WO2010000979A1 - Circuit d'amortissement actif pour un circuit electrique de decoupage - Google Patents

Circuit d'amortissement actif pour un circuit electrique de decoupage Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a damping circuit (commonly referred to as "snubber") for a chopper circuit such as those used in inverters for supplying electrical energy to electronic equipment.
  • a damping circuit commonly referred to as "snubber”
  • chopper circuit such as those used in inverters for supplying electrical energy to electronic equipment.
  • An inverter generally comprises a switching circuit comprising pairs of switching transistors which are connected to one another in series. These pairs of switching transistors are connected in parallel to a first line and a second line. The first line is at a supply potential and the second line is grounded.
  • Such inverters are subject to thermal stresses and subject to rapid overvoltages and voltage variations which stress the components.
  • a damping circuit comprising a capacitive element and a charging diode of the capacitive element which are connected to one another in series and which are connected in parallel with one of the switching transistors of each pair of switching transistors.
  • the damping circuit further comprises a resistor having a first end connected to a connection point located between the charge diode and the capacitive element and a second end connected to the first line.
  • An object of the invention is to provide a means for improving the performance of chopper circuits equipped with damping circuits.
  • a damping circuit for a switching circuit comprising at least one switching transistor having terminals connected to a first line and to a second line, the first line being at a potential of power supply and the second line being grounded, the damping circuit comprising a capacitive element and a charging diode of the capacitive element which are connected to one another in series and which are connected in parallel with the transistor cutting.
  • the damping circuit comprises an inductive element having a first end connected to a connection point located between the charging diode and the capacitive element and a second end connected to one of the lines.
  • the energy stored in the capacitive element is reinjected into the first line via the inductive element. This makes it possible to reduce the energy losses generated by the switching of the switching transistor in its off state.
  • the damping circuit comprises a driving transistor which is connected to the second end of the inductive element and to the other of the lines and which has a conductive state for charging the inductive element and a blocked state for discharging the inductive element.
  • the control transistor makes it possible to control the restitution of the energy recovered to the first line.
  • the driving transistor is controlled to move from its conducting state to its locked state before a complete charging of the inductive element and, preferably, the driving transistor is controlled to go from its conducting state to its off state when the voltage in the capacitive element reaches approximately half of the supply potential.
  • the discharge of the capacitive element is accelerated by a driving effect decreasing the transfer time, which makes it possible to increase the switching frequency.
  • the current in the inductive element is also limited.
  • a protection transistor is connected in series between the charge diode and the capacitive element.
  • the protective transistor makes it possible to avoid the accidental passage of the power supply energy into the inductive element.
  • a diode is connected in parallel with the capacitive element between the first end of the inductive element and the second line.
  • This diode makes it possible to avoid recharging the capacitive element by the energy coming from the inductive element at the end of the transfer of energy between the inductive element and the supply line.
  • FIG. 1 is a diagrammatic view of part of a cutting circuit equipped with a damping circuit according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a partial view of a variant of FIG. realization of the damping circuit
  • FIG. 3 is a view similar to FIG. 1 of a cutting circuit equipped with a damping circuit according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a view similar to Figure 2 of an alternative embodiment of this damping circuit.
  • the invention is here described in application to an inverter connected in known manner to a distribution network of a current supplied by an alternator connected to a motor.
  • the inverter comprises a supply line 1 at a supply potential V O nd and a ground line 2 (at a potential 0 volts) between which is mounted a cutting circuit known per se.
  • the switching circuit comprises pairs of two switching transistors 3, 4 which are connected in series with each other.
  • the pairs of switching transistors 3, 4 (only one of which is shown here) are connected in parallel with the supply line 1 and the ground line 2.
  • the switching transistors 3, 4 are of the IGBT type English "Insulated Gate Bipolar Transistor", insulated gate bipolar transistor) and have a gate connected to a sequencer type control circuit.
  • the switching circuit is associated with a damping circuit comprising a capacitive element 7 connected in series with a charging diode 6 of the capacitive element 7.
  • the charging diode 6 and the capacitive element 7 are connected in parallel with the switching transistor 4. More precisely, the charging diode 6 is connected to the connection point of the switching transistors 3 and 4, and the capacitive element 7 is connected to the ground.
  • the damping circuit comprises a boost line connected, on the one hand, to the point of connection of the charging diode 6 and the capacitive element 7 and, on the other hand, to the supply line 1.
  • the booster line comprises in series an inductive element 8 having a first end connected to the connection point of the capacitive element 7 and the load diode 6 and a second end connected to a diode 9 itself connected to a diode 10 connected to the supply line 1.
  • a driving transistor 11 is connected, on the one hand, to the boost line, between the diodes 9 and 10, and, on the other hand, to the ground line 2 to extend in parallel with the capacitive element 7.
  • the driving transistor 11 is a field effect transistor of the MOSFET type whose gate is connected to the control circuit 5.
  • the capacitive element 7 recovers the energy associated with switching the switching transistor 4 from its conducting state to its off state and maintains a substantially zero voltage across its terminals at the moment of switching. The capacitive element 7 thus facilitates switching of the switching transistor 4 from its conducting state to its off state.
  • the charging diode 6 provides the unidirectional charging of the capacitive element 7.
  • the switching transistor 4 When the switching transistor 4 is returned to its conductive state, and the control transistor 11 is brought into its conducting state, the energy is transferred from the capacitive element 7 to the undue element. This energy transfer makes it possible to initiate a current in the inductive element 8 so as to initiate the boost mode when the driving transistor 11 is brought to its off state.
  • the transfer of the energy is done via the inductive element 8, the charge diode 6, the diode 9 and the diode 10.
  • the current in the inductive element 8 describes a discharge line.
  • the transfer of the energy is done via a resonant system formed of the capacitive element 7 and the inductive element 8 and via the charging diode 6, the diode 9 and the diode 10.
  • the driving transistor 11 is brought into its blocking state when the voltage in the capacitive element 7 reaches about half of the supply voltage.
  • the inductive element 8 ensures the transfer of energy from the capacitive element 7 to the supply line 1, after the switching transistor 4 has been switched from its off state to its conducting state.
  • the diode 9 prevents the current reversal in the inductive element 8, and therefore the recharging of the capacitive element 7, at the end of transfer of the energy of the inductive element 8 to the supply line 1.
  • a protective transistor 12 is connected between the charging diode 6 and the capacitive element 7 and is controlled by the control circuit 5 to prevent deterioration of the components of the circuit if the driving transistor 11 is brought into its conductive state while the switching transistor 4 is in its off state (transfer of the energy from the supply line 1 to the driving transistor 11 via the charging diode 6, the inductive element 8 and the diodes 9, 10).
  • a diode 13 is connected in parallel with the capacitive element 7 between the first end of the inductive element 8 and the ground line 2.
  • FIG. 3 representing a second embodiment.
  • the damping circuit is connected to the power supply line 1 and is arranged in parallel with the switching transistor 3 instead of being connected to the ground line 2 and arranged in parallel with the switching transistor. 4 as shown in FIG.
  • the damping circuit comprises a capacitive element 7 connected in series with a charging diode 6 of the capacitive element 7.
  • the charging diode 6 and the capacitive element 7 are connected in parallel with the switching transistor 3. More precisely, the charging diode 6 is connected to the connection point of the switching transistors 3 and 4, and the capacitive element 7 is connected to it at the supply line 1.
  • the damping circuit comprises a boost line connected, on the one hand, to the point of connection of the charge diode 6 and the capacitive element 7 and, on the other hand, to the ground line 2.
  • the line boost comprises in series an inductive element 8 having a first end connected to the connection point of the capacitive element 7 and the load diode 6 and a second end connected to a diode 9 itself connected to a diode 10 connected to the mass line 2.
  • a driving transistor 11 is connected, on the one hand, to the boost line, between the diodes 9 and 10, and, on the other hand, to the supply line 1 to extend in parallel with the element capacitive 7.
  • a protection transistor 12 is mounted between the charging diode 6 and the capacitive element 7 and is controlled by the control circuit 5 to prevent deterioration of the components of the circuit if the driving transistor 11 is brought into its conductive state while the switching transistor 3 is in its off state (transfer of the energy from the supply line 1 to the driving transistor 11 via the diode of load 6, the inductive element 8 and the diodes 9, 10).
  • a diode 13 is connected in parallel with the capacitive element 7 between the first end of the inductive element 8 and the supply line 1.
  • the damping circuit may have a different structure from that described and in particular be devoid of driving transistor or diodes. If the inverter is connected to a three-phase alternating current source, it comprises three pairs of transistors or two pairs of transistors if it is connected to a two-phase current source (only one transistor pair has been shown here for clarity). diagrams).
  • Transistors 11, 12 and diodes 9, 10, 13 are optional.

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Abstract

Circuit d'amortissement pour circuit de découpage comportant au moins un transistor (3, y) de découpage ayant ""des bornes reliées à une première.ligne (1) et à une deuxième ligne (2), la première ligne (1) étant à un potentiel d'alimentation et la deuxième ligne (2) étant à la masse, le circuit d'amortissement comportant un élément capacitif (7) et une diode (6) de charge de l'élément capacitif (7) gui sont reliés l'un à l'autre en série et qui sont montés en parallèle du transistor de découpage (3,4), le circuit d'amortissement comprenant un élément inductif (8) ayant une première extrémité reliée à un point de raccordement situé entre la diode (6) de charge et l'élément capacitif (7) et une deuxième extrémité reliée à l'une des lignes (1,2).

Description

Circuit d'amortissement actif pour un circuit électrique de découpage
La présente invention concerne un circuit d'amortissement (couramment désigné par le mot anglais "snub- ber") pour un circuit de découpage tel que ceux utilisés dans les onduleurs servant à l'alimentation en énergie électrique d'équipements électroniques.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Un onduleur comprend généralement un circuit de découpage comportant des paires de transistors de découpage qui sont reliés l'un à l'autre en série. Ces paires de transistors de découpage sont reliées en parallèle à une première ligne et une deuxième ligne. La première ligne est à un potentiel d'alimentation et la deuxième ligne est à la masse. De tels onduleurs sont soumis à des contraintes thermiques et sujets à des surtensions et à des variations de tension rapides qui stressent les composants .
Pour remédier à ces inconvénients, il est connu d'associer au circuit de découpage un circuit d'amortissement comportant un élément capacitif et une diode de charge de l'élément capacitif qui sont reliés l'un à l'autre en série et qui sont montés en parallèle d'un des transistors de découpage de chaque paire de transistors de découpage. Le circuit d'amortissement comprend en outre une résistance ayant une première extrémité reliée à un point de raccordement situé entre la diode de charge et l'élément capacitif et une deuxième extrémité reliée à la première ligne. Ainsi, lorsque le transistor de découpage passe de son état conducteur a son état bloqué, la perte d'énergie résultant de la commutation est récupérée via la diode dans l'élément capacitif qui permet de maintenir une tension nulle aux bornes du transistor. Lorsque le transistor de découpage est commandé dans son état conducteur l'énergie emmagasinée dans l'élément capacitif est dissipée dans la résistance. Un circuit de découpage équipé d'un tel circuit d'amortissement présente cependant un rendement médiocre .
OBJET DE L'INVENTION
Un but de 1 ' invention est de fournir un moyen permettant d'améliorer le rendement des circuits de découpage équipés de circuits d'amortissement.
RESUME DE L ' INVENTION
A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un circuit d'amortissement pour circuit de découpage comportant au moins un transistor de découpage ayant des bornes reliées à une première ligne et à une deuxième ligne, la première ligne étant à un potentiel d'alimentation et la deuxième ligne étant à la masse, le circuit d'amortissement comportant un élément capacitif et une diode de charge de l'élément capacitif qui sont reliés l'un à l'autre en série et qui sont montés en parallèle du transistor de découpage. Le circuit d'amortissement comprend un élément inductif ayant une première extrémité reliée à un point de raccordement situé entre la diode de charge et l'élément capacitif et une deuxième extrémité reliée à l'une des lignes.
Ainsi, l'énergie stockée dans l'élément capacitif est réinjectée dans la première ligne via l'élément inductif. Ceci permet de réduire les pertes d'énergie engendrées par la commutation du transistor de découpage dans son état bloqué.
De préférence, le circuit d'amortissement comprend un transistor de pilotage qui est relié à la deuxième extrémité de l'élément inductif et à l'autre des lignes et qui possède un état conducteur pour charger l'élément inductif et un état bloqué pour décharger l'élément inductif.
Le transistor de pilotage permet de commander la restitution de l'énergie récupérée vers la première ligne .
Avantageusement, le transistor de pilotage est commandé pour passer de son état conducteur a son état bloqué avant une charge complète de l'élément inductif et, de préférence, le transistor de pilotage est commandé pour passer de son état conducteur à son état bloqué lorsque la tension dans l'élément capacitif atteint environ la moitié du potentiel d'alimentation.
En déchargeant l'élément inductif avant la fin de la décharge de l'élément capacitif, on accélère la décharge de l'élément capacitif par un effet d'entraînement diminuant le temps de transfert, ce qui permet d'augmenter la fréquence de découpage. Le courant dans l'élément inductif est également limité.
Avantageusement, un transistor de protection est monté en série entre la diode de charge et l'élément capacitif .
Le transistor de protection permet d'éviter le passage accidentel de l'énergie d'alimentation dans l'élément inductif.
De préférence, une diode est montée en parallèle de l'élément capacitif entre la première extrémité de l'élément inductif et la deuxième ligne.
Cette diode permet d'éviter la recharge de l'élément capacitif par l'énergie provenant de l'élément inductif à la fin du transfert d'énergie entre l'élément inductif et la ligne d'alimentation.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
II sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une partie d'un circuit de découpage équipé d'un circuit d'amortissement conforme à un premier mode de réalisation de 1 ' invention, la figure 2 est une vue partielle d'une variante de réalisation du circuit d'amortissement,
- la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 d'un circuit de découpage équipé d'un circuit d'amortissement conforme à un deuxième mode de réalisation de 1 ' invention?
- la figure 4 est une vue analogue à la figure 2 d'une variante de réalisation de ce circuit d'amortissement .
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence à la figure, l'invention est ici décrite en application à un onduleur relié de façon connue en soi à un réseau de distribution d'un courant fourni par un alternateur raccordé à un moteur.
L'onduleur comprend une ligne d'alimentation 1 à un potentiel d'alimentation VOnd et une ligne de masse 2 (à un potentiel 0 Volts) entre lesquelles est monté un circuit de découpage connu en lui-même.
Le circuit de découpage comprend des paires de deux transistors de découpage 3, 4 qui sont raccordés en série l'un à l'autre. Les paires de transistors de découpage 3, 4 (dont une seule est représentée ici) sont reliées en parallèle à la ligne d'alimentation 1 et à la ligne de masse 2. Les transistors de découpage 3, 4 sont de type IGBT (de l'anglais "Insulated Gâte Bipolar Transistor" , transistor bipolaire à grille isolée) et ont une grille reliée à un circuit de commande 5 de type séquen- ceur .
Au circuit de découpage est associé un circuit d'amortissement comportant un élément capacitif 7 relié en série à une diode de charge 6 de l'élément capacitif 7. La diode de charge 6 et l'élément capacitif 7 sont montés en parallèle du transistor de découpage 4. Plus précisément, la diode de charge 6 est connectée au point de raccordement des transistors de découpage 3 et 4, et l'élément capacitif 7 est lui raccordé à la masse.
Le circuit d'amortissement comprend une ligne de boost reliée, d'une part, au point de raccordement de la diode de charge 6 et de l'élément capacitif 7 et, d'autre part, à la ligne d'alimentation 1. La ligne de boost comprend en série un élément inductif 8 ayant une première extrémité reliée au point de raccordement de l'élément capacitif 7 et de la diode charge 6 et une deuxième extrémité reliée à une diode 9 elle-même reliée à une diode 10 reliée à la ligne d'alimentation 1.
Un transistor de pilotage 11 est raccordé, d'une part, à la ligne de boost, entre les diodes 9 et 10, et, d'autre part, à la ligne de masse 2 pour s'étendre en parallèle de l'élément capacitif 7. Le transistor de pilotage 11 est un transistor à effet de champ ici de type MOSFET dont la grille est reliée au circuit de commande 5.
Le fonctionnement du circuit de découpage est connu en lui-même et ne sera pas détaillé ici.
L'élément capacitif 7 récupère l'énergie liée à la commutation du transistor de découpage 4 de son état conducteur vers son état bloqué et maintient une tension sensiblement nulle à ses bornes au moment de la commutation. L'élément capacitif 7 facilite ainsi la commutation du transistor de découpage 4 de son état conducteur à son état bloqué. La diode de charge 6 assure la charge unidirectionnelle de l'élément capacitif 7.
Lorsque le transistor de découpage 4 est ramené dans son état conducteur, et que le transistor de pilotage 11 est amené dans son état conducteur, l'énergie est transférée de l'élément capacitif 7 vers l'élément indue- tif 8. Ce transfert d'énergie permet d'initier un courant dans l'élément inductif 8 afin d'amorcer le mode boost lorsque le transistor de pilotage 11 sera amené dans son état bloqué .
Si le courant dans l'élément capacitif 7 est nul au moment de l'ouverture du transistor de pilotage 11, le transfert de l'énergie se fait via l'élément inductif 8, la diode de charge 6, la diode 9 et la diode 10. Le courant dans l'élément inductif 8 décrit une droite de décharge .
Si le courant dans l'élément capacitif 7 est non nul au moment de l'ouverture du transistor de pilotage 11, le transfert de l'énergie se fait via un système résonant, formé de l'élément capacitif 7 et l'élément inductif 8, et via la diode de charge 6, la diode 9 et la diode 10. Le courant dans l'élément inductif 8 et l'élément capacitif 7 décrit une queue de sinusoïde de période P proportionnelle à la racine carrée du rapport de la capacité C de l'élément capacitif 7 et de l'inductance L de l'élément inductif (P = 2.π. (CL) 1/2) . De préférence, le transistor de pilotage 11 est amené dans son état de blocage lorsque la tension dans l'élément capacitif 7 atteint la moitié environ de la tension d'alimentation.
L'élément inductif 8 assure le transfert d'énergie de l'élément capacitif 7 vers la ligne d'alimentation 1, après que le transistor de découpage 4 a été commuté de son état bloqué à son état conducteur.
La diode 9 empêche 1 ' inversion de courant dans l'élément inductif 8, et donc la recharge de l'élément capacitif 7, en fin de transfert de l'énergie de l'élément inductif 8 vers la ligne d'alimentation 1.
En variante, comme représenté à la figure 2, un transistor de protection 12 est monté entre la diode de charge 6 et l'élément capacitif 7 et est commandé par le circuit de commande 5 pour empêcher une détérioration des composants du circuit si le transistor de pilotage 11 est amené dans son état conducteur alors que le transistor de découpage 4 est dans son état bloqué (transfert de l'énergie de la ligne d'alimentation 1 vers le transistor de pilotage 11 en passant par la diode de charge 6, l'élément inductif 8 et les diodes 9, 10) .
Une diode 13 est montée en parallèle de l'élément capacitif 7 entre la première extrémité de l'élément inductif 8 et la ligne de masse 2.
Les éléments identiques ou analogues à ceux précédemment décrits portent les mêmes références sur la figure 3, représentant un deuxième mode de réalisation.
Dans ce mode de réalisation, le circuit d'amortissement est relié à la ligne d'alimentation 1 et est disposé en parallèle du transistor de découpage 3 au lieu d'être relié à la ligne de masse 2 et disposé en parallèle du transistor de découpage 4 comme représenté sur la figure 1.
Le circuit d'amortissement comprend un élément capacitif 7 relié en série à une diode de charge 6 de l'élément capacitif 7. La diode de charge 6 et l'élément capacitif 7 sont montés en parallèle du transistor de découpage 3. Plus précisément, la diode de charge 6 est connectée au point de raccordement des transistors de découpage 3 et 4 , et l'élément capacitif 7 est lui raccordé à la ligne d'alimentation 1.
Le circuit d'amortissement comprend une ligne de boost reliée, d'une part, au point de raccordement de la diode de charge 6 et de l'élément capacitif 7 et, d'autre part, à la ligne de masse 2. La ligne de boost comprend en série un élément inductif 8 ayant une première extrémité reliée au point de raccordement de l'élément capacitif 7 et de la diode charge 6 et une deuxième extrémité reliée à une diode 9 elle-même reliée à une diode 10 reliée à la ligne de masse 2. Un transistor de pilotage 11 est raccordé, d'une part, à la ligne de boost, entre les diodes 9 et 10, et, d'autre part, à la ligne d'alimentation 1 pour s'étendre en parallèle de l'élément capacitif 7.
En variante du deuxième mode de réalisation, comme représenté à la figure 4, un transistor de protection 12 est monté entre la diode de charge 6 et l'élément capacitif 7 et est commandé par le circuit de commande 5 pour empêcher une détérioration des composants du circuit si le transistor de pilotage 11 est amené dans son état conducteur alors que le transistor de découpage 3 est dans son état bloqué (transfert de l'énergie de la ligne d'alimentation 1 vers le transistor de pilotage 11 en passant par la diode de charge 6, l'élément inductif 8 et les diodes 9, 10) .
Une diode 13 est montée en parallèle de l'élément capacitif 7 entre la première extrémité de l'élément inductif 8 et la ligne d'alimentation 1.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de 1 ' invention tel que défini par les revendications.
En particulier, le circuit d'amortissement peut avoir une structure différente de celle décrite et notamment être dépourvu de transistor de pilotage ou de diodes. Si l'onduleur est raccordé à une source de courant alternatif triphasé, il comprend trois paires de transistors ou deux paires de transistors s'il est raccordé à une source de courant biphasé (une seule paire de transistor a été ici représentée pour plus de clarté des schémas) .
Les transistors 11, 12 et les diodes 9, 10, 13 sont facultatives.

Claims

REVENDICATIONS
1. Circuit d'amortissement pour circuit de découpage comportant au moins un transistor de découpage ayant des bornes reliées à une première ligne et à une deuxième ligne, la première ligne étant à un potentiel d'alimentation et la deuxième ligne étant à la masse, le circuit d'amortissement comportant un élément capacitif et une diode de charge de l'élément capacitif qui sont reliés l'un à l'autre en série et qui sont montés en parallèle du transistor de découpage, caractérisé en ce que le circuit d'amortissement comprend un élément inductif ayant une première extrémité reliée à un point de raccordement situé entre la diode de charge et l'élément capacitif et une deuxième extrémité reliée à l'une des lignes .
2. Circuit d'amortissement selon la revendication 1, comprenant un transistor de pilotage qui est relié à la deuxième extrémité de l'élément inductif et à l'autre des lignes et qui possède un état conducteur pour charger l'élément inductif et un état bloqué pour décharger l'élément inductif.
3. Circuit d'amortissement selon la revendication 2, dans lequel le transistor de pilotage est commandé pour passer de son état conducteur à son état bloqué avant une charge complète de l'élément inductif.
4. Circuit d'amortissement selon la revendication 3, dans lequel le transistor de pilotage est commandé pour passer de son état conducteur à son état bloqué lorsque la tension dans l'élément capacitif atteint environ la moitié du potentiel d'alimentation.
5. Circuit d'amortissement selon la revendication 1, dans lequel un transistor de protection est monté en série entre la diode de charge et l'élément capacitif .
6. Circuit d'amortissement selon la revendication 1, dans lequel une diode est montée en parallèle de l'élément capacitif entre la première extrémité de l'élément inductif et la deuxième ligne.
PCT/FR2009/000804 2008-07-03 2009-06-30 Circuit d'amortissement actif pour un circuit electrique de decoupage Ceased WO2010000979A1 (fr)

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