de mode commun (C3, C4) et le circuit de mesure (1134) est relié à un organe de mesure de tension (1131.1, 1131.2) agencé pour mesurer une tension aux bornes d’au moins une des résistances d’amortissement (R1, R2). Convertisseur selon la revendication 2, dans lequel le circuit de mesure (1134) est relié à l’organe de mesure de tension (1131.1, 1131.2) via un filtre passe-haut (1133). Convertisseur selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le dispositif de détection (113) est agencé pour mesurer une tension aux bornes des deux résistances d’amortissement (R1, R2). Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel le circuit de mesure (1144) est relié à un organe de mesure de courant (1141.1, 1141.2) agencé pour mesurer un courant dans l’un au moins des condensateurs de mode commun (C1, C2). Convertisseur selon la revendication 5, dans lequel l’organe de mesure de courant (1141.1, 1141.2) comprend au moins un tore de Rogowski disposé sur un conducteur reliant le condensateur de mode commun (C1, C2) à une masse. Convertisseur selon la revendication 5, dans lequel l’organe de mesure de courant (1141.1, 1141.2) comprend au moins un transformateur de courant haute fréquence disposé sur un conducteur reliant le condensateur de mode commun (C1, C2) à une masse. Convertisseur selon la revendication 6 ou 7, dans lequel les condensateurs de mode commun (C1, C2) sont montés sur un jeu de barres laminées (130) et une plaque de circuit imprimé (140) s’étend entre les condensateurs de mode commun (C1, C2) et le jeu de barres laminées (130) et comprend un trou (141) de passage d’une patte d’un des condensateurs de mode commun (C1, C2), l’organe de mesure de courant (1141.1, 1141.2) étant imprimé sur la plaque de circuit imprimé (140) autour du trou (141). Convertisseur selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel le circuit de mesure (1144) est relié à l’organe de mesure de courant (1141.1, 1141.2) via un filtre passe-haut (1143). Convertisseur selon l’une quelconque des revendications 5 à 9, dans lequel le dispositif de détection (114) est agencé pour mesurer un courant dans les deux condensateurs de mode commun (C1, C2).