Titre de l’invention : Convertisseur de puissance présentant un module de découplage

DOMAINE TECHNIQUE

[0001 ] La présente invention concerne le domaine des équipements électriques, notamment pour véhicule automobile électrique ou hybride. En particulier, la présente invention propose un convertisseur de puissance présentant un module de découplage.

ETAT DE LA TECHNIQUE

[0002] Comme cela est connu, un véhicule automobile électrique ou hybride comprend un système de motorisation électrique alimenté par une batterie d’alimentation haute tension via un réseau électrique embarqué haute tension et une pluralité d’équipements électriques auxiliaires alimentés par une batterie d’alimentation basse tension (notamment ayant une tension à ses bornes inférieure à 100 V) via un réseau électrique embarqué basse tension. La batterie d’alimentation haute tension assure une fonction d’alimentation en énergie du système de motorisation électrique permettant la propulsion du véhicule. Plus précisément, afin de commander la machine électrique entraînant les roues du véhicule, il est connu d’utiliser un onduleur permettant de convertir la tension continue fournie par la batterie d’alimentation haute tension en une ou plusieurs tensions de commande alternatives, par exemple sinusoïdales.

[0003] De manière connue, l’onduleur comprend des composants électroniques de puissance, par lesquels passe l’énergie alimentant la machine électrique, et une unité électronique de contrôle, permettant de contrôler lesdits composants électroniques de puissance. Ces composants électroniques de puissance comportent notamment des éléments de commutation qui sont commandés en ouverture et en fermeture par des signaux générés par l’unité électronique de contrôle.

[0004] En référence à la figure 1 , dans le cas d’une machine électrique triphasée 2, un onduleur conventionnel 4 génère, à partir de la tension délivrée par la batterie haute tension 3, trois courants de commande des trois phases de la machine électrique 2, déphasés deux à deux, par exemple de 120°. A cette fin, l’onduleur conventionnel 4 comprend trois bras 41 comportant chacun une branche haute et une branche basse, respectivement désignées de manière courante en langue anglaise « high side » et « low side ». La branche haute est connectée entre la borne positive de la batterie haute tension 3 et un point milieu du bras, et comprend un élément de commutation haut Q1 . La branche basse est connectée entre le point milieu du bras et la borne négative de la batterie haute tension 3 et comprend un élément de commutation bas Q2.

La borne négative de la batterie haute tension 3 correspond à une masse GND du circuit.

[0005] Par ailleurs, il est connu de réaliser l’unité électronique de contrôle comprenant un dispositif de commande de grille GD alimenté en électricité par une unité d’alimentation électrique 42 pour chacun des éléments de commutation hauts Q1 et bas Q2, comme illustré sur la figure 1. Autrement dit, une unité d’alimentation électrique indépendante est associée à chacun des éléments de commutation. Or, une telle configuration influe sur l’encombrement et les coûts de l’onduleur.

[0006] L’unité d’alimentation électrique 42, tout comme les alimentations PSU-L et PSU_H décrites ultérieurement, sont par exemple des alimentations à découpage avec une isolation galvanique qui sont représentées sur les figures de façon abstraite par un transformateur dont le secondaire est associé à une diode. De façon plus détaillée, dans une telle alimentation, le secondaire du transformateur est relié à une association en série d’une diode et d’une capacité, l’anode de la diode étant connectée électriquement à une des bornes du secondaire et la tension délivrée par l’alimentation à découpage étant délivrée aux bornes du condensateur.

[0007] En outre, dans le cas particulier d’une alimentation dite en anglais « flyback », le primaire du transformateur est relié à une association en série d’un interrupteur alternativement fermé et ouvert (le plus souvent un transistor) et d’une source de tension continue (par exemple une batterie), l’une des bornes de l’interrupteur étant reliée à la borne de potentiel bas de la source de tension tandis que l’autre borne est reliée au primaire du transformateur.

[0008] Ainsi, il existe un besoin d’un convertisseur de puissance, en particulier un onduleur, présentant une compacité améliorée.

PRESENTATION DE L’INVENTION

[0009] Plus précisément, l’invention a pour objet un convertisseur de puissance, notamment adapté pour être intégré à un véhicule automobile électrique ou hybride, le convertisseur de puissance comprenant :

- une pluralité de bras configurés pour être connectés d’une part à une source de tension et d’autre part à une charge, chacun de la pluralité de bras présentant un élément de commutation haut et un élément de commutation bas, les éléments de commutation bas étant connectés à une masse commune ;

- des dispositifs de commande configurés pour délivrer des signaux d’ouverture/ fermeture aux éléments de commutation bas ; ledit convertisseur de puissance étant caractérisé en ce qu’il comprend une alimentation électrique commune pour les dispositifs de commande des éléments de commutation bas et un module de découplage, les dispositifs de commande étant connectés à l’alimentation électrique commune par l’intermédiaire du module de découplage.

[0010] Notamment, la charge désigne un dispositif électrique alimenté par la source électrique par l’intermédiaire des bras.

[0011] Selon un mode de réalisation, le module de découplage comprend des dispositifs de découplage associés chacun à un dispositif de commande respectif.

[0012] En d’autres termes, les dispositifs de découplage sont distincts les uns des autres et n’ont pas de composants en commun.

[0013] Selon un mode de réalisation, le module de découplage comprend au moins deux dispositifs distincts de découplage associés chacun à un dispositif de commande différent.

[0014] Selon un mode de réalisation, chacun des dispositifs de découplage comprend une self de mode commun connectée entre l’alimentation électrique commune et le dispositif de commande d’un élément de commutation bas correspondant.

[0015] Selon un mode de réalisation, la pluralité de bras consiste en trois bras.

[0016] Selon un mode de réalisation, le convertisseur de puissance est un onduleur ou un convertisseur continu-continu ou un chargeur électrique.

[0017] Selon un mode de réalisation, le convertisseur de puissance comprend un module électronique de puissance dans lequel les bras sont intégrés, ledit module électronique de puissance comprenant une borne électrique externe destinée à être connectée à ladite masse commune et des liaisons électriques, internes au module électronique de puissance, entre ladite borne électrique externe et des bornes respectives desdits élément de commutation bas.

[0018] Notamment les bras, en particulier, les interrupteurs sont encapsulés dans un boitier commun qui réalise l’intégration mécanique des interrupteurs. Les interrupteurs forment en particulier un circuit intégré encapsulé dans un seul boitier.

[0019] Selon un mode de réalisation, les liaisons électriques présentent des inductances parasites différentes entre elles.

[0020] Selon un mode de réalisation, lesdits dispositifs de commande sont à l’extérieur dudit module électronique de puissance, le module électronique de puissance comprenant de deuxièmes bornes électriques externes destinées à être connectées aux dits dispositifs de commande.

[0021] Selon un mode de réalisation, le module de découplage et les dispositifs de commande sont montés sur une carte électronique qui est extérieure audit module électronique de puissance.

PRESENTATION DES FIGURES

[0022] L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et se référant aux dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquels des références identiques sont données à des objets semblables et sur lesquels :

[0023] [Fig. 1] : la figure 1 est une représentation schématique d’un convertisseur de puissance conventionnel ;

[0024] [Fig. 2] : la figure 2 est une représentation schématique d’un convertisseur de puissance selon un exemple de l’invention ;

[0025] [Fig. 3] : la figure 3 est une représentation schématique partielle d’un convertisseur de puissance selon un exemple de l’invention.

[0026] [Fig. 4] : la figure 4 est une représentation schématique partielle d’un convertisseur de puissance selon un exemple de l’invention comprenant un module électronique de puissance.

[0027] Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour permettre de mettre en oeuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

[0028] L’invention concerne un convertisseur de puissance, notamment configuré pour être intégré à un véhicule automobile électrique ou hybride sans que cette application ne soit limitative de la présente invention. L’invention sera décrite ci-après dans le contexte d’un onduleur mais peut s’appliquer à tout convertisseur de puissance, en particulier un convertisseur continu-continu ou encore un chargeur électrique, notamment un chargeur électrique embarqué, également désigné OBC (pour « On-Board Charger » en anglais). [0029] En référence à la figure 2, le convertisseur de puissance 1 selon l’invention comprend une pluralité de bras 11 configurés pour être connectés d’une part à une source de tension 3 et d’autre part à une charge 2. Dans le contexte de l’onduleur, la source de tension 3 correspond notamment à la batterie d’alimentation haute tension et la charge 2 à une machine électrique entraînant les roues du véhicule. De plus, dans le cas d’une machine électrique triphasée, la pluralité de bras 11 comprend de préférence trois bras.

[0030] Chacun de la pluralité de bras présente avantageusement une structure de demi-pont en H, le demi-pont en H étant un circuit permettant de contrôler la polarité aux bornes de la charge

2, la charge 2 étant par exemple une machine électrique. Comme cela est connu, un demi-pont en H comprend une branche haute et une branche basse. Une branche haute d’un demi-pont en H relie une borne de la charge 2 à une borne haute du pont en H, via un élément de commutation haut Q1 ; la borne haute du pont en H étant connectée à une borne haute de la source de tension

3. Réciproquement, une branche basse d’un demi-pont en H relie une borne de la charge 2 à une borne basse du pont en H, via un élément de commutation bas Q2 ; la borne basse du pont en H étant connectée à une borne basse de la source de tension 3 qui forme notamment une masse GND. Le pont en H est notamment alimenté par une tension entre la masse GND et la borne haute du pont en H délivrée par la source de tension 3 pour alimenter la charge 2en sortie.

[0031] Ainsi, chacun de la pluralité de bras 1 1 présente un élément de commutation haut Q1 et un élément de commutation bas Q2, les éléments de commutation bas Q2 étant connectés à la masse GND.

[0032] En outre, il est connu de réaliser une unité électronique de contrôle afin de contrôler les éléments de commutation hauts Q1 et bas Q2, les éléments de commutation étant typiquement commandés par un générateur de largeur d’impulsion. L’unité électronique de contrôle comprend notamment des dispositifs de commande de grille GD associés chacun à un élément de commutation haut Q1 ou bas Q2 comme illustré par exemple sur la figure 2. Chaque dispositif de commande de grille GD fournit une tension de grille permettant de commander en ouverture ou en fermeture un élément de commutation.

[0033] De plus, comme illustré notamment sur les figures 2 et 3, le convertisseur de puissance 1 selon un exemple de l’invention comprend une alimentation électrique commune PSU_L pour les dispositifs de commande de grille GD associés aux éléments de commutation bas Q2. Le convertisseur de puissance 1 comprend en outre un module de découplage 12, les éléments de commutation bas Q2 étant connectés à l’alimentation électrique commune PSU_L par l’intermédiaire du module de découplage 12. Autrement dit, la source d’alimentation en énergie électrique est unique pour les dispositifs de commande GD du « low side », autrement dit pour l’ensemble des éléments de commutation bas Q2. Ainsi, l’alimentation électrique commune PSU_L alimente notamment les dispositifs de commande de grille GD associés aux éléments de commutation bas Q2. Le module de découplage 12 permet avantageusement de découpler entre eux les émetteurs des éléments de commutation bas Q2.

[0034] L’utilisation d’une unité d’alimentation électrique commune PSU_L pour les éléments de commutation bas Q2 permet avantageusement de réduire la quantité totale d’unités d’alimentation électrique et ainsi d’améliorer la compacité du convertisseur de puissance par rapport à un convertisseur de puissance conventionnel présentant une unité d’alimentation électrique indépendante par élément de commutation.

[0035] Or, le convertisseur de tension peut présenter des inductances parasites Lp entre les émetteurs des éléments de commutation bas Q2 et la masse GND, comme représenté par exemple sur la figure 3. En particulier, pour des applications haute tension, ces inductances parasites peuvent induire des oscillations voire une surtension dans la tension appliquée par le dispositif de commande GD entre une électrode de grille et une électrode d’émetteur de l’élément de commutation Q2, en particulier lors de l’ouverture ou de la fermeture de l’élément de commutation Q2. Ces oscillations et/ou surtension peuvent provoquer en retour un court-circuit au niveau des éléments de commutation. Le module de découplage permet avantageusement de limiter ce risque et de permettre l’utilisation d’une unité d’alimentation électrique commune pour les éléments de commutation bas tout en garantissant un contrôle de la tension de grille et des éléments de commutation.

[0036] Chacun des éléments de commutation hauts Q1 est préférablement alimenté par une unité d’alimentation électrique indépendante PSU_H comme représenté par exemple sur la figure 2.

[0037] Les unités d’alimentation électrique PSU_H des éléments de commutation hauts Q1 , et l’unité d’alimentation électrique commune PSU_L des éléments de commutation bas Q2 peuvent, de manière préférée, présenter la plage de tension (16V, -8V). De préférence les unités d’alimentation électrique PSU_H, PSU_L ont une puissance de l’ordre de 1W.

[0038] En référence aux figures 2 et 3, le module de découplage 12 comprend de manière préférée un dispositif de découplage associé à chacun des éléments de commutation bas Q2. Le dispositif de découplage est alors arrangé en entrée du dispositif de commande de grille GD correspondant, notamment entre le dispositif de commande de grille GD et l’unité d’alimentation électrique commune PSU_L. Alternativement, seuls certains des dispositifs de commande GD sont reliés à l’alimentation électrique commune PSU_L via un dispositif de découplage, les autres dispositifs de commande GD étant directement reliés à l’alimentation électrique commune PSU_L. Ceci permet de faire un compromis entre d’une part l’atténuation des effets des inductances parasites Lp et d’autre part un coût ou un encombrement supplémentaire potentiellement induits par le module de découplage 12.

[0039] Chacun des dispositifs de découplage peut préférablement comprendre une self de mode commun CMD, de préférence une self de forme toroïdale, connectée entre l’alimentation électrique commune PSU_L et le dispositif de commande de grille GD correspondant, comme illustré sur les figures 2 et 3. La self de mode commun est en particulier dimensionnée de sorte à supporter une éventuelle surtension instantanée dans le domaine transitoire des éléments de commutation. Notamment, la self de mode commun CMD comprend deux inductances couplées, telles qu’une première inductance est connectée entre une première borne de sortie de l’alimentation électrique commune PSU_L et une première borne d’entrée du dispositif de commande GD, et une deuxième inductance est connectée entre une deuxième borne de sortie de l’alimentation électrique commune PSU_L et une deuxième borne d’entrée du dispositif de commande GD.

[0040] Le convertisseur de puissance 1 peut présenter des inductances parasites Lp entre les émetteurs des éléments de commutation bas Q2 et la masse GND lorsqu’il comprend en particulier un module électronique de puissance 100, comme illustré par exemple en figure 4. En figure 4, les bras 11 du convertisseur de puissance 1 sont intégrés dans le module de puissance 100. Autrement dit, les bras 11 , en particulier les éléments de commutation haut Q1 et bas Q2, sont encapsulés dans un boitier commun 1 10 qui réalise l’intégration mécanique des éléments de commutation Q1 , Q2. Les éléments de commutation haut Q1 et bas Q2 forment donc un circuit intégré encapsulé dans un seul boitier 1 10. Le module électronique de puissance 100 comprend alors une borne électrique externe qui se connecte à la masse commune GND et des liaisons électriques, internes au module électronique de puissance 100, entre cette borne électrique externe et les émetteurs des éléments de commutation bas Q2. Or les routages implémentant les liaisons électriques peuvent ne pas être identiques et ainsi induire des inductances parasites, par exemple de l’ordre de 20nH. L’utilisation du module de découplage 12 (non représenté en figure 4) est alors particulièrement avantageux.

[0041] En particulier, les dispositifs de commande GD sont alors à l’extérieur du module électronique de puissance 100 et sont connectés à des deuxièmes bornes électriques externes du module électronique de puissance 100. En figure 4 seul un dispositif de commande GD est représenté. Notamment, le module de couplage 12 et les dispositifs de commande GD sont montés sur une carte électronique 150 qui est extérieure au module électronique de puissance 100.

[0042] Par ailleurs, les éléments de commutation peuvent être en particulier des Mosfets ou des IGBTs.

[0043] En résumé, la présente invention concerne un convertisseur de puissance à plusieurs bras, présentant une alimentation électrique commune pour les éléments de commutation bas et un module de découplage. En conséquence, la présente invention permet le gain substantiel d’améliorer la compacité du convertisseur de puissance et ainsi de réduire les coûts tout en garantissant un bon fonctionnement des éléments de commutation, en particulier pour des applications haute tension.