TENSION

Description

La présente invention concerne un convertisseur de tension et un procédé de conversion de tension.

La thèse intitulée « Investigation of Multiphase Coupled-Inductor Buck Converters in Point-of-Load Applications » de Yan Dong, datée du 24 juillet 2009, et déposée auprès de la « Faculty of the Virginia Polytechnic Institute » et de la « State University » décrit, sur la figure 1.26 (b) :

- un système de bobines couplées comportant au moins trois bobines présentent chacune deux bornes, et un noyau magnétique de couplage des bobines, et

- un système de commutation destiné, pour chaque bobine, à alternativement provoquer un stockage d'énergie dans la bobine par la réception par une borne de la bobine d'un courant en provenance de la borne d'entrée, et une restitution, à la borne de sortie, d'énergie stockée.

Plus précisément, dans cette publication, le noyau magnétique comporte deux plaques parallèles reliées entre elles par des entretoises transversales autour desquelles les bobines sont enroulées.

Le système de bobines couplées décrit dans la thèse précédente présente comme inconvénient de nécessiter des épaisseurs de plaques importantes, car les flux magnétiques générés par les bobines s'additionnent dans ces plaques. Ainsi, un convertisseur de tension utilisant ce système de bobines couplées présenterait un encombrement important.

Afin de résoudre au moins en partie cet inconvénient, il est proposé un convertisseur de tension, comportant :

- une borne d'entrée destinée à être connectée à une source électrique pour présenter une tension d'entrée,

- une borne de sortie destinée à être connectée à un condensateur de sortie pour présenter une tension de sortie,

- un système de bobines couplées comportant : + au moins trois bobines présentent chacune deux bornes,

+ un noyau magnétique de couplage des bobines,

- un système de commutation destiné, pour chaque bobine, à alternativement provoquer un stockage d'énergie dans la bobine par la réception par une borne de la bobine d'un courant en provenance de la borne d'entrée, et une restitution, à la borne de sortie, d'énergie stockée,

caractérisé en ce que le noyau magnétique comporte au moins une boucle fermée de guidage de flux magnétique, autour de laquelle les bobines sont successivement enroulées, les bobines (118J étant telles que les courants en provenance de la borne d'entrée parcourent les bobines dans des sens de rotation autour de la boucle fermée alternant d'une bobine à la suivante.

En particulier, on entend par boucle fermée une boucle de flux magnétique, à savoir une ligne de flux magnétique qui se reboucle sans passer deux fois par un même bras du circuit magnétique. Notamment, par analogie avec le domaine électrique, une boucle fermée correspond à une maille fermée d'un circuit électrique. On comprend que la boucle fermée passe par toutes les bobines.

De préférence, les bobines sont coaxiales.

Avantageusement, le noyau comporte une pluralité d'éléments de noyau magnétique pourvus chacun d'un bras sur lequel est bobiné l'une des bobines, ces éléments étant empilés de sorte que ces bras soient sur une même droite.

De façon optionnelle, les sens d'enroulement alternent d'une bobine à la suivante.

De façon optionnelle également, les sens d'enroulement sont tous les mêmes.

De façon optionnelle également, chaque boucle fermée comporte : - une barre centrale autour de laquelle les bobines sont enroulées ; - une barre latérale contournant les bobines ; et - des barres d'extrémité contournant également les bobines et reliant respectivement les extrémités de la barre centrale aux extrémités de la barre latérale.

On entend par barre centrale un élément central pouvant comporter un ou plusieurs entrefers.

De façon optionnelle également, la barre centrale est commune à toutes les boucles fermées. De façon optionnelle également, le noyau magnétique comporte en outre, pour chaque boucle fermée, des barres transversales reliant la barre centrale à la barre latérale et séparant les bobines les unes des autres.

De façon optionnelle également, chaque boucle fermée présente une réluctance au moins dix fois plus grande que la réluctance des barres transversales.

De façon optionnelle également, la barre centrale est munie d'au moins un entrefer.

De façon optionnelle également, les barres transversales présentent une section plus faible que la section de la barre centrale.

De façon optionnelle également, le convertisseur de tension est destiné à fournir une tension de sortie plus élevée que la tension d'entrée.

De façon optionnelle également, le convertisseur de tension comporte un nombre pair de bobines, et, les bobines étant rangées dans leur succession le long de chaque boucle fermée depuis une première bobine jusqu'à une dernière bobine, le système de commutation est destiné à faire s'alterner une première phase dans laquelle les bobines de rang impair stockent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair fournissent de l'énergie, et une seconde phase dans laquelle les bobines de rang impair restituent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair stockent de l'énergie.

Il est également proposé un procédé de conversion de tension, comportant :

- l'obtention d'un convertisseur de tension, comportant :

+ une borne d'entrée destinée à être connectée à une source électrique pour présenter une tension d'entrée ;

+ une borne de sortie destinée à être connectée à un condensateur de sortie pour présenter une tension de sortie ;

+ un système de bobines couplées comportant :

* au moins trois bobines, et

* un noyau magnétique de couplage des bobines, comportant au moins une boucle fermée de guidage de flux magnétique autour de laquelle les bobines sont successivement enroulées,

- l'alternance, pour chaque bobine :

+ d'un stockage d'énergie par la réception par une borne de la bobine d'un courant en provenance de la borne d'entrée, et

+ d'une restitution, à la borne de sortie, d'énergie stockée, les courants en provenance de la borne d'entrée parcourant les bobines dans des sens de rotation autour de la boucle fermée alternant d'une bobine à la suivante.

Un exemple de réalisation de l'invention va à présent être décrit en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :

- la figure 1 est une vue simplifiée de dessus d'un convertisseur de tension mettant en œuvre l'invention ;

- la figure 2 est une vue simplifiée de dessus d'un noyau magnétique du convertisseur de tension de la figure 1 ;

- la figure 3 est une vue de dessus d'un élément servant à former le noyau magnétique de la figure 2 ; et

- la figure 4 est un schéma-blocs illustrant les étapes d'un procédé de conversion de tension mis en œuvre par le convertisseur de tension de la figure 1 ;

- la figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 2, illustrant des flux magnétiques dans le noyau magnétique ; et

- la figure 6 est un ensemble de deux graphes illustrant l'évolution du courant parcourant des bobines du convertisseur de tension de la figure 1.

En référence à la figure 1, un convertisseur de tension 100 mettant en œuvre l'invention va à présent être décrit. Dans l'exemple décrit, le convertisseur de tension 100 est un élévateur de tension (appelé en anglais « boost converter », ou bien « step-up converter »), destiné à recevoir une tension continue d'entrée V _in et à fournir une tension continue de sortie V _out plus grande que la tension continue d'entrée V _in .

Le convertisseur de tension 100 comporte tout d'abord un système 102 de bobines couplées.

Le système 102 comporte tout d'abord un noyau magnétique 104. Dans l'exemple décrit, le noyau magnétique 104 est en matériau ferromagnétique.

Le noyau magnétique 104 comporte tout d'abord une barre centrale 108. Dans le cadre la présente invention, le terme « barre » regroupe tous les éléments globalement allongés, par exemple une tige ou même une plaque. Dans l'exemple décrit, la barre centrale 108 est rectiligne et de section rectangulaire.

Le noyau magnétique 104 comporte en outre des première et seconde barres latérales 110, 112, situées sur deux côtés de la barre centrale 108. Dans l'exemple décrit, les première et seconde barres latérales 110, 112 sont rectilignes et de section également rectangulaire, et s'étendent parallèlement à la barre centrale 108.

Le noyau magnétique 104 comporte en outre des première et seconde barres d'extrémité 114, 116. La première barre d'extrémité 114 relie une extrémité de la barre centrale 108 avec les extrémités des barres latérales 110, 112 situées du même côté, tandis que la seconde barre d'extrémité 116 relie l'autre extrémité de la barre centrale 108 avec les autres extrémités des barres latérales 110, 112, situées de l'autre côté. Dans l'exemple décrit, les première et seconde barres d'extrémité 114, 116 rectilignes et de section également rectangulaire, et s'étendent perpendiculairement à la barre centrale 108.

Le noyau magnétique 104 comporte en outre N-l (N étant supérieur ou égal à trois, et de préférence pair - dans l'exemple décrit, N est égal à quatre) paires de barres transversales 120 _m , 122 _m (m variant de 1 à N-l). Les barres transversales 120 _m , 122 _m de chaque paire relient ensemble la barre centrale 108 avec respectivement la première barre latérale 110 et la seconde barre latérale 112. Dans l'exemple décrit, les barres transversales 120 _m , 122 _m sont rectilignes et de section rectangulaire, qui s'étendent perpendiculairement à la barre centrale 108.

Le système 102 comporte en outre N bobines 118 _n (N étant supérieur ou égal à trois, et n variant de 1 à N) successivement enroulées autour de la barre centrale 108 et contournées par les première et seconde barres d'extrémité 114, 116 et les première et seconde barres latérales 110, 112. Comme cela en connu en soi, chaque bobine 118 _n présente deux bornes définies par le sens d'enroulement de la bobine : une borne de départ d'enroulement et une borne de fin d'enroulement. Dans l'exemple décrit, les sens d'enroulement des bobines 118 _n alternent d'une bobine à la suivante dans leur succession.

Ainsi, la barre centrale 108, les première et seconde barres d'extrémité 114, 116 et les première et seconde barres latérales 110, 112 définissent deux boucles fermées traversant toutes les bobines 118 _n et destinées à guider du flux magnétique. Une boucle fermée est un chemin défini par le noyau magnétique 104 qui revient à son point de départ sans passer deux fois dans un même tronçon du noyau magnétique 104.

En outre, les barres transversales 120 _m , 122 _m sont intercalées entre les bobines 118 _n , de sorte que chaque bobine 118 _n est séparée de la suivante le long de la barre centrale 108 par une paire de barres transversales 120 _m , 122 _m . Ainsi, les barres transversales 120 _m , 122 _m définissent des chemins de fuite de flux magnétique entre les bobines 118 _n .

Le convertisseur de tension 100 comporte en outre une borne de masse 124 connectée à une masse électrique 126 et une borne d'entrée 128 destinée à présenter une tension d'entrée V _in par rapport à la masse électrique 126.

Le convertisseur de tension 100 comporte en outre une source électrique 130 connectée aux bornes 124, 128 pour appliquer la tension d'entrée V _in à la borne d'entrée 128 par rapport à la borne de masse 124. Dans l'exemple décrit, la source électrique 130 est une source de tension continue.

La borne d'entrée 128 est en outre reliée à une première borne de chaque bobine 118 _n . Dans l'exemple décrit, la borne d'entrée 128 est reliée aux bornes de départ d'enroulement des bobines 118 _n .

Ainsi, grâce au sens d'enroulement alternés des bobines, les courants en provenance de la borne d'entrée 128 parcourent les bobines 118 _n dans des sens de rotation autour de la barre centrale 108 alternant d'une bobine à la suivante suivant leur succession. Cette alternance est représentée sur la figure 1 par des flèches de directions opposées sur les bobines 118 _n .

Le convertisseur de tension 100 comporte en outre un condensateur de sortie 132 présentant une première borne 134 connectée à la masse électrique 126 et une seconde borne 136, appelée borne de sortie, destinée à présenter la tension de sortie V _out par rapport à la première borne 134.

Le convertisseur de tension 100 comporte en outre un système de commutation 138 destiné, pour chaque bobine 8 _n , à alternativement provoquer, d'une part, un stockage d'énergie dans la bobine 118 _n par la réception par la borne de la bobine 118 _n connectée à la borne d'entrée 128 d'un courant en provenance de la borne d'entrée 128, et, d'autre part, une fourniture d'énergie stockée dans la bobine 118 _n par la fourniture d'un courant vers la borne de sortie 136.

Dans l'exemple décrit, le système de commutation 138 comporte tout d'abord, pour chaque bobine 8 _n , un premier interrupteur commandé 140 _n reliant la borne de la bobine 118 _n non connectée à la borne d'entrée 128, à la borne de sortie 136. Le système de commutation 138 comporte en outre, pour chaque bobine 8 _n , un second interrupteur commandé 142 _n reliant la borne de la bobine 118 _n non connectée à la borne d'entrée 128, à la masse électrique 126.

Le système de commutation 138 comporte en outre un dispositif 144 de commande des interrupteurs 140 _n , 142 _n . Le dispositif de commande 144 est destiné, pour chaque bobine 8 _n , à alternativement ouvrir le premier interrupteur commandé 140 _n et fermer le second 142 _n , puis ouvrir le second interrupteur commandé 142 _n et fermer le premier 140 _n . Dans la première configuration, la bobine 118 _n fournit de l'énergie au condensateur de sortie 132, et dans la seconde configuration, la bobine 118 _n stocke de l'énergie depuis la source de tension 144.

En référence à la figure 2, les boucles fermées sont représentées par des pointillés et portent respectivement les références 202 et 204.

Par ailleurs, chaque barre transversale 120 _m , 122 _m présente une valeur de réluctance r entre la barre centrale 108 et respectivement les première et seconde barres latérales 110, 112. En outre, dans l'exemple décrit, les deux boucles fermées 202, 204 présentent une même valeur de réluctance R. De préférence, la valeur de réluctance R est au moins dix fois plus élevée que la valeur de réluctance r. Dans l'exemple décrit, ceci est tout d'abord obtenu en prévoyant une section des barres transversales 120 _m , 22 _m inférieure à la section de la barre centrale 108, des barres d'extrémité 114, 116 et des barres latérales 110, 112. En outre, la barre centrale 108 est pourvue d'entrefers 206, c'est-à-dire de coupures de matières d'une taille de préférence inférieure à un centimètre.

Comme les barres transversales 120 _m , 122 _m présentent une réluctance r plus petite que les autres éléments du noyau magnétique 104, ces barres transversales 120 _m , 122 _m saturent magnétiquement pour des valeurs plus faibles de flux magnétique que les boucles fermées 202, 204.

En référence à la figure 3, un élément 300 du noyau magnétique 104 va à présent être décrit. Bien évidemment, dans d'autres modes de réalisations, d'autres formes d'élément pourraient être utilisées.

L'élément 300 est en forme de E et comporte une base 302 et trois bras 304, 306, 308 parallèles s'étendant depuis la base 302. Le bras central 306 peut être un peu plus court que les deux autres l'entourant. Plusieurs éléments comme l'élément 300 sont empilés pour former le noyau magnétique 104 : la base 302 de chaque élément forme soit la barre d'extrémité 116, soit un tronçon de la barre centrale 108 et une paire de barres transversales, le bras central 306 forme un tronçon de la barre centrale 108, et les autres bras 304, 308 forment des tronçons des barres latérales 110, 112. Les bras 304, 308 sont destinés à venir au contact soit de la base 302 de l'élément 300 suivant de l'empilement, soit de la barre d'extrémité 114. Lorsque le bras central 306 est plus court que les deux autres, un entrefer est formé dans l'empilement entre le bras central 306 et soit la base 302 de l'élément suivant, soit la barre d'extrémité 114.

En référence à la figure 4, un procédé 400 de conversion de tension mettant en œuvre l'invention va à présent être décrit.

Au cours d'une étape 402, le dispositif de commande 144 commande les interrupteurs 140 _n , 142 _n dans la configuration de stockage d'énergie (interrupteurs 140 _n ouverts, interrupteurs 142 _n fermés).

Au cours d'une étape 404, toutes les bobines 118 _n reçoivent donc du courant depuis la source électrique 130 de manière croissante, et un flux magnétique correspondant apparaît dans le noyau magnétique 104. Plus précisément, chaque bobine 118 _n crée, dans chaque tronçon du noyau magnétique 104, un flux magnétique. Ainsi, dans l'exemple décrit, chaque tronçon du noyau magnétique 104 est parcouru par quatre flux magnétique, un pour chaque bobine 118 _n .

Or, grâce à l'alternance, d'une bobine à la suivante, des sens des courants parcourant les bobines 118 _n (qui résulte des sens d'enroulement des bobines 118 _n , choisis judicieusement en fonction des bornes des bobines 118 _n connectées à la borne d'entrée 128), les flux magnétiques sont alternativement dans un sens de rotation et dans l'autre. Ainsi, dans la barre centrale 108, les barres latérales 110, 112 et les barres d'extrémité 116, 114, les flux magnétiques se compensent au moins en partie (voir par exemple la zone Z de la barre latérale 112 sur la figure 5), de sorte que le champ résultant reste faible.

Le flux magnétique généré par chacune des bobines peut se repartir dans diverses boucles magnétiques et traverser un nombre variable des autres bobines.

Ainsi, le système 102 présente une inductance apparente faible. Comme la résultante de flux magnétique reste faible, il est possible d'utiliser une section faible pour les barres 108, 110, 112, 114, 116, ce qui permet de réduire l'encombrement du système 102.

En revanche, le phénomène de compensation est moins marqué dans les barres transversales 120 _m , 122 _m car, à ces endroits, les flux magnétiques générés par les deux bobines 118 _n les plus proches, c'est-à-dire les deux bobines 118 _n entourant chaque paire de barres transversales 120 _m , 122 _m sont de même sens et donc s'additionnent.

Ainsi, au cours d'une étape 406, les barres transversales 120 _m , 122 _m saturent magnétiquement de sorte que leur réluctance devient très élevée. Comme ces barres transversales sont entourées par les autres parties du noyau magnétique 104 qui ne saturent pas, les rayonnements vers l'extérieur du système 102, induits par ces saturations, restent modérés.

Au cours d'une étape 408, le dispositif de commande 144 bascule les interrupteurs 140 _n , 142 _n d'une configuration à l'autre, de sorte que chaque bobine 118 _n stocke de l'énergie, puis la restitue.

Alternativement, comme cela est représenté sur la figure 6, les basculements sont opposés d'une bobine à la suivante (déphasage de π entre chaque bobine), de sorte que lorsqu'une bobine est dans une configuration, la bobine suivante est dans l'autre configuration.

Ainsi, les bobines 118 _n étant rangées dans leur succession le long de chaque boucle fermée 202, 204 depuis une première bobine 118 ₁ jusqu'à une dernière bobine 8 ₄ , dans une première phase, les bobines de rang impair 118 _l5 118 ₃ stockent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair 118 ₂ , 118 ₄ fournissent de l'énergie, et, dans une seconde phase, les bobines de rang impair 118 _l5 118 ₃ restituent de l'énergie, tandis les bobines de rang pair 118 ₂ , 118 ₄ stockent de l'énergie.

Toujours en référence à la figure 6, le courant I(n) parcourant chaque bobine 118 _n présente donc une composante Im continue (composante dite « de mode commun »), qui est en théorie la même pour toutes les bobines, et une composante oscillante i(n) variant autour de zéro. Il sera noté que la figure 6 n'est pas complètement fidèle à la réalité puisque chaque courant oscillant i(n) devrait présenter plusieurs pentes, en fonction de l'état des autres bobines (en stockage d'énergie ou en restitution d'énergie).

À un instant donné, les signes des composantes oscillantes i(n) sont de signes alternés : une sur deux est positive (c'est-à-dire que le courant I(n) est plus grand que sa composante de mode commun Im) et une sur deux est négative (c'est-à-dire que le courant I(n) est plus petit que sa composante de mode commun Im). Cette alternance compense, au moins un partie, l'alternance des sens de rotations des courants dans les bobines 118 _n , de sorte que les flux magnétiques ne sont plus alternés comme à l'étape 402. Ainsi, les flux magnétiques s'additionnent le long des boucles fermées 202, 204 du noyau magnétique 104. Le flux magnétique résultant est donc élevé, ce qui entraîne une inductance apparente élevée pour les composantes oscillantes i(n). Ainsi, malgré la réduction de l'encombrement du système 102 indiqué plus haut, le système 102 reste performant.

L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit précédemment, mais définie par les revendications qui suivent.

Par exemple, si les courants en provenance de la borne d'entée sont reçus alternativement, d'une bobine à la suivante, par la borne de début d'enroulement et par la borne de fin d'enroulement des bobines, ces dernières seraient alors enroulées selon des sens d'enroulement identiques autour de la ou des boucle fermées.

Par exemple également, le noyau ferromagnétique pourrait ne comporter qu'une seul barre latérale, et non deux, et définir ainsi une seule boucle fermée.

Par exemple également, les barreaux transversaux pourraient être omis.

En outre, le déphasage entre des bobines successives pourrait être d'une autre valeur que π. Le déphasage peut avoir une valeur adaptée à la conception du convertisseur pour permettre une inductance apparente, en particulier non négligeable, et/ ou minimiser les pertes.

En particulier, la réduction d'encombrement du convertisseur dans un mode de réalisation selon l'invention par rapport à l'art antérieur sera mieux comprise grâce à ce qui suit.

Une bobine est dimensionnée pour supporter le flux généré par les composantes continue et alternative du courant qui la traverse, sans saturer. Pour éviter une saturation du circuit magnétique, on peut prévoir un entrefer et/ou une section du noyau magnétique adaptés. Plus le courant (exprimé par exemple en Ampères-tours) générant le flux magnétique est élevé, plus les entrefers doivent être augmentés pour que l'induction magnétique n'atteigne pas les zones de saturation, et plus les sections du noyau magnétique doivent être augmentées pour compenser la réduction de valeur d'inductance inhérente à cette augmentation d'entrefer.

Lorsque les bobines ont des enroulements qui alternent de l'une à l'autre, les composantes continues des courants des bobines créent des flux qui s'annulent presque en totalité car de sens opposés. En revanche, les composantes alternatives des courants des bobines créent des flux qui se somment. On obtient donc un anticouplage sur les composantes continues et un couplage sur les composantes alternatives. Les entrefers et les sections du noyau magnétique peuvent donc être dimensionnés en fonction des flux résultant des composantes alternatives principalement, et seront donc de tailles moindres. Ainsi, l'encombrement du convertisseur est plus faible que dans l'art antérieur, et ce d'autant plus que le ratio entre composante continue et composante alternative est élevé.