Brevet FR3155666A1 — publié le 20250523

L’invention concerne un système (2) de conversion d’une première tension électrique (U1) en une deuxième tension électrique (U2) comprenant un convertisseur (4) muni d’au moins deux bornes d’entrée (5), au moins deux bornes de sortie (8), et au moins une branche électronique de commutation (10), la ou chaque branche (10) comprenant deux demi-branches de commutation (16) reliées en série en une borne intermédiaire (8), au moins une demi-branche (16) comportant au moins un organe de commutation (19), le ou chaque organe de commutation (19) comprenant un interrupteur électronique commandable (20) ; et un dispositif (6) de commande du ou de chaque interrupteur électronique (20) de la ou chaque branche (10) ; le convertisseur (4) comportant en outre, pour le ou chaque interrupteur électronique (20), un composant passif limiteur de tension (12) connecté audit interrupteur électronique (20), couplé thermiquement audit interrupteur électronique (20), et présentant un coefficient thermique négatif. Figure de l’abrégé : Fig. 1 SYSTEME DE CONVERSION D’UNE PREMIERE TENSION ELECTRIQUE EN UNE DEUXIEME TENSION ELECTRIQUE COMPRENANT AU MOINS UN COMPOSANT PASSIF LIMITEUR DE TENSION L’invention se rapporte à un système de conversion d’une première tension électrique en une deuxième tension électrique, comprenant un convertisseur d’une première tension électrique en une deuxième tension électrique ainsi qu’un dispositif de commande du convertisseur. L’invention se rapporte également à un chargeur électrique pour véhicule électrique ou hybride, comprenant un tel système de conversion électrique, ainsi qu’à un véhicule électrique ou hybride, notamment automobile, comprenant un tel chargeur électrique. Il est connu de l’état de la technique des chargeurs électriques pour véhicule électriques ou hybride, embarqués au sein d’un tel véhicule et destinés à être connectés à une borne ou à une station de recharge électrique pour l’alimentation électrique du véhicule. Le chargeur embarqué peut fonctionner dans un véhicule électrique ou hybride suivant plusieurs modes de fonctionnement, dont : - réseau vers véhicule (ou G2V pour « grid to vehicle » en langue anglaise) ; - véhicule vers réseau (ou V2G pour « vehicle to grid » en langue anglaise) ; - véhicule vers domicile (ou V2H pour « vehicle to home » en langue anglaise) ; - véhicule vers charge (ou V2L pour « vehicle to load » en langue anglaise). Dans le mode véhicule vers charge (ou V2L pour « vehicle to load » en langue anglaise), la fourniture d’un courant électrique alternatif (typiquement du 230 V monophasé) est typiquement réalisée en prélevant l’énergie électrique depuis la batterie haute tension du véhicule (batterie de tension nominale 400 V ou 800V) et en convertissant cette dernière en courant électrique alternatif (à l’aide d’un étage de conversion de puissance présent dans le chargeur). Il est alors possible de connecter un appareil électrique externe au véhicule de manière à alimenter l’appareil avec le courant électrique alternatif. L’étage de conversion de puissance comporte classiquement un système de conversion d’une première tension électrique continue en une deuxième tension électrique alternative, le système de conversion étant muni d’un convertisseur ainsi que d’un dispositif de commande du convertisseur. Le convertisseur d’une première tension électrique continue en une deuxième tension électrique alternative présente typiquement une topologie faite de trois branches électroniques (ou bras) de commutation. Chaque branche de commutation comporte deux demi-branches de commutation reliées en série en une borne intermédiaire. Chaque demi-branche comporte un ou plusieurs organe(s) de commutation de courant connectés en parallèle. Chaque organe de commutation comprend un interrupteur électronique de type transistor, typiquement un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde (ou MOSFET en terminologie anglaise, de « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor »). Le dispositif de commande est relié à chacun des interrupteurs électroniques pour permettre leur pilotage. Toutefois, du fait de la géométrie du convertisseur (en particulier de la géométrie de la carte de circuit imprimé de ce dernier, qui permet la circulation des courants électriques depuis le dispositif de commande jusqu’aux interrupteurs), des chemins de courant différents existent entre les interrupteurs, ce qui génère des valeurs d’inductances parasites distinctes et provoque des pertes par commutation distinctes au sein de chacune des puces des interrupteurs électroniques. Plus précisément, pour une puce électronique qui a le chemin de courant le plus long, l’inductance parasite est plus élevée, ce qui entraîne une moindre quantité de courant commutée et donc davantage de pertes par commutation. Ce déséquilibre entre les pertes par commutation est complété par un autre déséquilibre concernant les pertes par conduction, du fait de différences de paramètres électriques entre les puces. Un tel déséquilibre entre les pertes par commutation et par conduction entraîne des différences entre les températures de jonction des différentes puces, ce qui est critique pour le convertisseur du point de vue de la limitation de performance de ce dernier (et donc de sa capacité à fournir du courant électrique alternatif). En effet, des pertes plus importantes au sein de la puce d’un interrupteur électronique donné entraînent des températures plus importantes, et ce déséquilibre de températures dégrade notablement les performances électriques du convertisseur. Il existe donc un besoin de pouvoir réduire le déséquilibre entre les pertes par commutation et par conduction des organes de commutation d’un système de conversion d’une première tension électrique en une deuxième tension électrique, afin d’harmoniser et de réguler les températures de jonction entre les puces de ces organes de commutation et d’ainsi améliorer les performances électriques du système. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose, dans son acception la plus large, un système de conversion d’une première tension électrique en une deuxième tension électrique, comprenant : - un convertisseur d’une première tension électrique en une deuxième tension électrique, le convertisseur comprenant au moins deux bornes d’entrée, au moins deux bornes de sortie, et au moins une branche électronique de commutation connectée entre les deux bornes d’entrée, la ou chaque branche comprenant deux demi-branches de commutation reliées en série en une borne intermédiaire, au moins une demi-branche comportant au moins un organe de commutation, le ou chaque organe de commutation comprenant un interrupteur électronique commandable muni d’une électrode de commande et de deux électrodes de conduction ; - un dispositif de commande du ou de chaque interrupteur électronique de la ou chaque branche ; dans lequel le convertisseur comporte en outre, pour le ou chaque interrupteur électronique, une résistance et un composant passif limiteur de tension, la résistance étant connectée entre le dispositif de commande et l’électrode de commande dudit interrupteur électronique, ledit composant passif limiteur de tension étant connecté entre l’électrode de commande et une des électrodes de conduction dudit interrupteur électronique, étant couplé thermiquement audit interrupteur électronique, et présentant un coefficient thermique négatif. La présence dans le convertisseur d’un tel composant passif limiteur de tension pour le ou chaque interrupteur électronique permet d’équilibrer les températures de jonction entre les puces des organes de commutation et d’ainsi améliorer les performances électriques du système. En effet, en disposant un tel composant passif limiteur de tension au sein du convertisseur et en le couplant thermiquement à l’interrupteur électronique associé, la température de ce composant devient très proche de celle de la puce de l’interrupteur électronique. Ainsi, lorsque la puce de l’interrupteur est chauffée davantage que les autres puces d’interrupteurs durant le fonctionnement du convertisseur, le composant passif limiteur de tension associé à cet interrupteur présente une tension de claquage plus faible (du fait du coefficient thermique négatif du composant). Or, pour un interrupteur électronique de type transistor présentant une électrode de commande et deux électrodes de conduction, la valeur de sa résistance interne est proportionnelle à la tension appliquée sur la commande (tension appliquée entre l’électrode de commande et une des électrodes de conduction). Par conséquent, lorsque la puce d’un interrupteur est chauffée davantage que les autres puces d’interrupteurs durant le fonctionnement du convertisseur, la valeur de la tension de commande diminue et donc la puce de l’interrupteur en question présente une plus grande résistance, ce qui conduit à ce que l’interrupteur ait moins de courant électrique circulant en son sein (et donc moins de pertes par conduction). Ce mécanisme, permis par la présence du composant passif limiteur de tension pour le ou chaque interrupteur électronique, permet ainsi une régulation automatique de la température entre les puces des organes de commutation. La résistance quant à elle permet de découpler la tension entre l’électrode de commande et une des électrodes de conduction de l’interrupteur électronique. Selon une variante, le ou chaque composant passif limiteur de tension est une diode Zener. Selon une variante, la diode Zener est disposée dans l’organe de commutation comprenant l’interrupteur électronique auquel elle est connectée Selon une variante, la diode Zener est disposée dans le convertisseur de telle manière qu’elle se situe à une distance de la puce de l’interrupteur électronique auquel elle est connectée qui est inférieure à 0,5 cm, de préférence de l’ordre de 1 mm ou 2 mm. Ceci permet d’améliorer encore la régulation des températures de jonction entre les puces des organes de commutation, et donc améliorer encore les performances électriques du système. Selon une variante, la ou chaque résistance présente une valeur de résistance comprise entre 1 Ω et 10 Ω. Selon une variante, le ou chaque interrupteur électronique comporte un composant électronique semi-conducteur de commutation, tel qu’un transistor ou un thyristor. Selon une variante, ledit composant électronique semi-conducteur de commutation est un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde, ledit composant passif limiteur de tension étant connecté entre la grille et la source dudit transistor à effet de champ à grille métal-oxyde. Selon une variante, la diode Zéner est telle que sa tension de claquage est comprise entre 16 V et 22 V, pour une température comprise entre 150°C et 200°C. Cela permet d’obtenir une tension de claquage pour la diode Zéner qui est proche de la tension nominale grille-source du transistor à effet de champ à grille métal-oxyde correspondant (dans son état fermé), lorsque la puce du transistor est proche de sa température maximale (qui est comprise entre 150°C et 200°C). L’invention se rapporte également à un chargeur électrique pour véhicule électrique ou hybride destiné, le chargeur électrique comportant un système de conversion d’une première tension électrique en une deuxième tension électrique tel que décrit ci-dessus. L’invention se rapporte également à un véhicule électrique ou hybride, notamment automobile, comportant un chargeur électrique tel que décrit ci-dessus. On décrira ci-après, à titre d’exemples non limitatifs, des formes d’exécution de la présente invention, en référence à la figure annexée unique sur laquelle : - FIG. 1 est une représentation schématique d’un système de conversion électrique selon un mode de réalisation de la présente invention. En référence à la FIG. 1 est illustré un système 2 de conversion d’une première tension électrique U1 en une deuxième tension électrique U2, selon un mode de réalisation de l’invention. Le système de conversion électrique 2 est typiquement installé au sein d’un véhicule automobile électrique ou hybride, plus précisément au sein d’un chargeur électrique du véhicule, et comporte un convertisseur 4 d’une première tension électrique U1 en une deuxième tension électrique U2, et un dispositif 6 de commande du convertisseur 4. Le convertisseur 4 est par exemple relié d’une part à une batterie haute tension 3 d’un véhicule électrique ou hybride, fournissant à ses deux bornes d’entrée 5 (dont une seule est représentée sur la FIG. 1 ) la première tension électrique U1, et d’autre part à une charge 7 débitant entre ses bornes de sortie 8 (dont une seule est représentée sur la FIG. 1 ) la deuxième tension électrique U2. Dans l’exemple de réalisation représenté sur la FIG. 1 , la première tension électrique U1 est une tension électrique continue issue de la batterie de stockage électrique du véhicule, après transformation par un ou plusieurs autre(s) étage(s) du chargeur électrique, et la deuxième tension électrique U2 est une tension électrique alternative, par exemple triphasée. Selon ce même exemple, le convertisseur 4 comporte deux bornes d’entrée 5 et trois bornes de sortie 8. En variante, la première tension électrique U1 peut être une tension électrique alternative. En variante ou en complément, la deuxième tension électrique U2 peut être une tension électrique continue. Le convertisseur 4 d’une première tension électrique U1 en une deuxième tension électrique U2 comporte au moins une branche électronique de commutation 10 connectée entre ses deux bornes d’entrée 5. Dans le mode de réalisation particulier de la FIG. 1 , le convertisseur 4 comporte trois branches électroniques de commutation 10. Le convertisseur 4 comporte également trois composants passifs limiteurs de tension 12, et trois résistances 14. Chaque ensemble constitué d’une branche électronique de commutation 10, d’un composant passif limiteur de tension 12 et d’une résistance 14 correspond à une phase distincte de la tension électrique alternative U2. Chaque branche électronique de commutation 10 comprend deux demi-branches de commutation 16 reliées en série en une borne intermédiaire 8. Sur la FIG. 1 il n’est représentée qu’une seule demi-branche 16 pour chaque branche de commutation 10, pour des raisons de clarté (les autres demi-branches 16 non représentées devant être imaginées en miroir des demi-branches 16 représentées, et connectées à l’autre borne d’entrée – non visible sur la FIG. 1 - du convertisseur 4). Chaque borne intermédiaire 8 d’une branche électronique de commutation 10 correspond à une borne de sortie du convertisseur 4. Les trois bornes intermédiaires 8 semblent reliées les unes aux autres. Chaque demi-branche de commutation 16 comprend un organe de commutation 19. En variante non représentée, chaque demi-branche de commutation 16 comprend un nombre N1 d’organes de commutation 19, N1 étant un nombre entier supérieur ou égal à deux. En variante encore, seule une demi-branche de commutation 16 comporte un nombre N3 d’organes de commutation, N3 étant un nombre entier supérieur ou égal à un. Comme connu en soi, chaque organe de commutation 19 est bidirectionnel en courant et unidirectionnel en tension. Chaque organe de commutation 19 comprend un interrupteur électronique commandable 20 présentant une électrode de commande 20A et deux électrodes de conduction 20B, 20C. Chaque interrupteur 20 est par exemple formé d’un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde, également appelé transistor MOSFET (de l’anglais « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor »). Tous les transistors MOSFET 20 sont, par exemple, identiques. La grille 20A de chaque transistor MOSFET 20 est reliée au dispositif de commande 6 pour recevoir un signal de commande correspondant. En variante, le transistor MOSFET 20 est remplacé par tout composant électronique semi-conducteur comprenant une électrode de commande et deux électrodes de conduction, tel qu’un transistor bipolaire, un transistor à effet de champ, un thyristor, un thyristor à extinction par la gâchette, un thyristor IGCT (de l’anglais « Insulated Gate Commutated Thysistor »), ou un thyristor MCT (de l’anglais « MOS Controlled Thyristor ») par exemple. Chaque composant passif limiteur de tension 12 est couplé thermiquement à la puce d’un des transistors MOSFET 20, et est connecté entre la grille 20A et la source 20C de ce transistor. Chaque composant passif limiteur de tension 12 est typiquement une diode Zéner, qui présente une tension de claquage comprise entre 16 V et 22 V, pour une température comprise entre 150°C et 200°C. Chaque composant passif limiteur de tension 12 présente un coefficient thermique négatif. Par exemple, lorsque chaque composant passif limiteur de tension 12 est une diode Zéner, chaque diode Zéner 12 présente une tension de claquage valant 19 V pour une température égale à 175°C, et une tension de claquage valant 17 V pour une température égale à 200°C, sans que cela ne soit limitatif dans le cadre de la présente invention. Chaque diode Zéner 12 est par exemple disposée dans l’organe de commutation 19 qui comprend le transistor MOSFET 20 auquel elle est connectée. Chaque diode Zener 12 est typiquement disposée dans le convertisseur 4 de telle manière qu’elle se situe à une distance de la puce du transistor MOSFET 20 auquel elle est connectée qui est inférieure à 0,5 cm, de préférence de l’ordre de 1 mm ou 2 mm. Chaque résistance 14 est connectée entre le dispositif de commande 6 et la grille 20A d’un transistor MOSFET 20 correspondant. Chaque résistance 14 présente une valeur de résistance par exemple comprise entre 1 Ω et 10 Ω. Le système de conversion électrique 2 selon l’invention permet de réduire le déséquilibre entre les pertes par commutation et par conduction des organes de commutation 19, afin d’harmoniser et de réguler les températures de jonction entre les puces de ces organes de commutation 19 et d’ainsi améliorer les performances électriques du système 2. Système (2) de conversion d’une première tension électrique (U1) en une deuxième tension électrique (U2), comprenant : - un convertisseur (4) d’une première tension électrique (U1) en une deuxième tension électrique (U2), le convertisseur (4) comprenant au moins deux bornes d’entrée (5), au moins deux bornes de sortie (8), et au moins une branche électronique de commutation (10) connectée entre les deux bornes d’entrée (5), la ou chaque branche (10) comprenant deux demi-branches de commutation (16) reliées en série en une borne intermédiaire (8), au moins une demi-branche (16) comportant au moins un organe de commutation (19), le ou chaque organe de commutation (19) comprenant un interrupteur électronique commandable (20) muni d’une électrode de commande (20A) et de deux électrodes de conduction (20B, 20C) ; - un dispositif (6) de commande du ou de chaque interrupteur électronique (20) de la ou chaque branche (10) ; caractérisé en ce que le convertisseur (4) comporte en outre, pour le ou chaque interrupteur électronique (20), une résistance (14) et un composant passif limiteur de tension (12), la résistance (14) étant connectée entre le dispositif de commande (6) et l’électrode de commande (20A) dudit interrupteur électronique (20), ledit composant passif limiteur de tension (12) étant connecté entre l’électrode de commande (20A) et une des électrodes de conduction (20C) dudit interrupteur électronique (20), étant couplé thermiquement audit interrupteur électronique (20), et présentant un coefficient thermique négatif. Système de conversion électrique (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou chaque composant passif limiteur de tension (12) est une diode Zener. Système de conversion électrique (2) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la diode Zener (12) est disposée dans l’organe de commutation (19) comprenant l’interrupteur électronique (20) auquel elle est connectée. Système de conversion électrique (2) selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la diode Zener (12) est disposée dans le convertisseur (4) de telle manière qu’elle se situe à une distance de la puce de l’interrupteur électronique (20) auquel elle est connectée qui est inférieure à 0,5 cm, de préférence de l’ordre de 1 mm ou 2 mm. Système de conversion électrique (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la ou chaque résistance (14) présente une valeur de résistance comprise entre 1 Ω et 10 Ω. Système de conversion électrique (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le ou chaque interrupteur électronique (20) comporte un composant électronique semi-conducteur de commutation, tel qu’un transistor ou un thyristor. Système de conversion électrique (2) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit composant électronique semi-conducteur de commutation (20) est un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde, ledit composant passif limiteur de tension (12) étant connecté entre la grille (20A) et la source (20C) dudit transistor à effet de champ à grille métal-oxyde. Système de conversion électrique (2) selon la revendication 7 lorsqu’elle dépend de la revendication 2, caractérisé en ce que la diode Zéner (12) est telle que sa tension de claquage est comprise entre 16 V et 22 V, pour une température comprise entre 150°C et 200°C. Chargeur électrique pour véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce qu’il comporte un système (2) de conversion d’une première tension électrique (U1) en une deuxième tension électrique (U2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.