FR2850806A1 - Power converter for e.g. aircraft power supply system, has secondary windings electrically grouped together by switching unit and connected to capacitors, where capacitors are arranged in series to provide output of converter - Google Patents
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Abstract
Description
PERFECTIONNEMENTS AUX CONVERTISSEURS DE PUISSANCEIMPROVEMENTS ON POWER CONVERTERS
DOMAINE GENERAL ET ART ANTERIEURGENERAL AREA AND PRIOR ART
La présente invention est relative aux convertisseurs électriques. The present invention relates to electrical converters.
Elle trouve notamment - mais non limitativement - avantageusement application dans le domaine de la conversion de puissance, par exemple pour les convertisseurs d'alimentation de réseaux de bord et/ou de 10 climatisation dans les trains, ou encore pour les convertisseurs d'alimentation de motrices. It finds particular - but not limited to - advantageously application in the field of power conversion, for example for power converters for on-board networks and / or air conditioning in trains, or even for power converters for drive.
De façon plus générale, elle trouve avantageusement application pour tous les convertisseurs de puissance (typiquement, de 1 W à 100 MW ou plus). 15 Les convertisseurs de puissance posent des problèmes notamment en terme d'encombrement et de poids. More generally, it advantageously finds application for all power converters (typically, from 1 W to 100 MW or more). 15 Power converters pose problems, particularly in terms of size and weight.
Les composants de leurs circuits primaires et ou secondaires sont en effet 20 dimensionnés pour pouvoir supporter des tensions élevées et sont par conséquent généralement lourds et volumineux. The components of their primary and or secondary circuits are in fact dimensioned to be able to withstand high voltages and are therefore generally heavy and bulky.
Il existe donc un besoin pour des convertisseurs de tension d'un encombrement et d'un poids fortement diminués. 25 Il a déjà été proposé dans la demande de brevet EP 1.231.704 de la demanderesse, une structure de convertisseur qui comporte plusieurs enroulements primaires et plusieurs enroulements secondaires. Les enroulements primaires sont reliés entre eux, ainsi qu'aux bornes d'entrée 30 de la structure, par l'intermédiaire de ponts de moyens de commutation qui sont aptes à être commandés pour permettre de connecter lesdits enroulements primaires selon différentes configurations dans lesquelles ils sont en série et/ou en parallèle. Les enroulements secondaires sont également reliés entre eux, ainsi qu'aux bornes de sortie de la structure, par l'intermédiaire de ponts de moyens de commutation qui permettent eux aussi différentes configurations de montages en série et/ou en parallèle. There is therefore a need for voltage converters with a greatly reduced bulk and weight. It has already been proposed in the patent application EP 1,231,704 by the applicant, a converter structure which comprises several primary windings and several secondary windings. The primary windings are connected to each other, as well as to the input terminals 30 of the structure, by means of bridges of switching means which are capable of being controlled to allow said primary windings to be connected in different configurations in which they are in series and / or in parallel. The secondary windings are also connected to each other, as well as to the output terminals of the structure, by means of bridges of switching means which also allow different configurations of mounting in series and / or in parallel.
Une telle structure permet de fractionner le convertisseur en plusieurs convertisseurs en série pour des tensions d'entrée élevées, ou de disposer de plusieurs convertisseurs en parallèle pour des tensions d'entrée basses. Such a structure makes it possible to split the converter into several converters in series for high input voltages, or to have several converters in parallel for low input voltages.
Il est ainsi possible de traiter des plages de tensions d'entrée correspondant à des variations de tension importantes, sans nécessiter pour les composants des différents circuits primaires et secondaires les mêmes dimensionnements que dans une structure de convertisseur classique. It is thus possible to process ranges of input voltages corresponding to large voltage variations, without requiring for the components of the different primary and secondary circuits the same dimensions as in a conventional converter structure.
Une telle structure a en outre l'avantage de permettre, le cas échéant, de faire face aux pannes de certains composants. Such a structure also has the advantage of making it possible, if necessary, to cope with the breakdowns of certain components.
Il a par ailleurs déjà été proposé par la publication: " Multilevel Converter with 2 Stage Conversion " - C. CHABERT; A.RUFER des structures de convertisseurs DC/AC comportant une pluralité de modules élémentaires constitués chacun d'un transformateur dont les enroulements primaire et secondaire sont commandés par des ponts 25 d'interrupteurs en H. Il est montré dans cette publication qu'il est possible de commander les interrupteurs en mode ZCS (commutation au zéro du courant) côté primaire et en mode ZVS (commutation au zéro de tension) du côté du secondaire. It has also already been proposed by the publication: "Multilevel Converter with 2 Stage Conversion" - C. CHABERT; A.RUFER structures of DC / AC converters comprising a plurality of elementary modules each consisting of a transformer whose primary and secondary windings are controlled by bridges 25 of switches in H. It is shown in this publication that it is The switches can be controlled in ZCS mode (current zero switching) on the primary side and in ZVS mode (voltage zero switching) on the secondary side.
Ce type de structure et de fonctionnement permet une diminution des pertes et un gain au niveau du dimensionnement des composants. This type of structure and operation allows a reduction in losses and a gain in the dimensioning of the components.
Toutefois, pour des tensions importantes, on constate que ce type de structure et de fonctionnement ne permet pas d'annuler totalement les pertes des interrupteurs secondaires. However, for large voltages, it can be seen that this type of structure and operation does not completely cancel the losses of the secondary switches.
C'est notamment le cas lorsque la tension en sortie nécessite d'utiliser au secondaire des IGBTs de fort calibre (1,7 kV, 3,3 kV ou plus), qui, même avec un fonctionnement ZVS, présente des pertes dynamiques importantes, ce qui empêche des tensions de fonctionnement élevées. This is particularly the case when the output voltage requires the use of high-caliber IGBTs (1.7 kV, 3.3 kV or more) in the secondary, which, even with ZVS operation, has significant dynamic losses, which prevents high operating voltages.
PRESENTATION DE L'INVENTION Un but de l'invention est de proposer des solutions permettant de gagner encore plus en encombrement et en poids. 15 La solution proposée permet quant à elle d'augmenter la fréquence de fonctionnement et de réduire le nombre de transformateurs et donc au final de diminuer sensiblement la masse du convertisseur. PRESENTATION OF THE INVENTION An object of the invention is to propose solutions which make it possible to gain even more space and weight. The proposed solution makes it possible to increase the operating frequency and to reduce the number of transformers and therefore ultimately to significantly reduce the mass of the converter.
Plus précisément, l'invention propose un convertisseur de puissance comportant une pluralité de transformateurs, les enroulements primaires de ces transformateurs étant reliés entre eux par des moyens de commutation, leurs enroulements secondaires étant également reliés entre eux, ainsi qu'à au moins un condensateur montés entre les bornes de sortie dudit 25 convertisseur, par des moyens de commutation, caractérisé en ce qu'un transformateur comporte plusieurs enroulements secondaires, les enroulements secondaires de plusieurs transformateurs étant regroupés électriquement pour être reliés par des moyens de commutation à plusieurs condensateurs montés en série entre les bornes de sortie dudit 30 convertisseur. More specifically, the invention provides a power converter comprising a plurality of transformers, the primary windings of these transformers being interconnected by switching means, their secondary windings also being interconnected, as well as at least one capacitor mounted between the output terminals of said converter, by switching means, characterized in that a transformer has several secondary windings, the secondary windings of several transformers being electrically grouped to be connected by switching means to several capacitors mounted in series between the output terminals of said converter.
Avantageusement notamment, les moyens de commutation qui relient plusieurs enroulements secondaires a un même condensateur sont aptes à être commandés pour permettre différentes configurations o lesdits enroulements secondaires sont en série et/ou en parallèle. Advantageously in particular, the switching means which connect several secondary windings to the same capacitor are able to be controlled to allow different configurations where said secondary windings are in series and / or in parallel.
Le convertisseur comporte également de façon avantageuse des moyens pour commander les moyens de commutation en mode à commutation au zéro de tension. The converter also advantageously includes means for controlling the switching means in voltage zero switching mode.
Par ailleurs, un transformateur regroupe également préférentiellement plusieurs enroulements primaires. Furthermore, a transformer also preferably includes several primary windings.
PRESENTATION DES FIGURESPRESENTATION OF THE FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages et inventions sortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative non limitative et doit être lue au regard des deux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un convertisseur conforme à la mode de réalisation possible de l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique d'un convertisseur conforme à un autre mode de réalisation possible de l'invention. Other characteristics and advantages and inventions will also emerge from the description which follows, which is purely illustrative and not limiting and should be read in the light of the two appended drawings in which: - Figure 1 is a schematic representation of a converter according to possible embodiment of the invention; - Figure 2 is a schematic representation of a converter according to another possible embodiment of the invention.
DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION DESCRIPTION OF ONE OR MORE EMBODIMENTS
Le convertisseur illustré à titre d'exemple sur la figure 1 comporte quatre transformateurs référencés de TI à T4. The converter illustrated by way of example in FIG. 1 comprises four transformers referenced from TI to T4.
Chacun de ces transformateurs Tl à T4 comprend deux enroulements primaires pl, p2, associés à deux enroulements secondaires sI, s2. Each of these transformers T1 to T4 comprises two primary windings pl, p2, associated with two secondary windings sI, s2.
Chaque enroulement primaire pl, p2 ou secondaire si, s2 est montés sur un pont d'interrupteurs en H, avec lequel il constitue un module élémentaire M au primaire ou au secondaire. Each primary winding pl, p2 or secondary if, s2 is mounted on a switch bridge at H, with which it constitutes an elementary module M at the primary or secondary.
Les différents modules élémentaires M ainsi définis au primaire sont montés en série les uns par rapport aux autres, ainsi qu'en série avec une inductance d'entrée Zl. The various elementary modules M thus defined in the primary are mounted in series with respect to each other, as well as in series with an input inductance Zl.
Au secondaire, les quatre modules élémentaires Mréférencés par 10 correspondant aux enroulements sl sont montés en parallèle à un condensateur CI, tandis que les quatre modules élémentaires correspondant aux enroulements s2 sont montés en parallèle à un condensateur C2. In secondary education, the four elementary modules referenced by 10 corresponding to the windings sl are mounted in parallel with a capacitor CI, while the four elementary modules corresponding to the windings s2 are mounted in parallel with a capacitor C2.
Les deux sous structures de secondaires ainsi constituées sont montées en série. The two secondary structures thus formed are mounted in series.
A titre d'exemple, pour des tensions d'entrée de l'ordre de 15000 Vac et des puissances d'entrée de 1,5 MW, une telle structure permet avec quatre 20 transformateurs de deux primaires et deux secondaires une conversion donnant en sortie une tension redressée de 1500Vdc. By way of example, for input voltages of the order of 15,000 Vac and input powers of 1.5 MW, such a structure allows, with four 20 transformers of two primary and two secondary, a conversion giving as output a rectified voltage of 1500Vdc.
Les interrupteurs utilisés au primaire (au nombre de 32) sont alors par exemple des IGBTs bidirectionnels destinés à supporter 6.5 kV et 150 A, 25 tandis que les interrupteurs utilisés au secondaire (également au nombre de 32) sont des IGBTs unidirectionnels destinés à supporter 1.2 kV et 600 A. La fréquence de commutation peut alors être de 5000 Hz. 30 La figure 2 illustre un autre mode de réalisation possible. The switches used in the primary (32 in number) are then for example bidirectional IGBTs intended to support 6.5 kV and 150 A, while the switches used in secondary (also 32 in number) are unidirectional IGBTs intended to support 1.2 kV and 600 A. The switching frequency can then be 5000 Hz. FIG. 2 illustrates another possible embodiment.
Dans ce mode de réalisation, il est prévu quatre transformateurs TI à T4 comportant chacun quatre enroulements primaires (pi à p4) et trois enroulement secondaires (sI à s3). In this embodiment, four transformers TI to T4 are provided, each comprising four primary windings (pi to p4) and three secondary windings (sI to s3).
Les différents enroulements primaires pi sont reliés en parallèle par des demi-ponts d'interrupteurs, et montés sur une structure de pont en H qui commande l'alimentation du module ainsi constitué. The various primary windings pi are connected in parallel by half-bridges of switches, and mounted on an H-bridge structure which controls the supply of the module thus formed.
Il en est de même des enroulements primaires p2, des enroulements 10 primaires p3 et des enroulements primaires p4. The same is true of the primary windings p2, the primary windings p3 and the primary windings p4.
Les enroulement secondaires sl (respectivement s2 et s3) sont montés sur des ponts d'interrupteurs en H qui définissent avec eux quatre modules élémentaires montés en parallèle à un condensateur Cl (resp. C2, C3). Les 15 ponts en H des modules associés aux transformateurs Tl et T2 pour les enroulements sl (respectivement s2, s3) comportent deux interrupteurs en commun. Il en est de même des interrupteurs des ponts en H associés aux transformateurs T2 et T3 et des interrupteurs des ponts en H associés aux transformateurs T3 et T4. The secondary windings sl (respectively s2 and s3) are mounted on H-switch bridges which define with them four elementary modules mounted in parallel with a capacitor Cl (resp. C2, C3). The 15 H-bridges of the modules associated with the transformers Tl and T2 for the windings sl (respectively s2, s3) have two switches in common. The same applies to switches for H-bridges associated with transformers T2 and T3 and switches for H-bridges associated with transformers T3 and T4.
Les condensateurs Cl à C3 et les trois modules qui leurs sont associés sont montés en série. The capacitors C1 to C3 and the three modules associated with them are connected in series.
A titre d'exemple, pour des tension et puissance d'entrée et des tensions de 25 sortie similaires à celles indiquées en référence à la figure 1, on utilise au secondaire 30 interrupteurs bidirectionnels de 1,2 kV, et au primaire 24 interrupteurs bidirectionnels de 6,5 kV et 16 interrupteurs bidirectionnels de 3,3 kV. By way of example, for input voltage and power and output voltages similar to those indicated with reference to FIG. 1, 30 bidirectional 1.2 kV switches are used in the secondary, and 24 bidirectional switches in the primary 6.5 kV and 16 two-way 3.3 kV switches.
Une telle structure permet une fréquence de commutation de 5000 Hz. Such a structure allows a switching frequency of 5000 Hz.
Avec les structures qui viennent d'être décrites, les interrupteurs qui relient plusieurs enroulements secondaires a un même condensateur sont aptes à être commandés pour permettre différentes configurations o lesdits enroulements secondaires sont en série et/ou en parallèle. With the structures which have just been described, the switches which connect several secondary windings to the same capacitor are able to be controlled to allow different configurations where said secondary windings are in series and / or in parallel.
Egalement, ces interrupteurs peuvent être commandés par un calculateur externe pour fonctionner en mode à commutation au zéro de tension. Also, these switches can be controlled by an external computer to operate in zero voltage switching mode.
Comme on l'aura compris, les structures proposées permettent d'éviter 10 d'utiliser au secondaire des IGBTs trop haute tension, qui, même avec un fonctionnement ZVS, sont à l'origine de pertes importantes à l'ouverture. As will be understood, the proposed structures make it possible to avoid the use of excessively high voltage IGBTs in the secondary, which, even with ZVS operation, are the cause of significant losses on opening.
Par ailleurs, outre le fait que le montage ainsi réalisé ne comporte pas de perte dynamique, que ce soit au primaire ou au secondaire, on notera que 15 le regroupement de plusieurs parties primaires ou secondaires sur un même transformateur contribue aussi à diminuer la masse totale du système. Furthermore, in addition to the fact that the assembly thus produced does not include any dynamic loss, whether at the primary or secondary level, it will be noted that the grouping of several primary or secondary parts on the same transformer also contributes to reducing the total mass. of the system.
Les deux effets combinés d'augmentation de la fréquence et de la réduction 2 0 du nombre de transformateurs permettent au final de diminuer sensiblement la masse du convertisseur. The two combined effects of increasing the frequency and reducing the number of transformers ultimately reduce the mass of the converter significantly.
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2003
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