FR3053545A1 - Nouveau convertisseur dc/dc de type cascade - Google Patents
Nouveau convertisseur dc/dc de type cascade Download PDFInfo
- Publication number
- FR3053545A1 FR3053545A1 FR1656268A FR1656268A FR3053545A1 FR 3053545 A1 FR3053545 A1 FR 3053545A1 FR 1656268 A FR1656268 A FR 1656268A FR 1656268 A FR1656268 A FR 1656268A FR 3053545 A1 FR3053545 A1 FR 3053545A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- output
- conversion
- elementary
- input
- converter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
- H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
- H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
- H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
- H02M3/33584—Bidirectional converters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
- H02J1/002—Intermediate AC, e.g. DC supply with intermediated AC distribution
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
- H02M1/0077—Plural converter units whose outputs are connected in series
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
L'invention concerne une unité élémentaire (UE) de conversion pour un convertisseur de type cascadé, unité élémentaire comprenant un transformateur comprenant : • un enroulement primaire dont deux bornes d'entrée sont connectées à deux bornes de sortie d'une cellule de conversion d'entrée (CE), deux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée formant deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire, et • un premier enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une première cellule de conversion de sortie (CS1), L'unité élémentaire de conversion selon l'invention est caractérisée en ce que le transformateur comprend également un deuxième enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une deuxième cellule de conversion de sortie (CS2), une première borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) étant connectée à une deuxième borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1), une première borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1) et une deuxième borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) formant respectivement une première et une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de conversion (UE). L'invention concerne également un convertisseur comprenant p unités élémentaires telles de décrites ci-dessus, associées en cascade.
Description
Titulaire(s) : SUPERGRID INSTITUTE Société par actions simplifiée.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : INNOVATION COMPETENCE GROUP.
ù>4/ NOUVEAU CONVERTISSEUR DC/DC DE TYPE CASCADE.
FR 3 053 545 - A1 ©J L'invention concerne une unité élémentaire (UE) de conversion pour un convertisseur de type cascade, unité élémentaire comprenant un transformateur comprenant:
un enroulement primaire dont deux bornes d'entrée sont connectées à deux bornes de sortie d'une cellule de conversion d'entrée (CE), deux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée formant deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire, et un premier enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une première cellule de conversion de sortie (CS1),
L'unité élémentaire de conversion selon l'invention est caractérisée en ce que le transformateur comprend également un deuxième enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une deuxième cellule de conversion de sortie (CS2), une première borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) étant connectée à une deuxième borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1), une première borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1 ) et une deuxième borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) formant respectivement une première et une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de conversion (UE).
L'invention concerne également un convertisseur comprenant p unités élémentaires telles de décrites ci-dessus, associées en cascade.
23. m
i
Nouveau convertisseur DC/DC de type cascadé
Domaine technique et état de l'art
L'invention concerne un nouveau convertisseur DC/DC de type cascadé. Un tel convertisseur est utilisé de manière générale en électronique de puissance pour passer d'un niveau de tension continue à un autre niveau de tension continue avec un très bon rendement de conversion. Ils trouvent une application notamment dans le domaine des réseaux électriques de type smartgrid où l'on cherche à connecter à un même récepteur (tel qu'un réseau de distribution d'énergie électrique ou un consommateur d'énergie électrique) des sources d'énergie (telles que des éoliennes, des piles à combustibles, des panneaux solaires, ...) produisant de l'énergie électrique à des niveaux de tension souvent très différents.
Un tel convertisseur est par exemple décrit dans le document Dl = US5027264. Il comprend une pluralité d'unités élémentaires de conversion associées pour former une structure en cascade (fig. lb). Chaque unité élémentaire de conversion (fig. la) comprend un transformateur comprenant :
• un enroulement primaire dont deux bornes d'entrée sont connectées à deux bornes de sortie d'une cellule de conversion DC/AC d'entrée, deux bornes d'entrée de la cellule de conversion DC/AC d'entrée formant deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire, et • un enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une cellule de conversion AC/DC de sortie.
Les cellules de conversion DC/AC d'entrée et AC/DC de sortie sont constituées chacune d'un pont en H classique ; elles utilisent ainsi des interrupteurs semiconducteurs de puissance (transistors comnamdés) qui fonctionnent en tout ou rien et des diodes de roue libre connectées en parallèle sur les interrupteurs. Le transfert de puissance entre la source et le récepteur est régulé par le déphasage entre les tensions AC générées par chaque cellule de conversion AC/DC. De manière classique, si n est le rapport entre le nombre de spires de l'enroulement secondaire du transformateur et le nombre de spires de l'enroulement primaire du transformateur, alors la tension nominale aux bornes de sortie de la première cellule de conversion AC/DC de sortie est égale à n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion DC/AC d'entrée. Et, pour un convertisseur comprenant p unités élémentaires de conversion associées en cascade selon le schéma de la figure lb, alors la tension nominale aux bornes de sortie du convertisseur est égale à p*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée du convertisseur. Ainsi, l'utilisation d'une structure DC/DC cascadée permet de travailler avec des niveaux de tension élevés en sortie, bien au delà de la tension que peut supporter un unique composant semiconducteur.
On cherche toutefois à aller vers des niveaux de tension toujours plus élevés pour réaliser des réseaux électriques à plus haute tension, ceci afin de réduire les pertes thermiques dans les lignes électriques.
Description de l'rnvention
L'invention propose une nouvelle unité élémentaire de conversion et un nouveau convertisseur utilisant cette unité élémentaire de conversion, nouveau convertisseur qui a, par rapport aux convertisseurs connus tels que celui de Dl, soit des performances techniques améliorées en termes de niveau de tension et puissance, soit un coût et/ou un encombrement réduit pour des performances techniques similaires.
Avec ces objectifs en vue, l'invention propose une nouvelle unité élémentaire (UE) de conversion pour un convertisseur de type DC/DC cascadé, unité élémentaire comprenant un transformateur comprenant :
• un enroulement primaire dont deux bornes d'entrée sont connectées à deux bornes de sortie d'une cellule de conversion d'entrée (CE), deux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée formant deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire, et • un premier enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une première cellule de conversion de sortie (CS1).
L'unité élémentaire selon l'invention est caractérisée en ce que le transformateur comprend également un deuxième enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une deuxième cellule de conversion de sortie (CS2), une première borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) étant connectée à une deuxième borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1), une première borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1) et une deuxième borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) formant respectivement une première et une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de conversion (UE).
Ainsi, selon l'invention, en ajoutant un deuxième enroulement secondaire au transformateur et une deuxième cellule de conversion de sortie connectée en série avec la première cellule de conversion de sortie (la première borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie étant connectée à la deuxième borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie), on obtient entre la première borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie et la deuxième borne de sortie de la deuxième cellule de conversion (formant respectivement une première et une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de conversion) une tension nominale égale à 2*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée, soit une tension nominale deux fois supérieure à la tension nominale de sortie d'une unité de conversion d'un convertisseur DC/DC cascadé classique, n est le rapport entre le nombre de spires d'un enroulement secondaire et le nombre de spires d'un enroulement primaire du transformateur.
Dans une unité élémentaire selon l'invention, le transformateur peut comprendre plus généralement m enroulements secondaires auxquels sont associées m cellules de conversion de sortie (CS1, CS2, ...CSm) ; une cellule de conversion de sortie de rang x comprend deux bornes d'entrée connectées à deux bornes de sortie d'un enroulement secondaire de même rang x ; une première borne de sortie d'une cellule de conversion de sortie (CSx) de rang x est connectée à une deuxième borne de sortie d'une cellule de conversion de sortie (CSx-1) de rang x-1 ; une première borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CS1) de rang 1 forme la première borne de sortie de l'unité élémentaire (UE) ; une deuxième borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CSm) de rang x = m forme la deuxième sortie de l'unité élémentaire (UE) ; x est un nombre entier compris entre 2 et m.
Avec m enroulements secondaires, chaque enroulement étant couplé à une cellule de conversion de sortie, et avec toutes les cellules de conversion de sortie associées en série (la première borne de sortie de la cellule de conversion de sortie de rang x étant connectée à la deuxième borne de sortie de la cellule de conversion de sortie de rang x-1), on obtient, entre la première borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie et la deuxième borne de sortie de la m-ième cellule de conversion de sortie (formant respectivement une première et une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de conversion) une tension nominale au moins égale à m*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée, soit une tension nominale au moins m fois supérieure à la tension nominale de sortie d'une unité de conversion d'un convertisseur DC/DC cascadé classique, comme on le verra mieux plus loin.
Pour réaliser une unité élémentaire de conversion de type DC/DC selon l'invention, on utilisera une cellule de conversion DC/AC en entrée (côté primaire du transformateur) et des cellules de conversion AC/DC en sortie (côté secondaire du transformateur). Une cellule de conversion AC/DC peut être construite sur un même schéma électronique qu'une cellule de conversion DC/AC comme on le verra mieux plus loin dans des exemples, les bornes d'entrée et les bornes de sortie sont simplement inversées.
Une cellule de conversion d'entrée connectée à l'enroulement primaire du transformateur peut comprendre :
• un pont en H simple, • un demi-pont de conversion clampé par le neutre (half-bridge neutral point clamped converter), • un pont complet de conversion clampé par le neutre.
Une cellule de conversion de sortie connectée à un enroulement secondaire du transformateur peut comprendre :
• un pont en H simple, • un demi-pont de conversion clampé par le neutre (half-bridge neutral point clamped converter), • un pont complet de conversion clampé par le neutre.
Selon un mode de réalisation préféré d'une cellule de conversion selon l'invention :
• le transformateur comprend deux enroulements secondaires • un rapport de transformation n est égal à 0,5, n étant un rapport entre un nombre de spires d'un enroulement secondaire et un nombre de spires d'un enroulement primaire • la cellule de conversion d'entrée connectée à l'enroulement primaire du transformateur est un pont complet de conversion clampé par le neutre et • les cellules de conversion de sortie connectées aux enroulements secondaires du transformateur sont des demipont de conversion clampés par le neutre (half-bridge neutral point clamped converter).
L'invention propose également un convertisseur DC/DC cascadé, convertisseur comprenant p unités élémentaires (UE1,... UEp) de conversion telles que décrites ci-dessus.
Selon un mode de réalisation, les entrées des unités élémentaires sont reliées en parallèle et les sorties des unités élémentaires sont reliées en série. Dit autrement : les premières bornes d'entrée des p unités élémentaires sont connectées ensemble et forment une première borne d'entrée du convertisseur ; les deuxièmes bornes d'entrée des p unités élémentaires sont connectées ensemble et forment une deuxième borne d'entrée du convertisseur ; une première borne de sortie de l'unité élémentaire (UEy) de rang y est connectée à une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire (UEy-1) de rang y-1 ; une première borne de sortie de l'unité élémentaire (UE1) de rang 1 forme une première borne de sortie du convertisseur ; une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire (UEp) de rang y = p forme une deuxième borne de sortie du convertisseur ; y est un nombre entier compris entre 2 et p. D'autres modes de réalisation du convertisseur sont décrits plus loin.
En réalisant un convertisseur avec p unités élémentaires de conversion selon l'invention associés en cascade, on obtient un convertisseur ayant, en sortie, une tension nominale au moins égale à p*m*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée du convertisseur, comme on le verra mieux plus loin dans les exemples. Soit, pour un même nombre p d'unités élémentaires de conversion, un même rapport n de transformation du transformateur et une même tension nominale d'entrée, on obtient en sortie une tension nominale au moins m fois supérieure à la tension nominale de sortie d'un convertisseur selon l'art antérieur. Ou, selon un autre point de vue, pour un même rapport de transformation n et une même tension nominale d'entrée, il est possible d'obtenir une tension nominale de sortie au moins égale à la tension nominale de sortie d'un convertisseur selon l'art antérieur en utilisant p fois moins d'unités élémentaires de conversion.
Brève description des figures
L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'exemples d'une unité élémentaire de conversion et d'un convertisseur selon l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels :
• la figure la montre une unité élémentaire de conversion connue, • la figure lb montre un convertisseur connu utilisant des unités de conversion selon la figure la, • les figures 2, 3, 4 montrent trois mode de réalisation d'une unité élémentaire de conversion selon l'invention, et • les figures 5a, 5b, 5c montrent trois modes de réalisation de convertisseurs.
Description de modes de réalisation de l'invention
Comme cela a été décrit en préambule, une unité élémentaire UE de conversion connue (fig la) comprend un transformateur 11 comprenant :
• un enroulement primaire 12 dont deux bornes d'entrée sont connectées à deux bornes de sortie d'une cellule de conversion d'entrée CE • un enroulement secondaire 13 dont deux bornes de sorties sont connectées à deux bornes d'entrée d'une cellule de conversion de sortie CS, • deux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée CE formant les deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire UE de conversion entre lesquelles peut être appliquée une tension d'entrée Vin • deux bornes de sortie de la cellule de conversion CS de sortie formant deux bornes de sortie de l'unité élémentaire UE de conversion entre lesquelles une tension de sortie Vout est disponible.
Dans l'exemple de la figure la, la cellule de conversion d'entrée CE est une cellule de conversion DC/AC comprenant un pont en H classique ; les bornes de sortie du pont en H sont connectées aux bornes d'entrée de l'enroulement primaire; la tension Vin est appliquée sur les bornes d'entrée du pont en H et un condensateur de lissage est connecté entre les bornes d'entrée du pont en H . De manière connue, et tel que représenté sur la figure la, le pont en H comprend quatre branches et chaque branche comprend un interrupteur de puissance fonctionnant en tout ou rien (transistor semiconducteur) et une diode de roue libre connectée en parallèle sur l'interrupteur. La cellule de conversion de sortie CS est une cellule de conversion AC/DC réalisée de manière similaire à la cellule de conversion DC/AC, les bornes d'entrée et les bornes de sortie étant simplement inversées.
Une unité élémentaire de conversion selon l'invention (fig. 2) se distingue en ce qu'elle comprend m cellules de conversion de sortie CS1, CS2, ..., CSm et un transformateur 21 à un enroulement primaire 22 et m enroulements secondaires 23.1, 23.2,..., 23.m, connectés de la manière suivante :
• côté primaire, deux bornes d'entrée de l'enroulement primaire 22 sont connectées à deux bornes de sortie de la cellule de conversion d'entrée CE et deux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée CE forment les deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire UE de conversion entre lesquelles peut être appliquée une tension d'entrée Vin, • côté secondaire du transformateur : une cellule de conversion de sortie CS1 de rang 1 comprend deux bornes d'entrée connectées à deux bornes de sortie de l'enroulement secondaire 23.1 de même rang 1, une cellule de conversion de sortie CSx de rang x comprend deux bornes d'entrée connectées à deux bornes de sortie d'un enroulement secondaire 23.x de même rang x , x est un nombre entier compris entre 2 et m, une première borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CS2) de rang 2 est connectée à une deuxième borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CS1) de rang 1, une première borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CSx) de rang x est connectée à une deuxième borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CSx-1) de rang x-1, une première borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CS1) de rang 1 forme la première borne de sortie de l'unité élémentaire (UE), une deuxième borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CSm) de rang x = m forme la deuxième sortie de l'unité élémentaire (UE). Dit autrement, les m cellules de conversion de sortie CS1 à CSm ont leurs entrées connectées respectivement aux sorties des m enroulements secondaires, et ont leurs sorties connectées en série. La tension de sortie Vout est disponible entre la première borne de sortie de la cellule de sortie de rang 1 et la deuxième borne de sortie de la cellule de sortie de rang m.
La figure 2 détaille un mode de réalisation d'une cellule de conversion d'entrée CE de type DC/AC, identique à la cellule de conversion d'entrée de l'unité élémentaire de conversion de la figure la. Les cellules de conversion de sortie ne sont pas détaillées mais elles sont de type AC/DC et identiques à la cellule de conversion de sortie de l'unité élémentaire de la figure la. Toutes les cellules de conversion DC/AC et AC/DC sont donc ici réalisées par des ponts en H. Dans ce cas, si n est le rapport entre le nombre de spires de l'enroulement primaire du transformateur et le nombre de spires d'un enroulement secondaire d'un transformateur à m enroulements secondaires, alors :
• la tension nominale aux bornes de sortie d'une cellule de conversion AC/DC de sortie est égale à n fois la tension nominale Vin appliquée aux bornes d'entrée de la cellule de conversion DC/AC d'entrée, • la tension nominale aux bornes de sortie de l'unité élémentaire de conversion est égale à m*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée DC/AC d'entrée : Vout = m*n*Vin, et • le courant nominal lin circulant dans les composants semiconducteurs de la cellule de conversion DC/AC d'entrée est égal à m*n fois le courant nominal lout circulant dans les composants semiconducteurs des cellules de conversion AC/DC de sortie : lin = m*n*lout.
La figure 3 présente un autre mode de réalisation d'une unité élémentaire de conversion selon l'invention. Le transformateur comprend ici pour simplifier m = 2 enroulements secondaires. La cellule de conversion DC/AC d'entrée et les cellules de conversion AC/DC de sortie sont constituées ici chacune d'un demi-pont de conversion clampé par le neutre (ou demi-pont de type NPC pour Neutral Point Clamped converter) classique réalisé selon un schéma électronique connu ; comme dans l'exemple précédent, chaque cellule de conversion AC/DC de sortie est connectée à un enroulement secondaire du transformateur et toutes les cellules de conversion AC/DC de sortie sont associées en sortie en cascade série.
A noter que, dans l'exemple de la figure 3, une structure NPC à trois niveaux est représentée. Des structures à 5 niveaux, 7 niveaux ou plus peuvent aussi être utilisées pour réaliser des cellules de conversion AC/DC ou DC/AC multiniveaux.
Dans l'exemple de la figure 3, comme dans l'exemple de la figure 2 :
• la tension nominale aux bornes de sortie d'une cellule de conversion AC/DC de sortie est égale à n fois la tension nominale Vin appliquée aux bornes d'entrée de la cellule de conversion DC/AC d'entrée, • la tension nominale aux bornes de sortie de l'unité élémentaire de conversion est égale à m*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée DC/AC d'entrée : Vout = m*n*Vin, et • le courant nominal circulant dans les composants semiconducteurs de la cellule DC/AC d'entrée est égal à m*n fois le courant nominal circulant dans les composants semiconducteurs des cellules AC/DC de sortie : lin = m*n*lout.
Mais si, pour mettre en œuvre les unités élémentaires des figures 2 et 3, on utilise des composants semiconducteurs (transistors et diodes) ayant les mêmes tensions nominales de blocage, alors il est possible d'appliquer à l'entrée de l'unité élémentaire de la figure 3 une tension Vin deux fois supérieure à celle qu'il est possible d'appliquer à l'entrée de l'unité élémentaire de la figure 2 et la tension Vout obtenue en sortie de l'unité élémentaire de la figure 3 est alors deux fois supérieure à la tension Vout obtenue en sortie de l'unité élémentaire de la figure 2. En d'autres termes, une unité élémentaire de conversion selon la figure 2 supporte en entrée et en sortie une tension nominale deux fois supérieure à la tension nominale supportée en entrée et en sortie par une unité élémentaire de conversion selon la figure 2, si les composants semiconducteurs utilisés dans les deux unités élémentaires ont individuellement les mêmes tensions nominales de blocage.
La figure 4 présente encore un autre mode de réalisation d'une unité élémentaire de conversion selon l'invention. Le transformateur comprend ici également pour simplifier m = 2 enroulements secondaires (mais m peut être choisi plus grand). La cellule de conversion DC/AC d'entrée est constituée cette fois d'un pont complet de conversion clampé par le neutre ou pont complet NPC réalisé selon un schéma électronique connu ; comme dans l'exemple de la figure 3, les cellules de conversion AC/DC de sortie sont constituées chacune d'un demi-pont de conversion de type NPC, chaque cellule de conversion AC/DC de sortie est connectée à un enroulement secondaire du transformateur et toutes les cellules de conversion AC/DC de sortie sont associées en sortie en cascade série.
Dans l'exemple de la figure 4 :
• la tension nominale aux bornes de sortie d'une cellule de conversion AC/DC de sortie est égale à 2*n fois la tension nominale Vin appliquée aux bornes d'entrée de la cellule de conversion DC/AC d'entrée, et • la tension nominale Vout aux bornes de sortie de l'unité élémentaire de conversion est égale à 2*m*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée DC/AC d'entrée : Vout = 2*m*n*Vin, • le courant nominal lin circulant dans les composants semiconducteurs de la cellule DC/AC d'entrée CE est égal à m*n fois le courant nominal circulant dans les composants semiconducteurs des cellules AC/DC de sortie CS1, CS2.
Ainsi, il est possible de transmettre plus de puissance (Vout*lout) avec la cellule de la figure 4 qu'avec la cellule de la figure 3, en choisissant les mêmes valeurs de m et de n, et en choisissant de composants semiconducteurs pour la cellule d'entrée aptes à supporter la tension et le courant nominaux. Ou, il est possible de transmettre la même puissance avec la cellule de la figure 4 qu'avec la cellule de la figure 3, en choisissant des composants semiconducteurs de dimensions plus petites (en terme de courant nominal). Par exemple, en choisissant m = 2 et n = 0,5, il est possible d'utiliser les mêmes composants semiconducteurs (mêmes tensions et courants nominaux) pour réaliser la cellule d'entrée CE et les cellules de sortie CS.
Un convertisseur DC/DC selon l'invention est réalisé de manière similaire à un convertisseur connu en associant en cascade p unités élémentaires UE1, UE2,UEp de conversion.
Un convertisseur selon l'invention se distingue des convertisseurs connus par la réalisation de ses unités élémentaires de conversion. De manière générale, pour un convertisseur selon l'invention à p unités élémentaires de conversion, on obtient les performances suivantes :
• la tension nominale aux bornes de sortie d'une unité élémentaire de conversion selon l'invention est au moins égale à m*n fois la tension nominale aux bornes d'entrée de la cellule de conversion DC/AC d'entrée (notamment m*n fois pour la structure de la figure 3 et 2*m*n pour la structure de la figure 4, comme on le verra plus loin), • le courant nominal circulant dans les composants semiconducteurs de la cellule DC/AC d'entrée d'une unité élémentaire de conversion est égal à m*n fois le courant nominal circulant dans les composants semiconducteurs des cellules AC/DC de sortie,.
Ci-dessous sont comparés un mode de réalisation connu et différents modes de réalisation selon l'invention d'un convertisseur DC/DC produisant une tension de sortie Vs = 40kV à partir d'une tension d'entrée Ve = 4kV.
Réalisation n°l : un convertisseur connu réalisé conformément à la figure 5a et utilisant des unités élémentaires réalisées selon la figure la. Par rapport au convertisseur de la figure lb, les connections des bornes d'entrées des unités élémentaires sont modifiées : les unités élémentaires sont groupées deux à deux en série en entrée et les groupes de deux unités élémentaires ainsi formés ont leurs bornes d'entrée associées en parallèle. La tension Ve = 4kV est appliquée entre la première borne d'entrée de l'unité élémentaire de rang 1 et la deuxième borne d'entrée de l'unité élémentaire de rang 2. Ainsi, chaque unité élémentaire reçoit la tension Vin = Ve/2 sur ses bornes d'entrée. La tension Vs est disponible entre la première borne de sortie de l'unité élémentaire de rang 1 et la deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de rang p. Par rapport au convertisseur de la figure lb, le convertisseur de la figure 5a supporte une tension nominale d'entrée deux fois supérieure à Vin soit Ve = 4 kV au lieu de 2kV. Comme le mode de réalisation précédent, il faut associer p = 20 unités élémentaires UE en cascade pour obtenir une tension nominale Vs = 40 kV en sortie. Soit un total de :
• 20*(8 diodes et 8 transistors), soit 160 diodes et 160 transistors, • 20 transformateurs à un enroulement primaire et un enroulement secondaire.
Réalisation n°2 : un convertisseur selon l'invention réalisé conformément à la figure 5b et utilisant des unités élémentaires réalisées selon la figure 2 avec un transformateur comprenant m = 2 secondaires et un rapport de transformation η = 1 ; chaque cellule de conversion DC/AC ou AC/DC comprend un pont en H soit 8 composants semiconducteurs : 4 diodes et 4 transistors (interrupteurs commandés). Comme dans l'exemple de la figure 5a, les unités élémentaires en amont des transformateurs sont groupées deux à deux en série en entrée et les groupes de deux unités élémentaires ainsi formés ont leurs bornes d'entrée associées en parallèle. Ceci permet d'appliquer comme précédemment une tension Ve = 4kV en entrée de chaque groupe de deux unités élémentaires, chaque unité élémentaire supportant individuellement Vin = 2 kV. Dans cet exemple, on a en sortie du convertisseur Vs = p*m*n*Vin = p*m*n*Ve/2. Dans le cas où m = 2 (transformateur à 2 enroulements secondaires dans les unités élémentaires) et n = 1, alors p = 10 unités élémentaires suffisent pour obtenir une tension Vs = 40kV à partir d'une tension Ve = 4 kV. Soit :
• p = 10 unités élémentaires comprenant chacune 3 cellules de conversion, une cellule de conversion d'entrée et m = 2 cellules de conversion de sortie ; soit 10*3*(4 diodes + 4 transistors ) soit un total de 120 diodes et 120 transistors • 10 transformateurs à un enroulement primaire et deux enroulements secondaires.
Ainsi, par rapport à un convertisseur connu (réalisation n°l), un convertisseur selon l'invention conforme à la réalisation 2 utilise les mêmes cellules de conversion DC/AC ou AC/DC à pont en H mais utilise m fois moins d'unités élémentaires pour fournir la même tension de sortie Vs à partir de la même tension d'entrée Ve. Le nombre de composants semi-conducteurs et le nombre d'enroulements de transformateur sont également moins importants.
Inversement, avec un convertisseur selon l'invention similaire à la réalisation n°2 mais utilisant le même nombre d'unités élémentaires UE que le convertisseur selon la réalisation n°l connu, la tension en sortie du convertisseur selon l'invention est m fois plus importante que la tension en sortie d'un convertisseur connu. On aurait ainsi ici avec p = 20 unités élémentaires une tension de sortie Vs = p*m*n*Ve/2 = 20*2*l*Ve/2, soit une tension Vs de 80 kV pour une tension d'entrée Ve de 4 kV.
Réalisation n°3 : un convertisseur selon l'invention réalisé conformément à la figure 5c et utilisant des unités élémentaires réalisées selon la figure 3 ; chaque cellule de conversion DC/AC ou AC/DC comprend un demi-pont de conversion clampé par le neutre soit 10 composants semiconducteurs : 6 diodes et 4 transistors (interrupteurs commandés). Si les composants semiconducteurs sont dimensionnés pour supporter une tension nominale de 2 kV, alors il est possible d'appliquer une tension Vin de 4kV entre les bornes d'entrée d'une unité élémentaire UE, donc une tension Ve = Vin = 4kV entre les bornes d'entrée du convertisseur. Dans cet exemple, on a en sortie du convertisseur Vs = p*m*n*Ve. Dans le cas où m = 2 (transformateur à 2 enroulements secondaires dans les unités élémentaires) et n = 1, alors p = 5 unités élémentaires suffisent pour obtenir une tension Vs = 40kV à partir d'une tension Ve = 4 kV. Soit :
• p = 5 unités élémentaires comprenant chacune une cellule de conversion d'entrée et m = 2 cellules de conversion de sortie soit 5*3*(6 diodes + 4 transistors ) soit un total de 90 diodes et 60 transistors • 5 transformateurs à un enroulement primaire et deux enroulements secondaires.
Ainsi, par rapport à un convertisseur selon l'invention utilisant des cellules DC/AC ou AC/DC à pont en H (réalisation n°2), un convertisseur selon l'invention utilisant des cellules DC/AC ou AC/DC comprenant un demi-pont de ίο conversion clampé par le neutre (réalisation n°3) comprend un nombre moins important de composants semiconducteurs.
De plus, il est possible de diminuer encore le nombre d'unités élémentaires de conversion et le nombre de composants semiconducteurs en augmentant le nombre m d'enroulements secondaires des transformateurs utilisés pour réaliser les cellules de conversion DC/AC ou AC/DC.
Réalisation n°4 : un convertisseur selon l'invention réalisé conformément à la figure 5c et utilisant des unités élémentaires réalisées selon la figure 4 ; chaque cellule de conversion AC/DC de sortie comprend un demi-pont de conversion clampé par le neutre soit 10 composants semiconducteurs : 6 diodes et 4 transistors (interrupteurs commandés) ; chaque cellule de conversion DC/AC d'entrée comprend un pont complet de conversion clampé par le neutre soit 10 diodes et 8 transistors. Si les composants semiconducteurs sont dimensionnés pour supporter une tension nominale de 2 kV, alors il est possible d'appliquer une tension Vin de 4kV entre les bornes d'entrée d'une unité élémentaire UE, donc une tension Ve = Vin = 4kV entre les bornes d'entrée du convertisseur. Dans cet exemple, on a en sortie du convertisseur Vs = 2*p*m*n*Ve. Dans le cas où m = 2 (transformateur à 2 enroulements secondaires dans les unités élémentaires), alors n = 0,5 et p = 5 unités élémentaires suffisent pour obtenir une tension Vs = 40kV à partir d'une tension Ve = 4 kV. Soit :
• p = 5 unités élémentaires comprenant chacune une cellule de conversion d'entrée et m = 2 cellules de conversion de sortie soit 5*l*(10 diodes + 4 transistors) + 5*2*(6 diodes + 4 transistors) soit un total de 110 diodes et 60 transistors • 5 transformateurs à un enroulement primaire et deux enroulements secondaires.
Par rapport à la réalisation n°3, un peu plus de composants semiconducteurs sont utilisés ici mais, parce que n=0,5, la tension nominale et le courant nominal sont les mêmes pour tous les composants, qu'ils soient positionnés en amont du primaire ou en aval d'un secondaire d'un transformateur.
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Unité élémentaire (UE) de conversion pour un convertisseur de type cascadé, unité élémentaire comprenant un transformateur comprenant :• un enroulement primaire dont deux bornes d'entrée sont connectées à deux bornes de sortie d'une cellule de conversion d'entrée (CE), deux bornes d'entrée de la cellule de conversion d'entrée formant deux bornes d'entrée de l'unité élémentaire, et • un premier enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une première cellule de conversion de sortie (CS1), unité élémentaire caractérisée en ce que le transformateur comprend également un deuxième enroulement secondaire dont deux bornes de sortie sont connectées à deux bornes d'entrée d'une deuxième cellule de conversion de sortie (CS2), une première borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) étant connectée à une deuxième borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1), une première borne de sortie de la première cellule de conversion de sortie (CS1) et une deuxième borne de sortie de la deuxième cellule de conversion de sortie (CS2) formant respectivement une première et une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire de conversion (UE).
- 2. Unité élémentaire selon la revendication 1 dans laquelle le transformateur comprend m enroulements secondaires, unité élémentaire comprenant m cellules de conversion de sortie (CS1, CS2, ...CSm), une cellule de conversion de sortie de rang x comprenant deux bornes d'entrée connectées à deux bornes de sortie d'un enroulement secondaire de même rang x, une première borne de sortie d'une cellule de conversion de sortie (CSx) de rang x étant connectée à une deuxième borne de sortie d'une cellule de conversion de sortie (CSx-1) de rang x-1, une première borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CS1) de rang 1 formant la première borne de sortie de l'unité élémentaire (UE), une deuxième borne de sortie de la cellule de conversion de sortie (CSm) de rang x = m formant la deuxième sortie de l'unité élémentaire (UE), x étant un nombre entier compris entre 2 et m.
- 3. Unité élémentaire selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la cellule de conversion d'entrée connectée à l'enroulement primaire du transformateur est :• un pont en H simple, • un demi-pont de conversion clampé par le neutre (half-bridge neutral point clamped converter), • un pont complet de conversion clampé par le neutre.
- 4. Unité élémentaire selon l'une des revendications précédentes dans laquelle une cellule de conversion de sortie connectée à un enroulement secondaire du transformateur est :• un pont en H simple, • un demi-pont de conversion clampé par le neutre (half-bridge neutral point clamped converter), • un pont complet de conversion clampé par le neutre.
- 5. Unité élémentaire selon l'une des revendications précédentes dans laquelle :• le transformateur comprend deux enroulements secondaires • un rapport de transformation n est égal à 0,5, n étant un rapport entre un nombre de spires d'un enroulement secondaire et un nombre de spires d'un enroulement primaire • la cellule de conversion d'entrée connectée à l'enroulement primaire du transformateur est un pont complet de5 conversion clampé par le neutre et • les cellules de conversion de sortie connectées aux enroulements secondaires du transformateur sont des demipont de conversion clampés par le neutre (half-bridge neutral point clamped converter).
- 6. Convertisseur modulaire cascadé, convertisseur comprenant p unités élémentaires (UE1, ... UEp) de conversion selon l'une des revendications 1 à 5.
- 10 7. Convertisseur selon la revendication 6, les premières bornes d'entrée des p unités élémentaires étant connectées ensemble et formant une première borne d'entrée du convertisseur, les deuxièmes bornes d'entrée des p unités élémentaires étant connectées ensemble et formant une deuxième borne d'entrée du convertisseur, une première borne de sortie de l'unité élémentaire (UEy) de rang y étant connectée à une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire (UEy-1) de rang y-1, une première borne de sortie de l'unité élémentaire (UE1) de rang 1 formant une
- 15 première borne de sortie du convertisseur, une deuxième borne de sortie de l'unité élémentaire (UEp) de rang y = p formant une deuxième borne de sortie du convertisseur, y étant un nombre entier compris entre 2 et p.1/7UE csT \ _
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1656268A FR3053545A1 (fr) | 2016-06-30 | 2016-06-30 | Nouveau convertisseur dc/dc de type cascade |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1656268A FR3053545A1 (fr) | 2016-06-30 | 2016-06-30 | Nouveau convertisseur dc/dc de type cascade |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3053545A1 true FR3053545A1 (fr) | 2018-01-05 |
Family
ID=57121302
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1656268A Pending FR3053545A1 (fr) | 2016-06-30 | 2016-06-30 | Nouveau convertisseur dc/dc de type cascade |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3053545A1 (fr) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010017079A (ja) * | 2006-06-19 | 2010-01-21 | Toshiba Corp | 電力変換装置 |
| US20140003095A1 (en) * | 2011-03-01 | 2014-01-02 | Rheinisch-Westfalisch-Technische Hochschule Aachen | Bidirectional dc-dc converter |
-
2016
- 2016-06-30 FR FR1656268A patent/FR3053545A1/fr active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010017079A (ja) * | 2006-06-19 | 2010-01-21 | Toshiba Corp | 電力変換装置 |
| US20140003095A1 (en) * | 2011-03-01 | 2014-01-02 | Rheinisch-Westfalisch-Technische Hochschule Aachen | Bidirectional dc-dc converter |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| COUGO B ET AL: "Reconfigurable dual active bridge converter for aircraft applications", ELECTRICAL SYSTEMS FOR AIRCRAFT, RAILWAY AND SHIP PROPULSION (ESARS), 2012, IEEE, 16 October 2012 (2012-10-16), pages 1 - 6, XP032282785, ISBN: 978-1-4673-1370-4, DOI: 10.1109/ESARS.2012.6387454 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2937985B1 (fr) | Convertisseur de puissance multi-niveaux | |
| CA2078796C (fr) | Dispositif electronique de conversion d'energie electrique | |
| EP2945272B1 (fr) | Convertisseur de puissance multi-niveaux | |
| US7705490B2 (en) | Integral stack columns | |
| FR3001592A1 (fr) | Convertisseur de puissance multi-niveaux | |
| Serbia | Modular multilevel converters for HVDC power stations | |
| US20130314957A1 (en) | High voltage high power multi-level drive structure | |
| TW413745B (en) | Neutral point connected apparatus providing compensation to an AC power line | |
| EP1974450A1 (fr) | Autotransformateur a dephasage de 20° | |
| EP2219287A1 (fr) | Onduleur de tension à 3N-4 niveaux | |
| Karadi | Synthesis of switched-capacitor power converters: An iterative algorithm | |
| EP1931019B1 (fr) | Convertisseur DC DC elevateur de tension | |
| FR3023083A1 (fr) | Convertisseur de tension comprenant un circuit convertisseur dc/dc isole | |
| EP3207629B1 (fr) | Convertisseur dc/dc isole | |
| FR3053545A1 (fr) | Nouveau convertisseur dc/dc de type cascade | |
| FR3060906A1 (fr) | Convertisseur continu-alternatif | |
| FR3059855B1 (fr) | Convertisseur dc/dc pour reseaux electriques | |
| Diaz | Modular multilevel converter control for hvdc operation: Optimal shaping of the circulating current signal for internal energy regulation | |
| FR3069697A1 (fr) | Autotransformateur elevateur de tension, et convertisseur alternatif continu comprenant un tel autotransformateur | |
| EP2683069A1 (fr) | Système de conversion de puissance électrique modulaire à partir d'un pont asymétrique monophasé à deux interrupteurs et deux diodes de roue libre avec diodes d'isolation | |
| WO2021259624A1 (fr) | Convertisseur de tension dc/dc comprenant un module superieur et un module inferieur | |
| WO2022002573A1 (fr) | Convertisseur de tension ac/dc triphase comprenant uniquement deux modules de conversion electrique | |
| FR3089361A1 (fr) | Convertisseur à bras alterné source de courant, système de conversion de puissance et procédé de contrôle d’un tel convertisseur | |
| EP1974451A2 (fr) | Dispositif de redressement d'une tension alternative triphasee | |
| Murshid et al. | Extendable Multisource Multilevel Inverter for Marine Electric Power System |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20180105 |