FR3097701A1 - Circuit électrique pour charge d’une source de tension continue - Google Patents
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Abstract
Circuit électrique (1) pour la charge d’une source de tension continue depuis un réseau de tension alternatif, le circuit comprenant : - une entrée (3) apte à recevoir une tension alternative du réseau de tension, - une première sortie (4) apte à être connectée à la source de tension continue, - un transformateur capacitif formé à l’aide de plusieurs condensateurs (30, 31, 32, 33), disposé de manière à isoler électriquement l’entrée (3) de la première sortie (4) du circuit, et - un étage d’élévation de fréquence (6) disposé entre l’entrée du circuit et le transformateur capacitif de manière à ce que les condensateurs du transformateur capacitif soient dans une partie du circuit parcourue par un courant alternatif à une fréquence supérieure à celle du réseau alternatif. Figure pour l’abrégé : Figure 1
Description
La présente invention concerne un circuit électrique pour la charge d’une source de tension continue à l’aide d’un réseau alternatif. L’invention s’applique notamment, mais non exclusivement, pour charger une source de tension continue servant à l’alimentation électrique d’un moteur de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride.
Pour des raisons diverses telles que la sûreté, ou le non-référencement entre deux sources de tension, il peut être souhaitable de disposer d’une isolation électrique entre le réseau électrique alternatif et la source de tension continue chargée par ce réseau électrique. Dans ce but, il est connu d’utiliser un transformateur magnétique. Un tel transformateur présente l’inconvénient de devoir utiliser un noyau magnétique. L’emploi d’un tel noyau magnétique génère de l’encombrement, un alourdissement, un coût important et peut s’avérer difficile à intégrer au circuit électrique.
Il existe un besoin pour remédier aux inconvénients liés à l’emploi d’un transformateur magnétique.
L’invention a pour but de remédier à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, à l’aide d’un circuit électrique pour la charge d’une source de tension continue depuis un réseau de tension alternatif, le circuit comprenant :
- une entrée apte à recevoir une tension alternative du réseau de tension,
- une première sortie apte à être connectée à la source de tension continue,
- un transformateur capacitif formé à l’aide de plusieurs condensateurs, disposé de manière à isoler électriquement l’entrée de la première sortie du circuit, et
- un étage d’élévation de fréquence disposé entre l’entrée du circuit et le transformateur capacitif de manière à ce que les condensateurs du transformateur capacitif soient dans une partie du circuit parcourue par un courant alternatif à une fréquence supérieure à celle du réseau alternatif,
l’étage d’élévation de fréquence comprenant une première branche comprenant deux interrupteurs électroniques commandables disposés en série, de manière à réaliser une première cellule de commutation bidirectionnelle en courant et en tension, et
- une deuxième branche comprenant deux interrupteurs électroniques commandables
disposés en série, de manière à réaliser une deuxième cellule de commutation
bidirectionnelle en courant et en tension,
la première et la deuxième branche de l’étage d’élévation de fréquence ayant une borne
commune formant une sortie de l’étage d’élévation de fréquence et une entrée du
transformateur capacitif.
L’invention permet d’utiliser un transformateur capacitif dont les condensateurs sont disposés dans une partie du circuit parcourue par un courant alternatif à fréquence plus élevée que celle du réseau électrique, de sorte que ces condensateurs peuvent avoir une taille plus réduite et/ou un coût plus faible. La ou les inductances résonantes associées à ces condensateurs peuvent également être de taille réduite et/ou de coût plus faible. Par ailleurs, l’étage d’élévation de fréquence étant différent de l’association d’un redresseur et d’un onduleur monté à la suite du redresseur, l’invention permet de réaliser un étage d’élévation de fréquence de façon plus simple que par l’intermédiaire de l’association précitée d’un redresseur et d’un onduleur, réduisant ainsi le coût de cet étage d’élévation de fréquence et améliorant par ailleurs son rendement.
L’entrée du circuit peut être reliée à un connecteur, monophasé ou polyphasé, permettant le branchement au réseau alternatif, ce dernier étant par exemple un réseau électrique industriel géré par un opérateur. Ce réseau alternatif peut fournir une tension supérieure à 100V. Il peut s’agir d’un réseau monophasé ou polyphasé, par exemple triphasé.
La première source de tension continue a par exemple une tension de valeur égale à 48V, ou une tension de valeur supérieure à 300V.
Dans le cas où le transformateur capacitif est disposé dans une partie monophasée du circuit, l’étage d’élévation de fréquence peut être constitué par la première branche et la deuxième branche précitées.
Le transformateur capacitif peut être disposé dans une partie monophasée du circuit électrique, le transformateur capacitif comprenant alors un premier et un deuxième condensateur, le premier condensateur étant disposé sur la phase et le deuxième condensateur étant disposé sur le neutre.
En variante, le transformateur capacitif peut être disposé dans une partie polyphasée du circuit, notamment une partie triphasée du circuit, le transformateur capacitif comprenant alors une pluralité de condensateurs de telle sorte que chaque condensateur soit respectivement disposé sur une phase ou sur le neutre. Le transformateur capacitif peut alors comprendre un nombre de condensateurs égal au nombre de phases de cette partie parcourue par du courant alternatif incrémenté de 1.
Lorsque le transformateur capacitif est disposé dans une partie triphasée du circuit, l’étage d’élévation de fréquence peut être réalisé selon un montage en triangle ou en étoile.
Dans le cas d’un montage en triangle, chaque côté du triangle peut définir deux branches de l’étage d’élévation de fréquence, chacune de ces branches comprenant deux interrupteurs électroniques commandables disposés en série, de manière à ce que chacune de ces branches réalise une cellule de commutation, et ces deux branches d’un même côté du triangle présentent une borne commune formant une sortie de l’étage d’élévation de fréquence et une entrée du transformateur capacitif.
Dans le cas d’un montage en étoile, chaque bras de l’étoile peut définir deux branches de l’étage d’élévation de fréquence, chacune de ces branches comprenant deux interrupteurs électroniques commandables disposés en série, de manière à réaliser une cellule de commutation et ces deux branches d’un même bras de l’étoile présentent une borne commune formant une sortie de l’étage d’élévation de fréquence et une entrée du transformateur capacitif.
Les deux interrupteurs électroniques commandables d’une même branche de l’étage d’élévation de fréquence peuvent être deux transistors à effet de champ de champ de dopage opposé ou de même dopage, ou deux transistors bipolaires de dopage opposé ou de même dopage. Dans le cas de transistors à effet de champ, l’un de ces transistors peut être un MOSFET canal N tandis que l’autre transistor de cette branche est un MOSFET canal P. Toujours dans le cas de transistors à effet de champ, les deux transistors formant une cellule de commutation peuvent être montés en source commune ou en drain commun. Dans le cas de transistors bipolaires, l’un de ces transistors est par exemple un NPN tandis que l’autre transistor est un PNP. Toujours dans le cas de transistors bipolaires, les deux transistors bipolaires formant une cellule de commutation peuvent être montés en émetteur commun ou en collecteur commun.
Lorsque l’on retrouve au sein de chaque branche de l’étage d’élévation de fréquence deux transistors ayant l’un par rapport à l’autre un dopage opposé, le transistor de la première branche et le transistor de la deuxième branche ayant tous deux le même dopage peuvent avoir le même positionnement dans leur bras respectif relativement à la borne commune. Chacun de ces deux transistors de même dopage est par exemple, au sein de son bras respectif, le transistor monté de manière directement adjacente à cette borne commune. En variante, ces deux transistors de même dopage peuvent avoir des positionnements dans leur bras respectif différents relativement à cette borne commune. L’un de ces transistors est par exemple le transistor du premier bras directement adjacent à la borne commune tandis que l’autre de ces transistors est le transistor du deuxième bras qui n’est pas directement adjacent à cette borne commune, le transistor du deuxième bras directement adjacent à la borne commune ayant un dopage différent.
L’invention n’est pas limitée au choix de transistors bipolaires ou de transistors à effet de champ pour réaliser des cellules de commutation bidirectionnelles en courant et en tension. En variante, l’étage élévateur de fréquence peut utiliser des IGBT.
Lorsque l’invention utilise des transistors MOSFET, ces derniers peuvent être réalisés en nitrure de gallium (GaN) ou en carbure de silicium (SiC) ou en silicium.
Selon un premier exemple de mise en œuvre de l’invention, une inductance peut être montée en série avec un condensateur du transformateur capacitif, notamment entre la borne formant une entrée du transformateur capacitif et ce condensateur de ce transformateur capacitif. Cette inductance peut former une inductance résonante.
Selon un deuxième exemple de mise en œuvre de l’invention, la première branche de l’étage d’élévation de fréquence comprend une première inductance et la deuxième branche de l’étage d’élévation de fréquence comprend une deuxième inductance, la première et la deuxième inductance étant couplées magnétiquement. De telles inductances couplées magnétiquement appartenant respectivement à chaque branche peuvent permettre de réduire les perturbations CEM.
Dans tout ce qui précède, le circuit peut comprendre un redresseur monté entre le transformateur capacitif et la première sortie. Ce redresseur peut être un redresseur double alternance, ou un autre type de redresseur tel qu’un doubleur de tension.
Dans tout ce qui précède, chaque branche de l’étage élévateur de fréquence peut être telle que tout le courant traversant un des interrupteurs électroniques commandables de cette branche traverse également l’autre interrupteur électronique commandable de cette branche. Autrement dit, aucun nœud pour le courant n’est alors disposé entre ces deux interrupteurs électroniques commandables.
Dans tout ce qui précède, le circuit peut encore comprendre un étage de régulation de courant disposé entre le redresseur et la première sortie. Cet étage de régulation met par exemple en œuvre la fonction de correction du facteur de puissance (« Power Factor Corrector » en anglais), ce qui permet de diminuer le courant réactif envoyé dans le réseau électrique. Cet étage de régulation peut être formé par un hacheur série ou un hacheur parallèle ou encore un convertisseur abaisseur/élévateur (« buck/boost converter » en anglais) selon la valeur de tension nominale du réseau électrique et la valeur de tension nominale de l’unité de stockage d’énergie électrique formant la première source de tension continue.
Dans tout ce qui précède, l’étage élévateur de fréquence peut être configuré pour amener une fréquence de 50 Hz à une valeur de fréquence comprise entre 200Hz et 100MHz.
L’invention n’est pas limitée à un circuit permettant de charger une unique source de tension continue depuis le réseau alternatif. En combinaison de tout ce qui précède, le circuit peut également permettre la charge d’une deuxième source de tension continue, le circuit comprenant : une deuxième sortie connectée à la deuxième source de tension continue, et un autre transformateur capacitif formé à l’aide de plusieurs condensateurs, disposé de manière à isoler électriquement l’entrée de la deuxième sortie du circuit.
Cet autre transformateur capacitif peut être monté fonctionnellement en parallèle de celui précédemment décrit. Aucun condensateur appartenant à cet autre transformateur capacitif n’appartient par exemple également au transformateur capacitif précédemment décrit pour l’isolation électrique de l’entrée et de la première sortie. Lorsque plusieurs sources de tension continues sont chargées par le circuit, l’étage d’élévation de fréquence peut être unique, et donc commun à ces différentes sources de tension.
Lorsque le réseau alternatif permet de charger deux sources de tension continue distinctes, ces deux sources de tension continue peuvent ou non avoir la même valeur de tension, par exemple 48V ou une valeur supérieure à 300V. En variante, ces deux sources de tension continue peuvent présenter des valeurs de tension différentes.
Dans tout ce qui précède, les différents interrupteurs du circuit peuvent être choisis de manière à ce que ce circuit soit réversible en termes de flux de puissance.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un ensemble comprenant :
- le circuit tel que défini ci-dessus, et
- la source de tension continue connectée à la première sortie du circuit, cette dernière ayant notamment une valeur nominale de 48V.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel :
On a représenté sur la Figure 1 un circuit électrique 1 selon un premier exemple de mise en œuvre de l’invention. Ce circuit 1 permet ici la charge d’une première source de tension continue depuis un réseau alternatif. Le réseau alternatif est par exemple un réseau électrique industriel géré par un opérateur et qui fournit une tension monophasée dans le cas de la Figure 1. Cependant, l’invention n’est pas limitée à un réseau monophasé, comme on le verra par la suite. La fréquence de la tension du réseau est par exemple égale à 50Hz ou 60Hz. Dans l’exemple considéré, le réseau électrique est relié à une entrée 3 du circuit électrique 1 par l’intermédiaire d’un connecteur non représenté.
Selon ce premier exemple, le circuit 1 comprend un étage d’élévation de fréquence 6, qui sera décrit ci-après, et dont une borne de sortie forme une borne d’entrée pour un transformateur capacitif qui est ici formé par deux condensateurs 30 et 31, le condensateur 30 étant disposé sur la phase et le condensateur 31 étant disposé sur le neutre du signal électrique véhiculé par le circuit. On constate qu’une inductance 12 est montée en série avec le condensateur 30 qui est disposé sur la phase.
En aval du transformateur capacitif pour le courant positif circulant depuis l’entrée 3 du circuit électrique 1 est monté un redresseur 7 qui est ici un pont de Graetz réalisant un redressement double alternance. Ce redresseur 7 comprend des interrupteurs électroniques commandables qui sont ici des transistors MOSFET.
On constate encore sur la Figure 1 qu’un étage de régulation 8 est présent, monté en aval du redresseur 7 pour le courant positif circulant depuis l’entrée 3 du circuit électrique 1.
Dans l’exemple de la figure 1, l’étage de régulation met en œuvre un hacheur série qui abaisse la tension redressée par le redresseur 7 en une tension fournie à la première source de tension continue via une première sortie 4 du circuit 1. Toujours dans l’exemple décrit, les interrupteurs électroniques de cet étage de régulation 8 sont commandés de manière à ce que cet étage de régulation 8 assure une fonction de correction du facteur de puissance (« PFC » en anglais).
La source de tension continue est ici une unité de stockage d’énergie de valeur nominale de 48V et elle permet d’alimenter électriquement un moteur électrique de propulsion de véhicule hybride ou électrique.
On va maintenant décrire plus en détail l’étage d’élévation de fréquence 6 qui permet que le transformateur capacitif voit un signal électrique dont la fréquence est supérieure à celle du réseau, cette fréquence étant par exemple comprise entre 200Hz et 100MHz. Cet étage d’élévation de fréquence est constitué dans l’exemple de la figure 1 par:
- une première branche 10 comprenant deux interrupteurs électroniques commandables 10a et 10b
disposés en série, de manière à réaliser une première cellule de commutation bidirectionnelle en courant et en tension, et
- une deuxième branche 11 comprenant deux interrupteurs électroniques commandables 11a et 11b
disposés en série, de manière à réaliser une deuxième cellule de commutation bidirectionnelle en courant et en tension.
On constate que cet étage d’élévation de fréquence 6 a dans l’exemple considéré deux bornes d’entrée 13 et 14 en parallèle desquelles un condensateur de découplage est monté. Chacune de ces bornes 13 et 14 est respectivement connectée, directement ou non, à une borne de l’entrée 3 du circuit.
Cet étage d’élévation de fréquence 5 comprend dans l’exemple de la figure 1 deux bornes de sortie. L’une de ces bornes 15 est commune aux deux branches 10 et 11 et elle est connectée au condensateur 30 du transformateur capacitif disposé sur la phase du signal tandis l’autre borne de sortie est connectée au condensateur 31 du transformateur capacitif disposé sur le neutre du signal électrique.
Dans l’exemple considéré, chaque branche 10 et 11 ne contient pas d’autre composant que les deux interrupteurs mentionnés ci-dessus. Par ailleurs, dans ce premier exemple de mise en œuvre, tout courant électrique parcourant l’un des interrupteurs d’une des branches parcourt aussi l’autre interrupteur de cette branche, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de nœud de courant entre ces deux interrupteurs.
Dans l’exemple considéré, chacun de ces interrupteurs est un transistor MOSFET. Plus précisément, le transistor 10a est un transistor MOSFET canal N et le transistor 10b est un transistor MOSFET canal N, ces deux transistors étant montés en source commune. Le transistor 11a est un transistor MOSFET canal N et que le transistor 11b est un transistor MOSFET canal N, ces deux transistors étant également montés en source commune.
Chaque transistor MOSFET est par exemple réalisé en nitrure de gallium (GaN) ou en carbure de silicium (SiC) ou en silicium.
Lors de chaque alternance positive de la tension appliquée sur l’entrée 3, on commande par exemple les transistors 10a et 11a de manière à ce qu’ils présentent un rapport cyclique de 50% tandis que les transistors 10b et 11b sont maintenus à l’état passant, et lors de chaque alternance négative de la tension appliquée sur l’entrée 3, on commande les transistors 10b et 11b de manière à ce qu’ils présentent un rapport cyclique de 50% tandis que les transistors 10a et 11a sont maintenus à l’état passant.
Dans le cas où on effectue un redressement synchrone dans le redresseur 7, on peut obtenir en sortie de ce redresseur 7 une tension dont la valeur est égale à la moitié du module de la tension alternative appliquée sur l’entrée 3.
On va maintenant décrire en référence à la figure 2 un circuit 1 selon un deuxième exemple de mise en œuvre. Selon ce deuxième exemple de mise en œuvre, l’inductance 12 de la Figure 1 qui est en série avec le condensateur 30 du transformateur capacitif est remplacée par une première inductance 10c disposée dans la première branche 10 et par une deuxième inductance 11c disposée dans la deuxième branche 11. Ces inductances 10c et 11c sont ici couplées magnétiquement et elles sont toutes deux directement adjacentes à la borne commune de sortie 15 de l’étage d’élévation de fréquence 6. Ainsi, dans le deuxième exemple de mise en œuvre, la première branche 10 est constituée par la mise en série des deux interrupteurs 10a et 10b ainsi que par la première inductance 10c en série avec ces interrupteurs. La deuxième branche 11 est constituée par les deux interrupteurs 11a et 11b ainsi que par la deuxième inductance 11c. Similairement à ce qui a été décrit en référence au premier exemple de mise en œuvre, on constate encore dans ce deuxième exemple de mise en œuvre que tout courant électrique parcourant l’un des interrupteurs d’une des branches parcourt aussi l’autre interrupteur de cette branche, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de nœud de courant entre ces deux interrupteurs.
Les figures 3 et 4 représentent des variantes du premier exemple de mise en œuvre et du deuxième exemple de mise en œuvre respectivement.
Le circuit de la figure 3 diffère de celui de la figure 1 en ce que le redresseur 7 n’est plus un redresseur pleine alternance mais un doubleur de tension.
Similairement, le circuit de la figure 4 diffère de celui de la figure 2 en ce que le redresseur 7 est un doubleur de tension, et non plus un redresseur pleine alternance.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.
Dans des variantes non décrites, le réseau alternatif est polyphasé, notamment triphasé.
Dans d’autres variantes, le transformateur capacitif peut être disposé dans une partie polyphasée, par exemple triphasée, du circuit 1, y compris lorsque le réseau alternatif est monophasé. Ainsi, la Figure 5 représente le cas où l’étage d’élévation de fréquence 6 est réalisé selon un montage en triangle. Chaque côté du triangle définit ici deux branches de l’étage d’élévation de fréquence 6, chacune de ces branches comprenant deux interrupteurs électroniques commandables disposés en série et non représentés individuellement sur cette figure, de manière à ce que chaque branche réalise une cellule de commutation. On constate que deux branches d’un même côté du triangle présentent une borne commune formant une sortie de l’étage d’élévation de fréquence et une entrée du transformateur capacitif.
La Figure 6 représente le cas où l’étage d’élévation de fréquence 6 est réalisé selon un montage en étoile. Chaque bras de l’étoile définit ici deux branches de l’étage d’élévation de fréquence 6, chacune de ces branches comprenant deux interrupteurs électroniques commandables disposés en série, de manière à réaliser une cellule de commutation. Ces deux branches d’un même bras de l’étoile présentent une borne commune formant une sortie de l’étage d’élévation de fréquence et une entrée du transformateur capacitif.
Dans l’exemple des figures 5 et 6, on peut utiliser à la place d’inductances respectivement en série avec un condensateur du transformateur capacitif des inductances couplées magnétiquement, similairement à ce qui a été décrit en référence à la figure 2.
Dans des variantes non décrites, une deuxième source de tension continue est chargée depuis le réseau alternatif. Dans ce cas, l’étage d’élévation de fréquence 6 peut être commun à la première source de tension continue et à la deuxième source de tension continue.
L’invention peut encore être utilisée dans d’autres applications. On peut par exemple utiliser un transformateur capacitif tel que décrit précédemment pour réaliser une isolation d’un signal de communication entre deux équipements reliés par un réseau, par exemple un réseau de données CAN, SPI RS485, RS232…
Claims (10)
- Circuit électrique (1) pour la charge d’une source de tension continue depuis un réseau de tension alternatif, le circuit comprenant :
- une entrée (3) apte à recevoir une tension alternative du réseau de tension,
- une première sortie (4) apte à être connectée à la source de tension continue,
- un transformateur capacitif formé à l’aide de plusieurs condensateurs (30, 31),
disposé de manière à isoler électriquement l’entrée (3) de la première sortie (4) du circuit,
et
- un étage d’élévation de fréquence (6) disposé entre l’entrée (3) du circuit et le
transformateur capacitif de manière à ce que les condensateurs du transformateur capacitif
soient dans une partie du circuit parcourue par un courant alternatif à une fréquence
supérieure à celle du réseau alternatif,
l’étage d’élévation de fréquence (6) comprenant :
- une première branche (10) comprenant deux interrupteurs électroniques commandables
(10a, 10b) disposés en série, de manière à réaliser une première cellule de commutation
bidirectionnelle en courant et en tension, et
- une deuxième branche (11) comprenant deux interrupteurs électroniques commandables
(11a, 11b) disposés en série, de manière à réaliser une deuxième cellule de commutation
bidirectionnelle en courant et en tension,
la première (10) et la deuxième (11) branche de l’étage d’élévation de fréquence (6) ayant
une borne commune (15) formant une sortie de l’étage d’élévation de fréquence et une
entrée du transformateur capacitif. - Circuit selon la revendication 1, le transformateur capacitif étant disposé dans une partie monophasée du circuit (1), ou dans une partie polyphasée, notamment triphasée, du circuit (1).
- Circuit selon la revendication 1 ou 2, une inductance (12) étant montée en série avec un condensateur du transformateur capacitif.
- Circuit selon la revendication 1 ou 2, la première branche (10) de l’étage d’élévation de fréquence (6) comprenant une première inductance (10c) et la deuxième branche (11) de l’étage d’élévation de fréquence (6) comprenant une deuxième inductance (11c), la première et la deuxième inductance étant couplées magnétiquement.
- Circuit selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un redresseur (7) monté entre le transformateur capacitif et la première sortie.
- Circuit selon la revendication 5, le redresseur (7) étant un redresseur double alternance ou un doubleur de tension.
- Circuit selon l’une quelconque des revendications précédentes, chaque branche (10, 11) de l’étage d’élévation de fréquence (6) étant telle que tout le courant traversant une des cellules de commutation de cette branche traverse également l’autre cellule de commutation de cette branche.
- Circuit selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant encore un étage de régulation (8) de courant disposé entre le redresseur (7) et la première sortie (4).
- Circuit selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’étage d’élévation de fréquence (6) étant configuré pour amener une fréquence de 50 Hz à une valeur de fréquence comprise entre 200Hz et 100MHz
- Ensemble comprenant :
- le circuit selon l’une quelconque des revendications précédentes, et
- la source de tension continue connectée à la première sortie du circuit, cette dernière
ayant notamment une valeur nominale de 48V.
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