Titre : CONVERTISSEUR ALTERNATIF/CONTINU A CORRECTION DU FACTEUR DE PUISSANCE ET PROCEDE DE CALIBRAGE D’UN TEL CONVERTISSEUR

DOMAINE TECHNIQUE

L’invention concerne les convertisseurs alternatif/continu à correction du facteur de puissance tels que ceux utilisés dans la charge des véhicules électriques.

ART ANTÉRIEUR

Les convertisseurs alternatif/continu à correction du facteur de puissance sont couramment employés dans de nombreuses applications. Ces convertisseurs sont également dénommés « convertisseurs à compensation de puissance réactive », ou convertisseurs PFC (« Power Factor Corrector », en anglais).

Ces convertisseurs sont destinés à être branchés sur le réseau électrique alternatif et délivrent en sortie une tension continue. Ces convertisseurs sont prévus pour absorber un courant sinusoïdal, notamment pour contribuer à la stabilité du réseau électrique. Un convertisseur alternatif/continu à correction du facteur de puissance présente ainsi un facteur de puissance proche de l’unité et se comporte donc, du point de vue de la stabilité du réseau électrique, comme une résistance. Ces convertisseurs alternatif/continu sont généralement imposés par la règlementation, notamment pour les applications de forte puissance.

Par exemple, dans le cas des véhicules électriques, si de nombreux véhicules sont branchés en même temps sur le réseau électrique pour la recharge de leurs batteries de traction, le réseau électrique peut être déstabilisé et les phénomènes tel que des chutes de tension peuvent être amplifiés. Les chargeurs de véhicule électrique doivent ainsi être impérativement munis de convertisseurs alternatifs/continus à correction du facteur de puissance.

Un chargeur embarqué classique de véhicule électrique comporte généralement un convertisseur alternatif/continu à correction du facteur de puissance qui est relié au réseau électrique en entrée et qui est relié, en sortie, à un convertisseur continu/continu qui est piloté en fonction des besoins de charge de la batterie à recharger. Le convertisseur alternatif/continu fournit généralement au convertisseur continu/continu une tension continue aux alentours de 400 Volts.

Pour la fonction de correction du facteur de puissance, le convertisseur alternatif/continu doit être dimensionné pour délivrer une tension continue adaptée à la tension du réseau électrique alternatif. La tension continue délivrée par le convertisseur doit en effet être supérieure à la tension crête du réseau, c’est à dire la tension maximale qui peut être observée sur ce réseau.

De plus, la tension continue délivrée par le convertisseur alternatif/continu présente généralement, en réalité, un profil ondulé dû à l’imperfection des composants.

La tension de sortie du convertisseur alternatif/continu doit donc être régulée avec précision, car :

- si elle est trop basse (inférieure à la tension crête du réseau électrique alternatif), l’absorption sinusoïdale, et donc la correction du facteur de puissance, ne peut plus être assurée ;

- si elle est trop élevée, les spécifications de tension maximale supportée de certains composants de puissance peuvent être dépassées.

De plus, le convertisseur alternatif/continu comporte généralement un module de commande qui comporte un moyen de mesure de la tension délivrée, ainsi qu’un dispositif d’asservissement de la tension continue délivrée par le module de commutation. Or la précision de la régulation de la tension de sortie du convertisseur alternatif/continu est dépendante de la précision des composants permettant la mesure de tension et des composants du dispositif d’asservissement.

Des solutions ont été envisagées pour la régulation de la tension de sortie du convertisseur alternatif/continu entre ses limites haute et basse.

Les composants électroniques constituant le dispositif d’asservissement et le moyen de mesure en tension du module de commande peuvent être choisis parmi des composants hauts de gamme qui sont plus précis et qui réduisent l’incertitude de régulation de la tension de sortie. Ces composants sont d’un coût élevé par rapport aux composants classiques, ce qui n’est pas compatible avec la réduction des coûts inhérente à une production industrielle de grande série telle que dans le secteur automobile.

Il peut également être envisagé de choisir des composants avec une tenue en tension plus élevée (par exemple 1 000 Volts) pour constituer le convertisseur alternatif/continu, afin de remonter le seuil de tension haute à ne pas dépasser. La tension continue de sortie du convertisseur ne présente alors plus le risque de dépassement du seuil supérieur de tension, même avec des ondulations et des incertitudes dans l’asservissement de la tension. Ces composants dont la tenue en tension est plus élevée sont plus gros, plus chers et sont moins précis que les composants dont la tenue en tension est à peine supérieure à 400 Volts.

Il est également possible dans certaines applications de procéder à des ajustements en cours de fabrication du convertisseur alternatif/continu en réalisant, grâce à des moyens de diagnostic extérieur, des mesures du comportement en sortie de la tension de sortie du convertisseur, grâce à des oscilloscopes, des moyens de mesure de laboratoire adaptés à la mesure précise des tension, etc. Ces solutions sont applicables dans un contexte de laboratoire mais sont cependant incompatibles avec une production en série. Les chaînes de production sont soumises à des règlementations qui interdisent généralement l’accès aux parties électriques sous tension, pour la sécurité des opérateurs. Par exemple, dans le cas d’une ligne de production de véhicules automobiles équipés de chargeurs de batteries embarqués, les chargeurs seront entièrement assemblés au préalable, en connectant leur convertisseur alternatif/continu au convertisseur continu/continu, sans qu’aucun élément ne soit sous tension. L’ensemble du chargeur et des connexions aux batteries sont protégés dans des boîtiers sécurisés, et leur mise sous tension n’est possible que lorsqu’aucune partie sous tension n’est accessible. Aucun ajustement nécessitant l’accès à des parties sous tension ne peut donc être mis en oeuvre dans un tel contexte.

EXPOSÉ DE L’INVENTION

L’invention a pour but d’améliorer les convertisseurs alternatif/continu de l’art antérieur. A cet effet, l’invention vise un procédé de calibrage d’un convertisseur alternatif/continu à correction du facteur de puissance, ce convertisseur comportant :

- un connecteur d’entrée comportant au moins deux bornes d’alimentation pour le branchement du convertisseur au réseau électrique alternatif ;

- un module de commutation comportant des interrupteurs de puissance, adapté à délivrer une tension continue à partir d’une tension sinusoïdale appliquée au connecteur d’entrée ;

- un module de commande adapté à piloter les interrupteurs de puissance du module de commutation, ce module de commande comportant : un moyen de mesure de tension adapté à mesurer la tension continue délivrée par le module de commutation ; et un dispositif d’asservissement de la tension continue délivrée par le module de commutation ; ce procédé comportant les étapes suivantes :

- brancher le connecteur d’entrée sur une alimentation électrique de tension continue prédéterminée, de sorte que cette tension continue prédéterminée soit appliquée entre les bornes du connecteur d’entrée ;

- mesurer, avec le moyen de mesure de tension, la tension continue résultante de calibrage qui est délivrée par le module de commutation lorsque la tension continue prédéterminée est appliquée entre les bornes du connecteur d’entrée ;

- calibrer le moyen de mesure de tension en réalisant un tarage ramenant la tension résultante de calibrage au niveau de la tension continue prédéterminée.

Un autre objet de l’invention vise un convertisseur alternatif/continu à correction du facteur de puissance tel que décrit ci-dessus et dans lequel le module de commutation comporte deux modes :

- un mode de fonctionnement nominal dans lequel le connecteur d’entrée est connecté au réseau électrique alternatif et le dispositif d’asservissement procède à l’asservissement, à une tension de consigne, de la tension continue délivrée par le module de commutation ;

- un mode de calibrage dans lequel le connecteur d’entrée est connecté à une alimentation de tension continue prédéterminée, et le moyen de mesure de tension est calibré par un tarage ramenant au niveau de la tension continue prédéterminée la tension résultante qui est délivrée par le module de commutation. Selon un mode de réalisation, le module de commande comporte un microcontrôleur constituant le dispositif d’asservissement et le moyen de mesure de tension, le microcontrôleur étant programmé pour passer du mode de fonctionnement nominal au mode de calibrage.

Un tel convertisseur alternatif/continu et son procédé de calibrage permettent la conversion de la tension alternative du réseau électrique en une tension continue régulée de manière précise et calibrée de sorte qu’elle soit : suffisamment élevée pour permettre l’absorption d’un courant sinusoïdal et donc, pour permettre la correction du facteur de puissance du convertisseur ; et suffisamment faible pour rester en deçà de la tenue en tension des composants classiques constituant le convertisseur.

L’invention permet ainsi l’utilisation de composants standards qui sont de faible coût et de précision élevée pour la réalisation de ces convertisseurs. Ceci est compatible avec les normes de coût des productions de grande série telles que dans l’automobile.

De plus, le procédé de calibrage du convertisseur peut être mis en oeuvre dans un environnement de production industrielle et est conforme aux règlementations de sécurité en vigueur dans les usines de production, car l’opération de calibrage est réalisée en fin de chaîne, au sein même du convertisseur sans aucune intervention d’appareillage extérieur, ni aucune nécessité d’accéder à des parties sous tension. Les opérateurs n’ont accès à aucun moment à la forte tension continue délivrée par le convertisseur.

Le procédé de calibrage selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :

- le dispositif d’asservissement est adapté à asservir, à une tension de consigne, la tension continue délivrée par le module de commutation ;

- la tension continue prédéterminée est sensiblement égale à la tension de consigne ;

- la tension de consigne est supérieure à la tension crête maximale du réseau électrique alternatif pour lequel le connecteur d’entrée est prévu ;

- l’alimentation électrique continue de tension prédéterminée présente une précision supérieure à la précision du moyen de mesure de tension ;

- l’alimentation électrique continue de tension prédéterminée présente une précision meilleure que ±1 %.

Le chargeur de batteries selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :

- le chargeur de batteries comporte en outre un convertisseur continu/continu adapté à la charge de batteries, la tension continue délivrée en sortie du convertisseur alternatif/continu étant connectée à l’entrée du convertisseur continu/continu ;

- le chargeur de batteries comporte un boiter fermé interdisant l’accès à la liaison entre la sortie du convertisseur alternatif/continu et l’entrée du convertisseur continu/continu.

PRÉSENTATION DES FIGURES

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- [Fig.1] La figure 1 représente schématiquement un chargeur de batteries comportant un convertisseur alternatif/continu selon l’invention ;

- [Fig.2] La figure 2 illustre la tension de sortie du convertisseur de la figure 1.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Les figures 1 et 2 sont relatives à un chargeur de batteries embarqué dans un véhicule électrique, et illustrent un exemple de mise en œuvre du convertisseur alternatif/continu selon l’invention.

La figure 1 représente schématiquement un chargeur 1 embarqué dans le véhicule électrique et adapté à la charge des batteries de traction de ce véhicule électrique, en le branchant sur le réseau électrique alternatif. Les véhicules électriques ont en effet, généralement, deux possibilités pour la charge de leur batteries de traction : une borne de recharge externe comportant son propre chargeur de forte puissance ; ou un chargeur embarqué tel que celui de la figure 1 qui permet de charger le véhicule électrique sur une prise de courant domestique. Le chargeur embarqué de la figure 1 est destinés à être branché au réseau électrique alternatif comme tout autre appareil électrique et doit donc respecter les normes et règlementation en vigueur vis-à-vis du réseau. Le chargeur 1 comporte notamment des moyens de contrôle du courant absorbé en vue de favoriser la stabilité du réseau électrique sur lequel il est branché.

Le chargeur 1 comporte un connecteur d’entrée 2 adapté au branchement sur une prise de courant domestique pour le raccordement au réseau électrique alternatif 3. Dans le présent exemple, le chargeur 1 est un chargeur monophasé et le connecteur 2 comporte ainsi deux bornes d’alimentation 4 pour la phase et le neutre (en plus du conducteur de protection, non représenté).

La sortie du chargeur 1 est connectée aux batteries de traction du véhicule, qui sont schématisées par le générateur 5.

La fonction du chargeur de batterie 1 est de recevoir l’énergie électrique du réseau alternatif 3 en entrée et d’appliquer en sortie une tension continue aux bornes des batteries 5, cette tension étant pilotée de manière connue en fonction du cycle de recharge des batteries 5.

Le chargeur 1 comporte ici un convertisseur alternatif/continu 8 et un convertisseur continu/continu 9. Le convertisseur alternatif/continu 8 a pour fonction de convertir la tension alternative du réseau en une tension continue fixe dont la valeur est, dans le présent exemple, de 400 Volts. Le convertisseur alternatif/continu 8 délivre cette tension continue au convertisseur continu/continu 9 qui va piloter intelligemment la charge des batteries 5 en fournissant une tension continue aux batteries 5, cette tension s’adaptant au besoin des batteries 5 en fonction du cycle de charge. Les convertisseurs continus/continus 9 adaptés à piloter les cycles de charge des batteries sont connus et ne seront pas décrits plus en détail ici.

Le convertisseur alternatif/continu 8 comporte en entrée le connecteur 2, un module de commutation 6, et un module de commande 7.

Le module de commutation 6 comporte, de manière connue, un montage redresseur, ainsi que des moyens de commutation associés à des bobines et des condensateurs, permettant de générer une tension continue. Les moyens de commutation sont généralement constitués par un pont d’interrupteurs de puissance tel que des transistors de puissance MOSFET ou IGBT.

Le module de commutation 6 est piloté par le module de commande 7. En pratique, le module de commande 7 est ici constitué d’un microcontrôleur connecté à la grille des interrupteurs de puissance du module de commutation 6, et adapté à ouvrir ou fermer les interrupteurs de puissance en fonction d’un programme.

Au sein du module de commande 7, le microcontrôleur et ses programmes sont agencés pour constituer notamment un dispositif d’asservissement 10 et un moyen de mesure de tension 11. Le moyen de mesure de tension 11 peut être constitué par tout moyen connu assurant la fonction de voltmètre et permettant de mesurer la tension présente aux bornes de sortie du module de commutation 6.

Le dispositif d’asservissement 10 dispose de cette information de la valeur de tension aux bornes de sortie du module de commutation 6, et agit sur le pilotage des interrupteurs de puissance du module de commutation 6, de manière à ajuster la commutation pour que la tension de sortie du module de commutation 6 soit égale à une valeur consigne, qui est ici de 400 Volts.

De manière connue, le convertisseur alternatif/continu 8 est un convertisseur à correction du facteur de puissance et le module de commande 7 pilote les interrupteurs de puissance du module de commutation 6 en conséquence.

La figure 2 est une courbe illustrant le profil de la tension Urne au bornes de sortie du module de commutation 6, et donc en sortie du convertisseur alternatif/continu 8, en fonction du temps. Cette tension Urne est donc la tension délivrée par le convertisseur alternatif/continu 8.

La tension de consigne Vc, qui est ici de 400 Volts, est représentée sur la figure 2 par une ligne droite horizontale, cette ligne correspondant à la tension de consigne pour le dispositif d’asservissement 10.

Compte-tenu des contraintes liées à la nature des composants électroniques courants, la tension réelle en sortie du convertisseur alternatif/continu est une tension qui oscille de part et d’autre de cette tension de consigne Vc. De plus, les dispersions de fabrication des composants électroniques entraînent une incertitude sur l’asservissement de cette tension qui, au lieu d’osciller exactement comme la courbe 12 en trait plein, oscille quelque part entre les courbes d’incertitude Vr-min et Vr-max (en pointillés sur la figure 2).

L’écart entre les 2 courbes Vr-min et Vr-max correspond ici à l’incertitude générée par la plage d’erreur du moyen de mesure de tension 11. Par exemple, une une plage d’erreur de 5 % correspond à ±20 V pour une tension de 400 V.

La figure 2 représente également deux seuils matérialisés par une ligne droite horizontale Smin et Smax. Le seuil Smin correspond au seul minimal en dessous duquel la tension Urne ne doit pas descendre pour que le convertisseur alternatif/continu 8 puisse remplir sa fonction de correction du facteur de puissance, et le seuil Smax correspond au seuil de tenue en tension des composants électroniques.

Par exemple, dans un pays où la tension efficace du réseau est de 230 V avec une tolérance de 15 %, la tension crête maximale sera de (230 V + 15%) x 2 c’est- à-dire de 375 V. La tension continue en sortie du convertisseur alternatif/continu doit donc être supérieure à 375 Volts pour que la fonction de correction de facteur de puissance soit assurée. Le seuil Smin est donc fixé, dans cet exemple, à 375 V.

Le seuil Smax, dans cet exemple, est par exemple de 440 Volts. Les composants avec un tel seuil de tension sont des composants courants, bons marchés et précis.

Dans l’art antérieur, la prise en compte des seuils Smin et Smax conduisait à remonter la tension de consigne Vc, par exemple à une valeur d’environ 410 à 420 Volts, pour garantir que la courbe d’incertitude basse Vr-min soit au-dessus du seuil S-min. Cela conduisait à la possibilité pour la courbe d’incertitude haute Vr-max de dépasser le seuil Smax, en atteignant, dans les cas critiques, 450 Volts, et donc de dégrader les composants (c’est le cas illustré sur la figure 2 où la courbe d’incertitude haute Vr-max peut dépasser le seuil Smax).

L’invention permet de s’affranchir des limites d’incertitude Vr-max et Vr-min en positionnant au plus juste la courbe 12 de la tension Urne pour qu’elle soit systématiquement positionné entre les seuils Smin et Smax. À cet effet, en fin de production d’un convertisseur alternatif/continu 8, ou du chargeur 1 complet, un procédé de calibrage du convertisseur alternatif/continu 8 est mis en œuvre.

Dans un contexte de production de série en usine, ces opérations seront de préférence réalisées lorsque le montage du chargeur 1 et sa liaison aux batteries 5 seront terminés, avec notamment les capotages et verrouillages de sécurité interdisant l’accès des opérateurs à des tensions présentant un risque d’électrocution, la liaison entre la sortie du convertisseur alternatif/continu 8 et l’entrée du convertisseur continu/continu 9 étant notamment inaccessible.

Le procédé de calibrage démarre par le raccordement du connecteur d’entrée 2 sur une alimentation continue de précision faisant partie de la ligne de production. Cette alimentation délivre une tension continue prédéterminée entre les bornes d’alimentation 4. Cette étape est une utilisation contre-intuitive du connecteur d’entrée 2, qui est normalement prévu pour le réseau électrique alternatif, mais cette étape est réalisée dans un contexte de production, en dehors de son utilisation préconisée pour l’utilisateur final.

La tension continue prédéterminée peut être une tension quelconque dont la valeur est connue avec une précision satisfaisante. Cette précision satisfaisante doit notamment être supérieure à la précision du moyen de mesure 11, par exemple une précision meilleure que ±1 %. De préférence, la tension continue prédéterminée est proche de la tension de consigne Vc, voire égale à cette tension de consigne Vc. Dans le présent exemple, cette tension continue prédéterminée est de 400 Volts et est appliquée aux bornes d’alimentation 4 par une alimentation dont la précision est de 400 V ±0,2 %, ce qui est une précision courante pour une alimentation de laboratoire.

Lors de cette première étape, les interrupteurs de puissance du module de commutation ne sont pas activés car la tension en entrée du convertisseur est, contrairement à son fonctionnement normal, déjà continue. La tension continue prédéterminée se retrouve à l’identique aux bornes de sortie du convertisseur alternatif/continu 8, si ce n’est qu’elle subit l’influence des composants électroniques présents dans le module de commutation 6 avec leur dispersion de fabrication et de montage.

Lors d’une deuxième étape, la tension présente aux bornes de sortie du convertisseur 8 grâce au moyen de mesure 11, cette tension étant dénommée tension résultante de calibrage Vr. La tension Vr correspond à la tension qui est effectivement présente en sortie du module de commutation 6, lorsque la tension continue prédéterminée est appliquée en entrée. La tension résultante Vr serait égale à la tension continue prédéterminée si le montage était parfait. Dans le montage réel, la tension résultante Vr mesurée, sera différente de la tension continue prédéterminée et englobera l’erreur de mesure propre au moyen de mesure de tension 11, compte-tenu de sa précision.

Supposons pour l’exemple que :

- la tension continue prédéterminée est de 400 Volts ;

- la tension résultante Vr mesurée est de 405 Volts.

La prise en compte de la différence entre 405 V et 400 V va permettre de calibrer le convertisseur 8 pour s’assurer du correct positionnement de la courbe 12 (figure 2) de ce convertisseur particulier, entre les seuils Smin et Smax.

Lors d’une troisième étape, le calibrage du convertisseur alternatif/continu 8 est réalisé en calibrant uniquement le moyen de mesure de tension 11. Le calibrage du moyen de mesure de tension est réalisé en modifiant son tarage de sorte que la tension résultante Vr, actuellement mesurée (405 V dans l’exemple), corresponde à la tension continue prédéterminée (400 V dans l’exemple). Autrement dit, le tarage du moyen de mesure de tension entraîne que ce dernier indiquera une tension égale à la tension continue prédéterminée (400 V dans l’exemple), lorsqu’il sera en présence d’une tension égale à Vr (405 V dans l’exemple).

Au sein du moyen de mesure de tension 11, un tarage de la tension résultante Vr est ainsi réalisé au niveau de la tension continue prédéterminée (la tension résultante Vr est ramenée au niveau de la tension continue prédéterminée, du point de vue du moyen de mesure de tension).

Le moyen de mesure de tension 11 va être volontairement déréglé pour le mener à mesurer une valeur égale à la tension continue prédéterminée, alors qu’il est en présence de la tension résultante de calibrage Vr (ce qui serait le cas si les composants étaient parfaits).

Suivant l’exemple évoqué précédemment, après le calibrage, lorsque le moyen de mesure de tension 11 sera en présence d’une tension de 405 Volts, il délivrera au module de commande 7 une information selon laquelle la tension mesurée est de 400 Volts.

Le calibrage du moyen de mesure de tension 11 entraîne donc ce dernier à donner des valeurs de tension au dispositif d’asservissement 10 qui sont fausses dans l’absolu, mais cela conduira l’asservissement à se dérouler de la même manière et à produire une courbe 12 du même profil, mais dont le positionnement en hauteur sera différent car la tension de consigne Vc sera mieux centrée. Ainsi, quel que soit, avant le calibrage, le positionnement de la courbe 12, cette courbe est recentrée par le calibrage entre les deux seuils extrêmes Smin et Smax. La tension de consigne, et donc l’écart entre les courbes d’incertitude Vr-min et Vr-max, est ainsi également centrée entre les deux seuils extrêmes Smin et Smax, de sorte qu’il n’y a pas de risque de franchissement de l’un de ces seuils.

Le procédé de calibrage est conclu par la mise en mémoire dans le microcontrôleur de ce tarage des moyens de mesure de tension 11 , tarage qui pourra être gardé pour toute la durée de vie du chargeur 1.

Cependant, lors de phases de maintenance, il est également possible de mettre à nouveau en œuvre ce procédé de calibrage pour recentrer de nouveau la consigne Vc entre les seuils Smin et Smax, en réponse à une dérive des composants liée par exemple au vieillissement de ces composants.

Pour mettre en œuvre le procédé qui vient d’être décrit, le module de commande 7 comporte au moins les deux modes suivants :

- un mode de fonctionnement nominal dans lequel le connecteur d’entrée 2 est connecté au réseau électrique alternatif et le dispositif d’asservissement 10 procède à l’asservissement, à une tension de consigne Vc, de la tension continue délivrée par le module de commutation 6 ;

- un mode de calibrage dans lequel le connecteur d’entrée 2 est connecté à une alimentation de tension continue prédéterminée, et le moyen de mesure de tension 11 est calibré par un tarage ramenant au niveau de la tension continue prédéterminée la tension résultante qui est délivrée par le module de commutation 6.

Ces modes peuvent être programmés dans un microcontrôleur constituant le module de commande 7, le microcontrôleur étant programmé pour passer du mode de fonctionnement nominal au mode de calibrage, par une commande externe, ou lorsque la connexion à une alimentation délivrant la tension continue prédéterminée est détectée.

Des variantes de réalisation peuvent être mises en œuvre sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple, le chargeur 1 peut être prévu pour le réseau triphasé, le connecteur d’entrée 2 comportant alors quatre phases.