Vue d'ensemble du traitement de puissance à alimentation en courant
Les alimentations à découpage dans la gamme de puissance de plusieurs dizaines de kilowatts remplacent lentement les topologies traditionnelles basées sur les thyristors (SCR) depuis plusieurs décennies. Les avantages et les inconvénients sont bien connus. Le fonctionnement à haute fréquence des alimentations à découpage permet de réduire la taille et le poids des composants magnétiques et offre des temps de réponse plus rapides aux perturbations de ligne et de charge. Le principal inconvénient est que les contraintes imposées aux dispositifs de commutation tendent à rendre les alimentations à découpage de haute puissance moins fiables que leurs homologues à base de SCR.
De nombreuses topologies de circuits de puissance sont actuellement déployées pour les applications de commutation haute puissance. Les configurations les plus courantes se composent de trois étages de conversion de puissance :
- Un convertisseur CA-CC qui convertit l'alimentation triphasée du réseau en une tension continue.
- Un onduleur ou convertisseur CC-CA qui convertit la tension du bus CC en une tension CA haute fréquence.
- Un convertisseur CA-CC secondaire qui convertit la tension CA haute fréquence en tension continue.
Les deux convertisseurs CA-CC sont très similaires en termes de fonction, à l'exception des fréquences de fonctionnement ; les convertisseurs se composent principalement de redresseurs, de filtres passe-bas et de circuits d'amortissement (snubbers). Les circuits d'amortissement limitent les tensions transitoires de commutation et absorbent l'énergie stockée dans les composants parasites. Le deuxième étage, le convertisseur CC-CA, génère une tension haute fréquence qui alimente un transformateur à une fréquence généralement de 20 kHz ou plus. Le transformateur est nécessaire pour l'isolation galvanique et la production d'une tension de sortie déterminée par le rapport de transformation. Le convertisseur CC-CA est l'étage le plus complexe et de nombreuses topologies de traitement de puissance sont actuellement en production.
La plupart des convertisseurs CC-CA de haute puissance utilisent une configuration en pont en H, à quatre dispositifs de puissance, pour exciter le transformateur haute fréquence. Le pont en H est commandé par modulation de largeur d'impulsion (PWM) ou par d'autres stratégies de modulation pour produire une tension de largeur d'impulsion ou d'amplitude limitée. La modulation du pont en H produit une tension de sortie contrôlable.
Les topologies de convertisseurs CC-CA se répartissent en trois groupes : les convertisseurs à commutation dure, les convertisseurs à commutation douce et les convertisseurs résonants. La principale différence entre les topologies réside dans la droite de charge du dispositif de commutation pendant la période de commutation (transition de commutation). C'est pendant la période de commutation que les dispositifs de puissance dissipent le plus d'énergie.
Les convertisseurs à commutation dure permettent aux dispositifs de puissance et/ou aux circuits d'amortissement d'absorber l'énergie de commutation. Les convertisseurs à commutation douce disposent de circuits passifs supplémentaires pour mettre en forme les formes d'onde de puissance afin de réduire les pertes pendant la période de commutation. L'avantage de la réduction des pertes de commutation est compensé par une complexité accrue des circuits, des pertes supplémentaires à l'état passant (dues à la modification des formes d'onde) et une sensibilité aux conditions de charge. Les convertisseurs de puissance résonants possèdent des circuits résonnants hautement accordés qui donnent à la tension ou au courant du dispositif une apparence sinusoïdale. Les avantages et inconvénients sont similaires à ceux des convertisseurs à commutation douce. Les convertisseurs de puissance résonants sont de second ordre et la synchronisation est plus critique que pour les convertisseurs à commutation douce.
Les convertisseurs à commutation dure, à commutation douce et résonants sont généralement conçus pour fonctionner à partir d'une source de tension continue et sont communément appelés convertisseurs à alimentation en tension. De manière caractéristique, les convertisseurs à alimentation en tension sont sujets aux problèmes de court-circuit de bras (shoot through), qui peuvent survenir lorsqu'un dispositif ne se désactive pas avant que l'autre dispositif connecté en série ne s'active. Bien que des circuits de protection puissent être conçus pour minimiser les problèmes catastrophiques, ces circuits doivent généralement être capables de détecter les problèmes de court-circuit de bras en une à deux microsecondes. La variation des paramètres des dispositifs et une modulation anormale des convertisseurs à alimentation en tension peuvent provoquer un déséquilibre de tension sur un demi-cycle, pouvant entraîner la saturation du noyau du transformateur. Les circuits de protection doivent également être capables de détecter ces conditions avant que des dommages ne surviennent dans les semi-conducteurs de puissance.
Les convertisseurs de puissance à alimentation en courant [1]-[3], le dual électrique des convertisseurs à alimentation en tension, constituent une autre alternative de circuit de puissance pour la conversion d'énergie, bien que moins connue et moins utilisée. L'avantage de ces convertisseurs par rapport à leurs homologues à alimentation en tension est que les courts-circuits de bras et l'asymétrie des demi-cycles ne peuvent provoquer ni la défaillance des dispositifs ni la saturation du noyau. Cette caractéristique est propre aux convertisseurs à base de SCR et constitue l'une des principales raisons pour lesquelles les convertisseurs à alimentation en courant tendent à être plus robustes. Le principal inconvénient des convertisseurs à alimentation en courant est qu'un quatrième étage de conversion de puissance est nécessaire pour convertir la tension du bus CC en un courant continu. Bien que l'étage supplémentaire entraîne une complexité et des pertes additionnelles, les étages de conversion de puissance peuvent être rendus plus efficaces. Les topologies de convertisseurs à alimentation en courant sont moins déployées que les convertisseurs à alimentation en tension, principalement en raison du coût.
Cet article décrit les différences entre les convertisseurs à alimentation en tension et à alimentation en courant ainsi que les sensibilités aux conditions provoquant des contraintes sur les semi-conducteurs de puissance. Les problématiques liées à la mise en œuvre du quatrième étage de conversion de puissance, le convertisseur tension-courant, sont également abordées.
Caractéristiques des convertisseurs à alimentation en tension
Un schéma simplifié d'un convertisseur à alimentation en tension est illustré à la Figure 1. Le convertisseur se compose d'un pont en H, de transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) Q1 à Q4, d'un transformateur de puissance T1 et de diodes redresseuses de sortie D5 à D8. La source de tension d'entrée peut être une batterie, une alimentation CC ou un bus CA redressé. Pour des raisons pratiques, le condensateur C1 est nécessaire pour assurer un bus à faible impédance aux fréquences élevées. L'inductance L1 et le condensateur C2 forment un filtre passe-bas qui élimine les composantes CA en sortie.
Avec les schémas de modulation PWM conventionnels à commutation dure, Q1 et Q4 conduisent pendant une fraction d'un demi-cycle et Q2 et Q3 conduisent pendant une fraction de l'autre demi-cycle. Cela excite le transformateur T1 de manière égale sur les demi-cycles alternés. La moyenne de la tension redressée du côté secondaire du transformateur produit une tension de sortie CC proportionnelle à la période de conduction des IGBT.
La synchronisation des convertisseurs à alimentation en tension est critique. Si les IGBT Q1, Q2 ou Q3, Q4 conduisent simultanément, le courant augmente rapidement dans les dispositifs en conduction, entraînant leur défaillance en quelques microsecondes. Pour prévenir cette condition de fonctionnement critique, les concepteurs introduisent des retards à l'amorçage dans les schémas de modulation, surveillent les courants du bus CC et détectent les conditions de conduction des dispositifs de puissance. La difficulté de la mise en œuvre réussie de ces schémas de protection réside dans le fait que les circuits doivent être à la fois réactifs aux défauts rapides et insensibles au bruit électrique. C'est un défi considérable, en particulier lorsque les niveaux de puissance sont de l'ordre de plusieurs dizaines de kilowatts.
Un problème secondaire des convertisseurs à alimentation en tension est la production de tensions continues avec des variations de tensions à l'état passant, des variations de temps de montée et de descente, et des états de commutation erronés. L'excitation d'un transformateur avec une tension continue provoque la saturation du noyau et la défaillance des dispositifs de puissance comme décrit précédemment. Les méthodes typiques pour éviter les événements catastrophiques sont l'introduction d'entrefers dans le transformateur, la mise en place de condensateurs de blocage CC en série avec l'enroulement primaire du transformateur et l'utilisation de la modulation en mode courant pour l'équilibrage du courant cycle par cycle.
Caractéristiques des convertisseurs à alimentation en courant
Les convertisseurs à alimentation en courant sont le dual électrique des convertisseurs à alimentation en tension. Comme illustré à la Figure 2, les convertisseurs à alimentation en courant se composent d'un pont en H, d'IGBT Q1 à Q4, d'un transformateur de puissance T1 et de diodes redresseuses de sortie D5 à D8. La source de courant d'entrée doit être créée à l'aide de circuits électroniques de puissance supplémentaires. Pour des raisons pratiques, l'inductance L1 est nécessaire pour assurer un bus à haute impédance aux fréquences élevées. Contrairement à un convertisseur à alimentation en tension, le filtre de sortie se compose d'un seul composant, le condensateur C1.
Les convertisseurs alimentés en courant fonctionnent dans un mode où les formes d'onde de tension et de courant sont transposées par rapport à celles des convertisseurs alimentés en tension. Le fonctionnement nécessite que les IGBT Q1 à Q4 soient modulés en PWM, mais dans ce cas, avec la contrainte que Q1, Q3 ou Q2, Q4 ne soient jamais simultanément placés dans un état non conducteur. Cette contrainte garantit que l'impédance d'entrée du pont en H est toujours finie ; autrement, une source de courant alimentant un circuit ouvert produirait une haute tension destructrice. (Il convient de noter que les contraintes imposées aux états de commutation et aux conditions de fonctionnement anormal sont le dual électrique de la topologie alimentée en tension.) La moyenne du courant redressé au secondaire du transformateur produit un courant de sortie continu proportionnel à la période de conduction des IGBT.
Le transformateur T1, excité par une forme d'onde PWM en courant, est fondamentalement insensible aux variations des tensions à l'état passant, aux variations des temps de montée et de descente, et aux états de commutation erronés. Avec les convertisseurs alimentés en courant, la saturation du noyau peut être évitée tant que l'excitation en ampères-tours reste dans les limites du fonctionnement normal, même si le courant est continu.
L'inconvénient des convertisseurs alimentés en courant réside dans le fait que les sources de courant ne sont pas couramment disponibles et que de telles sources doivent être créées à partir d'une source de tension. L'utilisation de convertisseurs abaisseurs ou de hacheurs est un choix évident en raison de leur utilisation très efficace des semi-conducteurs de puissance. Avec cette étape de conversion de puissance supplémentaire, la commande peut être placée dans le convertisseur alimenté en courant, le hacheur, ou les deux. La figure 3 montre un convertisseur de haute puissance avec un redresseur d'entrée triphasé, un hacheur, un convertisseur alimenté en courant et un redresseur de sortie.
La caractéristique innovante du convertisseur alimenté en courant combiné avec un hacheur d'entrée est sa performance dans des conditions de fonctionnement anormales. Le transformateur T1, les IGBT Q1 à Q5 et les diodes D1 à D8 peuvent tous fonctionner en état de court-circuit avec une protection au niveau du système. Dans ces conditions, le taux de montée du courant est fonction de la tension appliquée aux bornes de l'inductance L1 divisée par son inductance. L'inductance L1 est généralement dimensionnée pour maintenir un courant d'ondulation crête à crête dans une fraction de sa valeur maximale. Tant que l'arrêt du système intervient dans la période de commutation du hacheur, les courants de crête sont bien contrôlés. Permettre une période de détection de défaut prolongée permet au circuit de protection contre les défauts d'être bien filtré, assurant un déclenchement robuste et sans nuisance dans des environnements à fort bruit électrique.
Une autre caractéristique clé de la combinaison hacheur et convertisseur alimenté en courant est que chaque circuit peut protéger l'autre contre des courants anormalement élevés avec un seul schéma de détection. Un défaut dans l'étage convertisseur peut être protégé par l'arrêt du hacheur et un défaut dans l'étage hacheur peut être protégé par l'arrêt du convertisseur alimenté en courant.
Les contraintes précédentes imposées aux états de commutation du convertisseur alimenté en courant peuvent être contournées avec l'introduction de la diode de récupération D16. Ce composant fournit un chemin de retour de courant pour les IGBT Q1, Q3 ou Q2, Q4 lorsque les dispositifs sont à l'état bloqué. La diode D16 limite la tension maximale à l'état bloqué du pont en H à la tension aux bornes du condensateur C1.
Conclusion
Cet article décrit les caractéristiques générales des convertisseurs de haute puissance alimentés en tension et en courant ainsi que leur sensibilité aux variations des paramètres des composants et aux états de commutation erronés. Les convertisseurs alimentés en tension ont généralement des dispositifs de puissance connectés en série aux bornes d'un condensateur d'entrée. Des états de commutation anormaux peuvent permettre la conduction simultanée des dispositifs, provoquant une augmentation très rapide des courants. De plus, les convertisseurs alimentés en tension peuvent également produire des décalages continus qui peuvent provoquer la saturation du noyau magnétique du transformateur principal. Pour protéger les semi-conducteurs de puissance dans ces conditions, une détection de défaut à haute vitesse est nécessaire. La protection des semi-conducteurs de puissance dans des environnements à fort bruit électrique est difficile.
Les convertisseurs alimentés en courant sont le dual électrique des convertisseurs alimentés en tension et préfèrent un état de court-circuit à un état de circuit ouvert. Ces topologies ne peuvent pas créer de pics de courant à montée rapide et ne peuvent pas provoquer la saturation du noyau magnétique dans des conditions erronées. Les convertisseurs alimentés en courant fonctionnent avec la robustesse des alimentations à base de SCR, mais à haute fréquence. Les convertisseurs alimentés en courant nécessitent une étape de traitement de puissance supplémentaire qui peut être utilisée pour la commande et une protection renforcée du système.
Références
- A. I. Pressman, Switching Power Supply Design - Second Edition, New York, NY: McGraw-Hill, 1998.
- P. Wood, Switching Power Converters, New York, NY: Van Nostrand Reinhold Company, 1981.
- D. W. Shimer, A. C. Lange, J. N. Bombay, "A High-Power Switch-Mode DC Power Supply for Dynamic Loads," presented at the IEEE-IAS Annual Meeting, Oct. 1994.