FR3131812A1 - Convertisseur dc/dc pour un reseau electrique propulsif d’aeronef - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un convertisseur DC/DC (209) pour un réseau électrique propulsif d’aéronef destiné à être connecté en série avec une unité de stockage d’énergie électrique dudit réseau électrique propulsif. Le convertisseur DC/DC (209) comprend un onduleur (401), un transformateur (403), un redresseur (405) et comprend en outre une source de courant (417), connectée au redresseur (405) et configurée pour contrôler la puissance transitant par l’intermédiaire dudit convertisseur DC/DC (209). Le transformateur (403) comporte un primaire (403a) et deux secondaires (403b, 403c), les deux secondaires (403b, 403c) ayant une borne commune (407) destinée à être connectée à un bus haute tension continue (207) du réseau électrique propulsif (201) et deux autres bornes (409, 411) connectées au redresseur (405). Le redresseur (405) comporte deux bras, comprenant au moins deux transistors (415a, 415b, 415c, 415d) en série chacun et connectés, d’une part, aux deux autres bornes (409, 411) du transformateur (403) et, d’autre part, à la source de courant (417). Figure pour l'abrégé : Figure 4

Description

CONVERTISSEUR DC/DC POUR UN RESEAU ELECTRIQUE PROPULSIF D’AERONEF Domaine technique de l'invention
L’invention est relative au domaine des réseaux électriques propulsif d’aéronef et se rapporte, en particulier, à un convertisseur DC/DC pour un tel réseau.
 Arrière-plan technique
Il est connu de l’état de la technique une architecture propulsive hybride d’un aéronef, communément appelée hybridation série, qui utilise conjointement une source thermoélectrique et une unité de stockage d’énergie électrique reliées à un même bus haute tension continue (ou HVDC bus en anglais pour «High Voltage Direct Current») qui alimente des charges d’un aéronef.
Dans ce qui suit, l’acronyme DC signifie courant continu (de l’anglais «Direct Current») et l’acronyme AC signifie courant alternatif (de l’anglais «Alternative Current»).
Comme représenté sur la , une architecture propulsive hybride 101 comporte généralement :
- un moteur à combustion interne 103 piloté par une unité de contrôle 105,
- un générateur électrique 107 accouplé au moteur à combustion interne de sorte qu’en fonctionnement le moteur à combustion interne 103 entraîne le générateur électrique 107,
- un redresseur 109 relié au générateur électrique 107 et configuré pour convertir un courant alternatif (en l’espèce un courant triphasé) délivré par le générateur électrique 107 en un courant continu,
- des convertisseurs DC/AC (convertissant du courant alternatif en courant continu) 113a et 113b,
- un bus haute tension continue 111 reliant le redresseur 109 aux convertisseurs DC/AC 113a et 113b,
- des moteurs électriques 115a et 115b reliés aux convertisseurs DC/AC 113a et 113b de sorte qu’en fonctionnement les convertisseurs DC/AC 113a et 113b alimentent les moteurs électriques 115a et 115b en courant alternatif, et
- des hélices 117a et 117b accouplées aux moteurs électriques 115a et 115b de sorte qu’en fonctionnement les moteurs électriques 115a et 115b entraînent les hélices 117a et 117b.
L’architecture 101 comporte également une unité de stockage d’énergie électrique 119 (également appelée «HVDC storage» signifiant stockage haute tension continue), comme par exemple, une batterie. Cette unité de stockage électrique permet de réaliser les différentes fonctions suivantes : absorber le surplus d’énergie électrique du bus HVDC, assurer un complément d’alimentation en énergie électrique lors de phases transitoires, ou encore servir de source d’énergie principale avec le moteur thermique ou en remplacement de ce moteur thermique, en cas de défaillance par exemple. En particulier, lorsqu’un renvoi d’énergie électrique sur le bus HVDC se produit, l’unité de stockage 119 absorbe ce surplus d’énergie électrique afin de protéger les composants du bus HVDC.
Dans une telle architecture, à partir d’une source de carburant fossile, le moteur à combustion interne 103, le générateur électrique 107 et une chaine de propulsion électrique composée des convertisseurs DC/AC 113a et 113b, des moteurs électriques 115a et 115b et des hélices 117a et 117b permettent de faire voler un aéronef à multi-voilures tournantes.
Un aéronef comportant une telle architecture propulsive hybride est multi-rotors, ce qui permet d’avoir des degrés de liberté supplémentaires, par rapport aux aéronefs conventionnels, en ce qui concerne la pilotabilité de l’aéronef, par exemple, le freinage, la stratégie d’évitement, le changement de direction, ou encore le basculement des rotors.
D’autres exemples d’une architecture de ce type sont décrits dans le brevet EP-B1-3519294 et dans la demande de brevet WO-A1-2019186042 dans lesquels une pluralité de générateurs de puissance moyenne sont connectés en parallèle à un bus HVDC. En outre, dans les différentes architectures connues, les bus HVDC peuvent être également multiples ou encore connectés en réseau annulaire.
Dans tous les cas, une telle architecture peut être utilisée pour un aéronef de type VTOL (de l’anglais «Vertical take-off and Landing») ou pour un aéronef de type CTOL (de l’anglais «Conventional Take-Off and Landing»).
Dans une architecture de ce type, où les charges connectées au bus HVDC sont des moteurs électriques actionnant les hélices de l’aéronef qui fonctionnent généralement à puissance constante, il est essentiel de garder un contrôle optimal du bus HVDC pour éviter des instabilités ou encore la perte complète du bus par effondrement de la tension.
Ainsi, comme décrit plus haut, il est connu d’utiliser une unité de stockage d’énergie électrique pour permettre ce contrôle.
En outre, cette unité de stockage d’énergie électrique peut être ou non associée à un convertisseur DC/DC dont le rôle est notamment d’adapter le niveau de tension et le niveau de courant débité par l’unité de stockage.
Dans une première approche, l’unité de stockage d’énergie électrique est connectée au reste du réseau électrique propulsif sans utilisation d’un convertisseur DC/DC. On parle de connexion directe.
La connexion directe, d’une ou de plusieurs batteries (i.e. des unités de stockage d’énergie électrique) permet de minimiser la masse du réseau électrique complet. En effet, l’ajout d’un convertisseur DC/DC a un coût en termes de masse mais aussi en termes de volume, de rendement, de dissipation thermique et de complexité de contrôle.
En revanche, du fait de la nature électrochimique d’une batterie, cette configuration impose des restrictions pour protéger la batterie. En effet, la tension du réseau est imposée par la ou les batteries qui « voient » donc toutes la même tension.
De plus, le niveau de tension du réseau impacte l’état de charge de la ou des batteries. Celui-ci variant, les grandeurs électriques des batteries varient en conséquence.
Enfin, dans une configuration avec une connexion directe, l’état de charge des batteries connectées au même réseau électrique est identique. Ce qui implique que, lors de la connexion d’une batterie supplémentaire sur le réseau électrique propulsif, les tensions doivent s’équilibrer et un fort courant circule entre les batteries au cours d’un régime dit transitoire susceptible de perturber ou de dégrader le fonctionnement des éléments du réseau. L’impact de ce régime transitoire peut être limité via l’utilisation de systèmes dédiés mais ceux-ci sont potentiellement lourds et volumineux.
Une seconde approche est celle qui consiste à utiliser un convertisseur DC/DC à l’interface entre l’unité de stockage d’énergie électrique et le reste du réseau électrique propulsif.
L’ajout d’un tel convertisseur DC/DC présente des avantages multiples. Premièrement, la tension de l’unité de stockage d’énergie électrique est découplée de celle du reste du réseau électrique propulsif, ce qui permet de maintenir un niveau de tension différent entre l'unité de stockage d'énergie et celle du bus HVDC. Deuxièmement, le convertisseur DC/DC peut être élévateur et/ou abaisseur de tension, c’est-à-dire qu’il peut permettre d’augmenter ou de diminuer la tension à sa sortie par rapport à celle que l’unité de stockage d’énergie électrique lui fournit en entrée. Troisièmement, lorsque le convertisseur DC/DC est du type réversible en courant, il est en outre possible de piloter le niveau énergétique, également appelé état de charge (correspondant à l'acronyme anglais SOC pour "State of Charge") de l’unité de stockage d'énergie.
Il est ainsi possible d’utiliser plusieurs unités de stockage en parallèle, chacune disposant de son convertisseur DC/DC, indépendantes les unes des autres, et qui chacune sont protégées des variations de courants. Il est aussi possible de connecter facilement une nouvelle unité de stockage d'énergie sans risquer de provoquer un régime transitoire potentiellement néfaste.
Un tel convertisseur DC/DC à l’interface entre l’unité de stockage d’énergie électrique et le reste du réseau électrique propulsif permet aussi d’ajouter, le cas échéant, une propriété d’isolation galvanique (c’est-à-dire l’absence de liaison conductrice entre deux parties du réseau électrique). Le convertisseur DC/DC a alors une structure dite en ponts complets, par exemple une structure en ponts complets commandés connu sous l'appellation DAB, qui est l'acronyme de "Dual Active Bridge".
Toutefois, comme dit plus haut, la prise en compte de toutes ces propriétés a un coût en termes de masse, de volume, de rendement et de complexité du contrôle. En particulier, les convertisseurs DC/DC connus sont dimensionnés pour faire transiter la puissance totale de l’unité de stockage d’énergie électrique, ce qui implique nécessairement une masse importante des composants passifs et des calibres en courant/tensions (i.e. des capacités à faire transiter des courants/tensions) élevés suivant le cas d’utilisation. De plus, les rendements de tels systèmes dépassent rarement 90%.
La présente invention propose une solution à ces inconvénients.
À cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un convertisseur DC/DC pour un réseau électrique propulsif d’aéronef destiné à être connecté en série avec une unité de stockage d’énergie électrique dudit réseau électrique propulsif, ledit convertisseur DC/DC comprenant un onduleur configuré pour fournir une première tension alternative à partir d’une tension continue d’entrée issue de l’unité de stockage d’énergie électrique, un transformateur configuré pour fournir au moins une seconde tension alternative à partir de la première tension alternative et un redresseur configuré pour fournir une tension continue de sortie à partir de l’au moins une seconde tension alternative,
ledit convertisseur DC/DC étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre une source de courant, connectée au redresseur et configurée pour contrôler la puissance transitant par l’intermédiaire dudit convertisseur DC/DC,
en ce que le transformateur comporte un primaire et deux secondaires, les deux secondaires ayant une borne commune destinée à être connectée à un bus haute tension continue du réseau électrique propulsif et deux autres bornes connectées au redresseur,
et en ce que le redresseur comporte deux bras, comprenant au moins deux transistors en série chacun et connectés, d’une part, aux deux autres bornes du transformateur et, d’autre part, à la source de courant.
Le convertisseur DC/DC selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- la source de courant comprend une inductance et une unité de stockage d’énergie électrique.
- l’onduleur comprend une pluralité de transistors, de préférence quatre transistors de type MOSFET ou de type IGBT.
- les transistors présentent une fréquence de découpage supérieure à quelques dizaines de kHz, avantageusement de l'ordre ou supérieure à une centaine de kHz.
- le transformateur est configuré pour abaisser l’au moins une seconde tension alternative par rapport à la première tension alternative.
- le transformateur est de type planaire ou de type bobiné.
- le transformateur est configuré pour réaliser une isolation galvanique entre le primaire et les deux secondaires dudit transformateur.
- le redresseur comprend quatre transistors avec deux transistors connectés en série à chaque secondaire du transformateur, lesdits transistors étant de type MOSFET.
- les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont communes.
- les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont distinctes.
- des diodes, connectées en parallèle aux transistors, sont configurées pour protéger lesdits transistors de surtensions.
- au moins un filtre, de préférence de type filtre RC, est connecté entre le transformateur et le redresseur.
- un filtre, de préférence de type filtre RC, est connecté aux bornes de chaque bras du redresseur, en parallèle aux transistors.
L’invention concerne également, selon un second aspect, un réseau électrique propulsif d’aéronef comprenant au moins une source thermoélectrique et une unité de stockage d’énergie électrique configurées pour fournir de l’énergie électrique à un bus haute tension continue destiné à alimenter des charges, ledit réseau électrique propulsif d’aéronef comprenant en outre un convertisseur DC/DC selon le premier aspect.
Le réseau électrique propulsif selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- l’unité de stockage d’énergie électrique est une source de courant électrolytique, comme par exemple une supercapacité, ou une source de courant électrochimique, comme par exemple une batterie.
- le réseau électrique propulsif comprend en outre un contacteur configuré pour connecter directement, lorsqu’il est activé, un potentiel haut du bus haute tension continue avec un potentiel haut de l’unité de stockage d’énergie électrique.
L’invention concerne enfin, selon un troisième aspect, un aéronef comprenant un réseau électrique propulsif selon le second aspect.
Brève description des figures
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d’un exemple donné à titre illustratif et non limitatif de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’une architecture propulsive hybride d’un aéronef selon l’art antérieur ;
la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ;
la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ;
la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un convertisseur DC/DC d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ;
la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un convertisseur DC/DC d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ;
la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un convertisseur DC/DC d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ;
la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un convertisseur DC/DC d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ;
la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un convertisseur DC/DC d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ;
la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un convertisseur DC/DC d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ;
la est un exemple d’une séquence de commande de transistors d’un onduleur d’un convertisseur DC/DC selon l’invention et d’une tension alternative générée par l’onduleur en réponse à cette séquence de commande ; et
la est un exemple de tensions obtenues aux bornes des deux bras d’un redresseur d’un convertisseur DC/DC selon l’invention à partir de la tension générée par l’onduleur dans l’exemple représenté à la .
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différents modes de réalisation ont les mêmes références dans les figures.
 Description détaillée de l'invention
En référence à la et à la , nous allons maintenant décrire un réseau électrique propulsif d’aéronef 201 selon l’invention.
Le réseau électrique propulsif 201 comprend au moins une source thermoélectrique 203 et une unité de stockage d’énergie électrique 205 qui sont configurées pour fournir de l’énergie électrique à un bus haute tension continue (HVDC) 207.
Dans l’exemple représenté, la source thermoélectrique 203 comprend un moteur à combustion interne 203a, un générateur électrique 203b accouplé au moteur à combustion interne 203a et un redresseur 203c relié au générateur électrique 203b. La source thermoélectrique 203 délivre un courant continu au bus HVDC 207.
Le bus HVDC 207 est destiné à alimenter des charges (non-représentées) comme par exemple des moteurs électriques d’un aéronef. L’aéronef concerné peut être un aéronef de type VTOL ou de type CTOL. L’invention est notamment bien adaptée à des aéronefs dont la masse est inférieure à 5 tonnes et qui présentent une puissance mécanique embarquée comprise entre 50 et 2000 kW.
Le réseau électrique propulsif 201 d’aéronef comprend également un convertisseur DC/DC 209 (pour courant continu/courant continu), connecté en série avec l’unité de stockage d’énergie électrique 205, à l’interface entre l’unité de stockage d’énergie électrique 205 (également appelée «HVDC storage») et le bus HVDC 207.
De manière habituelle, un ou plusieurs condensateurs 211 sont prévus en sortie de la source thermoélectrique 203 et du convertisseur DC/DC 209. Ces condensateurs ont pour effet que les charges connectées sur le bus HVDC, c’est-à-dire l'ensemble des onduleurs et des moteurs entrainant les hélices, voient bien des sources de tension.
Dans les différents modes de réalisation du réseau électrique propulsif 201, l’unité de stockage d’énergie électrique 205 peut être une source de courant électrolytique, comme par exemple une supercapacité, ou une source de courant électrochimique, comme par exemple une batterie. Dans ces deux cas, l’unité de stockage d’énergie se comporte, aux cours de différentes phases de fonctionnement, comme une source d’énergie (i.e. en mode source) ou comme une charge (i.e. en mode charge). En outre, l’invention s’applique aussi à une unité de stockage d’énergie se comportant uniquement comme une source d'énergie non réversible tel qu’un panneau solaire ou encore un pile.
Une source du type supercapacité a comme caractéristique d'être capable de fournir des pics de puissance, c’est-à-dire une forte puissance pendant un laps de temps très court. Par exemple, les supercapacités sont très utiles pour répondre en régime transitoire à de forts appels de puissance qui peuvent être associés à une phase de décollage de l’aéronef. Elles ne sont en revanche pas adaptées a un besoin de puissance sur un temps long. Les supercapacités sont par ailleurs capables de supporter un très grand nombre de cycles de charge/décharge.
A l'inverse, une batterie n’est pas adaptée pour répondre à des pics de puissance. Elle est apte à fournir une puissance moyenne sur un temps long. Une batterie permet de disposer d’une grande autonomie en énergie. Par contre elle supporte un moins grand nombre de cycles de charge/décharge.
Outre la pluralité d’éléments constituant le convertisseur DC/DC 209 regroupés dans l’ensemble 215, décrits en détail plus loin en référence aux figures 4 à 9, le convertisseur DC/DC 209 selon l’invention comprend une inductance 213 connectée à la sortie de cet ensemble 215 d’une part et à la borne positive de l’unité de stockage 205 d’autre part, pour piloter le courant entre l’unité de stockage 205 et le bus HVDC 207.
En particulier, l’inductance 213 forme avec l’ensemble 215 un convertisseur dit de puissance partiel (ou PPC de l’anglais «Partial Power Converter») qui permet, selon les cas d’usage, de ne pas transférer toute la puissance émise par l’unité de stockage 205 vers le bus HVDC 207.
Dans les exemples représentés à la et à la , c’est l’association de l’inductance 213 connectée à l’unité de stockage 205 qui permet de contrôler le niveau du courant transitant entre l’unité de stockage 205 et le bus HVDC 207. Toutefois, dans d’autres modes de réalisation (non-représentés), cette fonction peut être obtenue par l’association de cette même inductance 213 connectée en sortie de l’ensemble 215 avec une autre unité de stockage d’énergie du réseau électrique propulsif 201.
Dans tous les cas, une inductance et une unité de stockage d’énergie connectées l’une à l’autre réalisent la fonction de pilotage du courant qui transite entre l’unité de stockage 205 et le bus HVDC 207.
En outre, l’utilisation de cette inductance permet, lors d’une phase au cours de laquelle l’unité de stockage 205 se charge, que la majorité de la puissance transitant du bus HVDC vers l’unité de stockage peut transiter par ladite inductance. Ainsi, dans ce cas, le rendement de l’ensemble est proche de 1.
En outre, dans un mode de réalisation particulier, le réseau électrique propulsif 201 peut également comprendre un contacteur (non-représenté) configuré pour connecter directement, lorsqu’il est activé, un potentiel haut du bus HVDC 207 avec un potentiel haut de l’unité de stockage d’énergie électrique 205.
Avantageusement, ce contacteur permet de connecter directement l’unité de stockage d’énergie électrique 205 au bus HVDC 207 de sorte qu’une éventuelle défaillance du convertisseur DC/DC 209 n’entraine pas la perte de l’unité de stockage d’énergie électrique 205 ou du bus HVDC 207.
En référence à la , nous allons maintenant décrire un mode de réalisation d’un convertisseur DC/DC pour un réseau électrique propulsif d’aéronef. Le convertisseur DC/DC 209 décrit est destiné à être connecté en série avec une unité de stockage d’énergie électrique d’un réseau électrique propulsif tel que l’unité de stockage d’énergie électrique 205 du réseau électrique propulsif 201 décrit en référence à la .
Dans l’exemple représenté, le convertisseur DC/DC 209 comprend un onduleur 401 configuré pour fournir une tension alternative à partir d’une tension continue dite tension d’entrée qui est fournie par l’unité de stockage d’énergie électrique.
L’onduleur 401 est un onduleur monophasé c’est-à-dire qu’il reçoit un courant électrique alternatif sur une ligne de transmission constituée de deux fils parallèles, à savoir, respectivement, une ligne qui comprend les transistors 413a et 413c et une ligne qui comprend les transistors 413b et 413d.
Dans l’exemple représenté, l’onduleur comprend quatre transistors 413a, 413b, 413c et 413d répartis sur deux lignes de deux transistors en série. Toutefois, l’homme du métier appréciera que l’invention s’applique à un onduleur comprenant un nombre de transistors supérieur à deux sur chacune des deux lignes.
Il peut s’agir, par exemple, de transistors de type MOSFET (de l’anglais «Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor» signifiant transistor à effet de champ à grille métal-oxyde) ou encore de transistors de type IGBT (de l’anglais «Insulated Gate Bipolar Transistor» signifiant transistor bipolaire à grille isolée).
Dans un mode de réalisation avantageux, les transistors de l'onduleur, 413a, 413b, 413c et 413d illustrés en , sont réalisés dans un matériau permettant d’obtenir une fréquence de découpage élevée comme par exemple du SiC (Carbure de Silicium) ou encore du GaN (Nitrure de Gallium). De cette façon la taille des composants magnétiques (transformateurs et inductance) sont avantageusement plus petits et le volume de l’onduleur est minimisé.
De plus, l'utilisation d'une fréquence de découpage élevée, c’est-à-dire typiquement supérieure à quelques dizaines de kHz, voire de l'ordre ou supérieure à une centaine de kHz, permet d’augmenter la fréquence du signal découpé (le courant ou la tension en sortie des étages onduleur et redresseur) et aussi d’améliorer son contrôle (contrôle du courant et de la tension).
A titre d'exemple, avec des transistors de type IGBT on peut utiliser une fréquence de découpage allant jusqu'à 30 ou 40kHz. Avec des transistors en matériau dit à grand gap tel que SiC ou GaN, il est possible d’aller au-delà. Par exemple, il est possible d’obtenir des fréquences de découpage de l'ordre de 100-200kHz.
Le convertisseur DC/DC 209 comprend également un transformateur 403 configuré pour générer au moins une tension alternative à partir de la tension alternative fournie en sortie de l’onduleur 401.
Dans l’exemple représenté, le transformateur 403 est dit abaisseur dans la mesure où il est configuré pour générer une tension plus faible en sortie qu’en entrée. En effet, la tension issue de l’unité de stockage d’énergie électrique utilisée est largement supérieure à la tension nécessaire pour garantir le contrôle du courant circulant entre l’unité de stockage d’énergie électrique et le bus HVDC, ce qui constitue un objectif de l’utilisation du convertisseur DC/DC comme décrit plus loin.
Toutefois, dans certains modes de réalisation de l’invention, il est possible d’utiliser un transformateur dit élévateur, en fonction notamment du caractère réversible ou non de l’unité de stockage d’énergie électrique utilisée à laquelle le convertisseur DC/DC est connecté. En effet, classiquement, l’unité de stockage d’énergie électrique à une tension nominale supérieure à la tension du réseau pour permettre une facilité dans le contrôle du flux de puissance allant de l’unité de stockage au réseau. Toutefois, dans certains cas d’usage mois classique, la source a une tension plus faible et il est nécessaire de la coupler avec un transformateur élévateur pour permettre de bien transférer la puissance de la source vers le réseau. Dans tous les cas, l’architecture est fixe et le type de transformateur utilisé est déterminé au préalable.
Par ailleurs, dans les différents modes de réalisation du convertisseur DC/DC, le transformateur peut être de type planaire ou de type bobiné.
En outre, dans l’exemple représenté du convertisseur DC/DC 209, le transformateur 403 comporte un primaire 403a et deux secondaires 403b et 403c. Avantageusement, le transformateur peut être configuré pour réaliser une isolation galvanique entre le primaire 403a et les deux secondaires 403b et 403c.
Les deux secondaires 403b et 403c ont une borne commune 407 qui est destinée à être connectée directement au bus HVDC 207 et deux autres bornes 409 et 411 qui sont connectées aux deux bras d’un redresseur 405 décrit ci-après.
En effet, le convertisseur DC/DC 209 comprend également un redresseur 405 configuré pour fournir une tension continue de sortie à partir d’une ou plusieurs tensions alternatives issues du transformateur 403.
Comme il apparaîtra plus en détail dans ce qui suit, le redresseur 405 est un redresseur dit de type quatre quadrants. En particulier, cela signifie que son architecture, associée à la manière dont il est (ou peut être) commandé, a la capacité à fournir en sortie une tension négative ou positive (i.e. d’être abaisseur ou élévateur) et également la capacité à faire circuler un courant de l’unité de stockage d’énergie électrique vers le bus HVDC ou inversement.
Autrement dit, tous les degrés de pilotage sont rendus possibles et il est possible de charger ou décharger l’unité de stockage avec une tension de batterie inférieure ou supérieure à la tension du bus HVDC.
Dans l’exemple représenté, le redresseur 405 comprend quatre transistors 415a, 415b, 415c et 415d qui peuvent être également, par exemple, de type MOSFET ou de type IGBT. Comme dans le cas de l’onduleur, le redresseur représenté comprend deux lignes (deux bras) de deux transistors en série. Toutefois, l’invention s’applique également à un redresseur comprenant un nombre de transistors plus élevé par ligne.
Enfin, comme décrit plus haut en référence à la et à la , le convertisseur DC/DC 209 comprend également une source de courant 417, connectée à la borne commune 407, qui est constituée, d’une part, d’une inductance et, d’autre part, soit de l’unité de stockage 205, soit d’une autre unité de stockage.
C’est cette source de courant 417 qui permet de contrôler la puissance qui transite depuis l’unité de stockage 205 vers le bus HVDC 207. En particulier, l’utilisation de la source de courant 417 permet d’imposer une tension en sortie du convertisseur DC/DC qui régule le courant transitant entre l’unité de stockage électrique et le bus HVDC et, le cas échéant, maintient un niveau de tension différent entre l’unité de stockage d’énergie électrique et le bus HVDC. Le convertisseur DC/DC 209 est donc dit à puissance partielle du fait de sa capacité à ne faire transiter qu’une partie de la puissance fournie par l’unité de stockage à laquelle il est connecté.
En conséquence, le convertisseur DC/DC permet de piloter l’état de charge de l’unité de stockage d’énergie électrique indépendamment de la tension du bus HVDC et de contrôler le courant transitoire aux bornes de l’unité de stockage d’énergie électrique. Ce dernier point permet de préserver l’intégrité de l’unité de stockage d’énergie électrique et d’éviter les emballements thermiques susceptibles de la dégrader.
En outre, l’invention s’applique aussi à un réseau électrique propulsif qui comprend plusieurs unités de stockage d’énergie électrique en parallèle disposant chacune d’un convertisseur DC/DC tel que celui décrit.
Avantageusement un tel convertisseur DC/DC peut être dimensionné pour la plage de fonctionnement de l’unité de stockage d’énergie électrique, c’est-à-dire en fonction des calibres de courant et tension.
Avantageusement également, le convertisseur DC/DC permet d’égaliser la tension de l’unité de stockage d’énergie électrique et celle du bus HVDC tout en régulant le courant circulant entre les deux. Ainsi le réseau électrique propulsif peut être reconfiguré (i.e. une unité de stockage d’énergie électrique peut être ajoutée ou retirée) sans endommager ou solliciter une unité de stockage d’énergie électrique déjà utilisée.
Ensuite, lorsque la tension de l’unité de stockage d’énergie électrique et celle du bus HVDC sont proches, le rendement du convertisseur DC/DC est proche de 100% puisque dans ce cas, aucun courant ne circule entre l’unité de stockage d’énergie électrique et le bus HVDC.
Les figures 4 à 9 présentent différents modes de réalisation d’un convertisseur DC/DC pour un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention. Ces figures illustrent notamment plus en détail plusieurs exemples d’architecture du redresseur 405 du convertisseur DC/DC 209.
En particulier, à la , les transistors 415a et 415b du redresseur 405 sont connectés en série au secondaire 403b et les transistors 415c et 415d du redresseur 405 sont connectés en série au secondaire 403c du transformateur 403. En outre, dans cet exemple, les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont communes. Avantageusement, cette configuration permet de limiter le nombre de signaux requis pour la commande du redresseur.
A contrario, dans l’exemple représenté à la , les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont distinctes. Avantageusement, cette configuration permet d’augmenter les possibilités de commande du redresseur (en rendant possible une commande distincte de chaque transistor).
Dans les exemples représentés à la et à la , des diodes 419 connectées en parallèle aux transistors 415a, 415b, 415c et 415d sont configurées pour protéger les transistors 415a, 415b, 415c et 415d de surtensions éventuelles. En outre, dans le premier cas, les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont communes et, dans le second cas, les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont distinctes.
Enfin, dans les exemples représentés à la , à la et à la , un ou plusieurs filtres 421 sont connectés à des bornes du redresseur.
Par exemple, un ou plusieurs filtres peuvent être connectés entre le transformateur et le redresseur ou encore entre les deux drains de deux transistors de type MOSFET sur chaque bras du redresseur, en parallèle aux transistors.
Ces filtres 421 permettent d’éliminer certaines fréquences non désirées de la tension qui parvient au redresseur 405. En l’espèce, les filtres utilisés sont de type RC c’est-à-dire utilisant l’association d’une résistance et d’un condensateur connectés en série pour filtrer certaines fréquences.
La et la montrent un exemple de commande appliquée à un convertisseur DC/DC selon l’invention et la tension obtenue en sortie du convertisseur à partir d’une telle commande.
En particulier, la montre, dans sa partie gauche, un exemple d’une séquence de commande des transistors d’un onduleur d’un convertisseur DC/DC tel que celui représenté à la . La séquence de commande correspond à une séquence de tensions appliquées, en fonction du temps (en abscisse) aux quatre transistors de l’onduleur. Par exemple, les tensions représentées peuvent être envoyés sur les bornes G (pour grille) et S (pour Source) d’un transistor de type MOSFET ou G et E (pour émetteur) d’un transistor de type IGBT.
En particulier, les références Q1, Q2, Q3 et Q4 correspondent respectivement aux transistors 413a, 413b, 413c et 413d de la . Chaque tension de commande est un signal carré passant d’une valeur nulle à une valeur positive (normalisée à 1 dans l’exemple) et ayant pour effet, respectivement, que le transistor se comporte comme un interrupteur ouvert ou fermé.
La partie de droite de la montre, la tension qui résulte de cette séquence de commande et qui est appliquée au primaire du transformateur (appelée tension primaire) du convertisseur DC/DC.
La montre des exemples de tensions obtenues aux bornes des deux bras d’un redresseur d’un convertisseur DC/DC tel que celui décrit en référence à la à partir de la tension générée par l’onduleur selon l’exemple donné à la .
En particulier, la courbe du haut reprend la tension primaire obtenue à partir de la séquence de commande appliquée à l’onduleur telle que décrite en référence à la .
La courbe du milieu et la courbe du bas montrent les tensions obtenues aux bornes des deux bras du redresseur du convertisseur DC/DC (qui sont respectivement connectés aux deux secondaires du transformateur du convertisseur) à partir de cette tension primaire. En particulier, la tension K1 correspond à la tension obtenue aux bornes de la ligne de deux transistors en série 415a et 415b tandis que la tension K2 correspond à la tension obtenue aux bornes de la ligne de deux transistors en série 415c et 415d.
Finalement, grâce au type de convertisseur DC/DC utilisé à l’interface entre l’unité de stockage d’énergie électrique et le reste du réseau électrique propulsif, il est possible, pour le réseau électrique propulsif, de générer des puissances moyennes élevées sur une durée importante, de générer de fortes puissances électriques instantanées et de faire en sorte d’être le plus compact possible en termes de masse et de volume.

Claims (17)

  1. Convertisseur DC/DC (209) pour un réseau électrique propulsif (201) d’aéronef destiné à être connecté en série avec une unité de stockage d’énergie électrique (205) dudit réseau électrique propulsif (201), ledit convertisseur DC/DC (209) comprenant un onduleur (401) configuré pour fournir une première tension alternative à partir d’une tension continue d’entrée issue de l’unité de stockage d’énergie électrique (205), un transformateur (403) configuré pour fournir au moins une seconde tension alternative à partir de la première tension alternative et un redresseur (405) configuré pour fournir une tension continue de sortie à partir de l’au moins une seconde tension alternative,
    ledit convertisseur DC/DC (209) étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre une source de courant (417), connectée au redresseur (405) et configurée pour contrôler la puissance transitant par l’intermédiaire dudit convertisseur DC/DC (209),
    en ce que le transformateur (403) comporte un primaire (403a) et deux secondaires (403b, 403c), les deux secondaires (403b, 403c) ayant une borne commune (407) destinée à être connectée à un bus haute tension continue (207) du réseau électrique propulsif (201) et deux autres bornes (409, 411) connectées au redresseur (405),
    et en ce que le redresseur (405) comporte deux bras, comprenant au moins deux transistors (415a, 415b, 415c, 415d) en série chacun et connectés, d’une part, aux deux autres bornes (409, 411) du transformateur (403) et, d’autre part, à la source de courant (417).
  2. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 1, dans lequel la source de courant (417) comprend une inductance (213) et une unité de stockage d’énergie électrique.
  3. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel l’onduleur (401) comprend une pluralité de transistors (413a, 413b, 413c, 413d), de préférence quatre transistors de type MOSFET ou de type IGBT.
  4. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 3, dans lequel les transistors (413a, 413b, 413c, 413d) présentent une fréquence de découpage supérieure à quelques dizaines de kHz, avantageusement de l'ordre ou supérieure à une centaine de kHz.
  5. Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le transformateur (403) est configuré pour abaisser l’au moins une seconde tension alternative par rapport à la première tension alternative.
  6. Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le transformateur (403) est de type planaire ou de type bobiné.
  7. Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le transformateur (403) est configuré pour réaliser une isolation galvanique entre le primaire (403a) et les deux secondaires (403b, 403c) dudit transformateur (403).
  8. Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le redresseur (405) comprend quatre transistors (415a, 415b, 415c, 415d) avec deux transistors connectés en série à chaque secondaire du transformateur, lesdits transistors étant de type MOSFET.
  9. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 8, dans lequel les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont communes.
  10. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 8, dans lequel les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont distinctes.
  11. Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 8 à 10, dans lequel des diodes (419), connectées en parallèle aux transistors, sont configurées pour protéger lesdits transistors de surtensions.
  12. Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel au moins un filtre (421), de préférence de type filtre RC, est connecté entre le transformateur et le redresseur.
  13. Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel un filtre (421), de préférence de type filtre RC, est connecté aux bornes de chaque bras du redresseur (405), en parallèle aux transistors (415a, 415b, 415c, 415d).
  14. Réseau électrique propulsif (201) d’aéronef comprenant au moins une source thermoélectrique (203) et une unité de stockage d’énergie électrique (205) configurées pour fournir de l’énergie électrique à un bus haute tension continue (207) destiné à alimenter des charges, ledit réseau électrique propulsif (201) d’aéronef comprenant en outre un convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications précédentes.
  15. Réseau électrique propulsif (201) d’aéronef selon la revendication 14, dans lequel l’unité de stockage d’énergie électrique (205) est une source de courant électrolytique, comme par exemple une supercapacité, ou une source de courant électrochimique, comme par exemple une batterie.
  16. Réseau électrique propulsif (201) d’aéronef selon l’une des revendications 14 ou 15, comprenant en outre un contacteur configuré pour connecter directement, lorsqu’il est activé, un potentiel haut du bus haute tension continue (207) avec un potentiel haut de l’unité de stockage d’énergie électrique (205).
  17. Aéronef comprenant un réseau électrique propulsif (201) selon l’une quelconque des revendications 14 à 16.
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