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FR3001592A1 - Convertisseur de puissance multi-niveaux - Google Patents

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Publication number
FR3001592A1
FR3001592A1 FR1350713A FR1350713A FR3001592A1 FR 3001592 A1 FR3001592 A1 FR 3001592A1 FR 1350713 A FR1350713 A FR 1350713A FR 1350713 A FR1350713 A FR 1350713A FR 3001592 A1 FR3001592 A1 FR 3001592A1
Authority
FR
France
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input
topology
output
converter
converters
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
FR1350713A
Other languages
English (en)
Inventor
Jean-Paul Lavieville
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Original Assignee
Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schneider Toshiba Inverter Europe SAS filed Critical Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Priority to FR1350713A priority Critical patent/FR3001592A1/fr
Priority to CN201480005643.3A priority patent/CN104937830B/zh
Priority to RU2015136785A priority patent/RU2613333C2/ru
Priority to PCT/EP2014/050802 priority patent/WO2014118010A2/fr
Priority to AU2014211632A priority patent/AU2014211632B2/en
Priority to US14/654,664 priority patent/US9735664B2/en
Priority to BR112015017098-6A priority patent/BR112015017098B1/pt
Priority to EP14701012.8A priority patent/EP2951916A2/fr
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Abstract

L'invention concerne un convertisseur de puissance multi-niveaux comprenant : - n étages d'entrée (Ein_n), n étant au moins égal 1, chaque étage d'entrée comportant n+1 convertisseurs d'entrée (CONVx_En) identiques connectés entre eux, les convertisseurs d'entrée (CONVx_En) présentant une topologie identique, choisie parmi les architectures de type NPC, ANPC, NPP et SMC, - un étage de sortie (Eout) connecté à l'étage d'entrée de rang 1 et comportant un convertisseur de sortie (CONVs) alimenté par une tension différentielle (Vfloat) résultant d'un premier potentiel électrique appliqué sur la sortie d'un premier convertisseur d'entrée de l'étage d'entrée de rang 1 et d'un deuxième potentiel électrique appliqué sur la sortie d'un deuxième convertisseur d'entrée de l'étage d'entrée de rang 1, le convertisseur de sortie (CONVs) présentant une topologie choisie parmi une architecture à condensateur flottant (FC), SMC, NPC, NPP et ANPC.

Description

Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un convertisseur de puissance multiniveaux. Le convertisseur multi-niveaux de l'invention est plus particulièrement destiné à fonctionner dans le domaine de la moyenne tension.
Etat de la technique Certaines applications nécessitent aujourd'hui des tensions très élevées. Même si les performances des semi-conducteurs employés dans les convertisseurs de puissance sont sans cesse améliorées, leur tenue en tension n'est cependant pas encore suffisante pour pouvoir proposer des convertisseurs de puissance compacts et sûrs. Par conséquent, différentes solutions ont été élaborées pour permettre une montée en tension tout en respectant les tenues en tension des composants. Une première solution consiste simplement en l'association en série des interrupteurs de commutation. Il est cependant difficile de répartir équitablement les contraintes en tension sur chacun des interrupteurs, aussi bien en régime statique qu'en régime dynamique. Par exemple, à l'amorçage, l'interrupteur à la commutation la plus lente risque de subir une tension transitoire excessive tandis qu'au blocage, l'interrupteur le plus rapide risque la destruction. Pour faire face à ces difficultés, d'autres solutions ont été proposées, basées sur l'entrelacement des commandes des interrupteurs. Ces solutions permettent de proposer plusieurs niveaux de tension en vue de reconstituer les formes d'onde. Une deuxième solution apparue est la topologie dite NPC (pour "Neutral Point Clamped"). Cette topologie apporte des améliorations significatives au problème d'équilibrage des tensions subies par les interrupteurs et permet de générer des formes d'ondes satisfaisantes. Cette topologie présente cependant des limites dans son utilisation et des inconvénients liés notamment à l'équilibrage de la tension des condensateurs de bus. Cette topologie de type NPC a donc fait l'objet d'une amélioration en remplaçant les diodes par des interrupteurs commandés. La topologie améliorée se nomme ANPC (pour "Active Neutral Point Clamped") et a déjà été mise en oeuvre dans certains produits (ACS 2000 de la société ABB).. Une alternative à la topologie NPC, dénommée NPP (pour "Neutral Point Piloted") a par exemple été décrite dans le brevet US6930899. Une troisième solution est apparue, utilisant des cellules imbriquées. Le convertisseur à cellules imbriquées permet de relier une source de tension à une source de courant en associant un nombre quelconque d'interrupteurs en série, quel que soit le type de conversion souhaité. Chaque cellule élémentaire comporte deux interrupteurs de commutation et un condensateur. Cependant, cette solution présente également des inconvénients liés à la présence des condensateurs flottants dans chaque cellule, leur nombre engendrant un surcoût et une quantité d'énergie stockée importante. Afin de réduire la taille des condensateurs et l'énergie stockée dans le convertisseur, une quatrième solution a été proposée. Cette solution est désignée convertisseur multicellulaires superposées (SMC pour "Stacked Multicell Converter"). Cette solution, décrite dans le brevet EP1287609, consiste à associer plusieurs convertisseurs à cellules imbriquées. Enfin, une dernière solution a été décrite dans le brevet US5625545. Cette solution consiste à associer la sortie des cellules en série et à alimenter chaque cellule par une source indépendante. Chaque cellule comporte un redresseur et un onduleur. Les sorties ddes cellules sont associées en série pour générer le niveau de tension souhaité sur la charge. Un décalage temporel des commandes des onduleurs est employé pour obtenir une tension multi-niveaux. Le but de 'invention est de proposer une solution alternative à toutes les solutions antérieures, permettant d'associer un grand nombre de composants afin de pouvoir travailler à des niveaux de tension élevés, sans employer de transformateur et en limitant au maximum le nombre de composants passifs. Exposé de l'invention Ce but est atteint par un convertisseur de puissance multi-niveaux comprenant : n étages d'entrée, n étant au moins égal 1, chaque étage d'entrée comportant n+1 convertisseurs d'entrée identiques connectés entre eux, chaque convertisseur étant alimenté par une tension d'entrée et commandé pour appliquer un potentiel électrique sur une sortie à partir de ladite tension d'entrée, si n est supérieur ou égal à 2, chaque convertisseur d'entrée de l'étage d'entrée de rang n-1 étant alimenté par la tension résultante des potentiels électriques appliqués sur deux sorties par deux convertisseurs de rang n, un étage de sortie connecté à l'étage d'entrée de rang 1 et comportant un convertisseur de sortie alimenté par une tension différentielle résultant d'un premier potentiel électrique appliqué sur la sortie d'un premier convertisseur d'entrée de l'étage d'entrée de rang 1 et d'un deuxième potentiel électrique appliqué sur la sortie d'un deuxième convertisseur d'entrée de l'étage d'entrée de rang 1, ledit convertisseur de sortie étant commandé pour appliquer un potentiel électrique sur une sortie, les convertisseurs d'entrée présentant une topologie identique, choisie parmi les architectures de type NPC, ANPC, NPP et SMC, le convertisseur de sortie présentant une topologie choisie parmi une architecture à condensateur flottant, SMC, NPC, NPP et ANPC. Selon une variante de réalisation, les convertisseurs d'entrée présentent une topologie de type NPP et le convertisseur de sortie présente une topologie à condensateur flottant. Selon une autre variante de réalisation, les convertisseurs d'entrée présentent une topologie de type NPC et le convertisseur de sortie présente une topologie à condensateur flottant. Selon une autre variante de réalisation, les convertisseurs d'entrée présentent une topologie de type ANPC et le convertisseur de sortie présente une topologie à condensateur flottant. Selon une autre variante de réalisation, les convertisseurs d'entrée présentent une topologie de type NPP et le convertisseur de sortie présente une topologie de type SMC.
Selon une autre variante de réalisation, les convertisseurs d'entrée présentent une topologie de type NPC et le convertisseur de sortie présente une topologie de type SMC. Selon une autre variante de réalisation, les convertisseurs d'entrée présentent une topologie de type ANPC et le convertisseur de sortie présente une topologie de type SMC. Selon une autre variante de réalisation, les convertisseurs d'entrée présentent une topologie de type SMC et en ce que le convertisseur de sortie présente une topologie de type SMC.
Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés listés ci-dessous : la figure 1 représente de manière schématique, le convertisseur de puissance multi-niveaux de l'invention, la figure 2 représente le convertisseur multi-niveaux de l'invention comprenant un seul étage d'entrée et un étage de sortie, la figure 3 représente le convertisseur multi-niveaux de l'invention, ayant un étage d'entrée à topologie NPP et un étage de sortie à topologie à condensateur flottant, la figure 4 représente le convertisseur multi-niveaux de l'invention, ayant un étage d'entrée à topologie NPC et un étage de sortie à topologie à condensateur flottant, la figure 5 représente le convertisseur multi-niveaux de l'invention, ayant un étage d'entrée à topologie ANPC et un étage de sortie à topologie à condensateur flottant en sortie, les figures 6A à 6L illustrent les différentes séquences de passage du courant dans un convertisseur multi-niveaux de l'invention, ayant un étage d'entrée à topologie NPP et un étage de sortie à topologie à condensateur flottant. la figure 7 représente le convertisseur multi-niveaux de l'invention, ayant un étage d'entrée à topologie NPP et un étage de sortie à topologie SMC, la figure 8 représente le convertisseur multi-niveaux de l'invention, ayant un étage d'entrée à topologie SMC et un étage de sortie à topologie SMC, Description détaillée d'au moins un mode de réalisation L'invention concerne un convertisseur de puissance multi-niveaux permettant de travailler à des tensions élevés, plus précisément dans le domaine de la moyenne tension allant de 2.3kV à 13.8kV. Il repose sur le fait d'associer des structures élémentaires en cascade, chaque structure élémentaire étant basée sur l'association en série de composants en quantité limitée. En référence à la figure 1, le convertisseur multi-niveaux de l'invention comporte ainsi : n étages d'entrée Ein_n, n étant au moins égal 1, chaque étage d'entrée Ein_n comportant n+1 convertisseurs d'entrée CONVx_En (x allant de 1 à n+1) identiques connectés entre eux, chaque convertisseur CONVx_En étant alimenté par une tension d'entrée Vx_En et commandé pour appliquer un potentiel électrique sur une sortie Sy_En (y allant de 1 à n) à partir de ladite tension d'entrée, si n est supérieur ou égal à 2, chaque convertisseur d'entrée de l'étage d'entrée de rang n-1 étant alimenté par la tension résultante des potentiels électriques appliqués sur deux sorties par deux convertisseurs de rang n, un étage de sortie Eout connecté à l'étage d'entrée de rang 1 et comportant un convertisseur de sortie CONVs alimenté par une tension différentielle Vtioat résultant d'un premier potentiel électrique appliqué sur la sortie d'un premier convertisseur d'entrée de l'étage d'entrée de rang 1 et d'un deuxième potentiel électrique appliqué sur la sortie d'un deuxième convertisseur d'entrée de l'étage d'entrée de rang 1. Le convertisseur de sortie est commandé pour appliquer un potentiel électrique sur sa sortie S1 s- Selon l'invention, les convertisseurs d'entrée présentent une topologie identique. Celle-ci est choisie parmi les architectures de type NPC ("Neutral Point Clamped"), ANPC ("Active Neutral Point Clamped"), NPP ("Neutral Point Piloted") et SMC ("Stacked Multicell Converter"). Selon l'invention, le convertisseur de sortie présente une topologie choisie parmi une architecture à condensateur flottant (FC pour "Flying Capacitor"), SMC, 25 NPC, NPP et ANPC. Dans la suite de la description, pour des raisons de simplification, nous nous intéresserons à une architecture de base répondant aux critères définis ci-dessus et 30 comportant un seule étage d'entrée E1n_1 et un étage de sortie Eout. Cette architecture de base comporte ainsi : Un premier convertisseur d'entrée CONV-LEi alimenté en entrée par une première tension Vi_Ei et commandé pour appliquer un premier potentiel électrique sur une première sortie Si_Ei, Un deuxième convertisseur d'entrée CONV2_E1 alimenté en entrée par une deuxième tension V2_E1 et commandé pour appliquer un deuxième potentiel électrique sur une deuxième sortie S2_E1, Un convertisseur de sortie CONVs connecté à la première sortie Si_Ei et à la deuxième sortie S2_E1 en vue d'être alimenté par une tension différentielle Vfloat résultant du premier potentiel électrique et du deuxième potentiel électrique et commandé pour appliquer un potentiel électrique sur une sortie S1 s. En référence aux figures 3 à 5, une première proposition est décrite ci- dessous. Dans l'étage d'entrée E1n_1, les convertisseurs d'entrée CONVi_Ei , CONV2_E1 sont par exemple réalisés selon des topologies simples, associant en série deux interrupteurs. Dans ces solutions, la tension différentielle Vfloat est égale à la tension V v ( ,= -1_E1=V2_E1), soit à la moitié dé la tension d'entrée totale (V1 _E-1+ V2_E1).
Chacun des interrupteurs d'entrée doit donc supporter la moitié de la tension d'entrée. Dans l'étage de sortie, le convertisseur est choisi de manière à employer les mêmes interrupteurs que ceux de l'étage d'entrée et de manière à limiter le nombre d'interrupteurs à cet étage. Différentes architectures répondant à ces critères sont représentées sur les figures 3 à 8. La figure 3 représente ainsi un convertisseur multi-niveaux du type de l'invention comprenant des convertisseurs d'entrée CONV-LEi, CONV2_E1 ayant une topologie NPP et un convertisseur de sortie CONVs ayant une topologie de type à condensateur flottant.
La figure 4 représente ainsi un convertisseur multi-niveaux du type de l'invention comprenant des convertisseurs d'entrée CONV1_E1, CONV2_E1 ayant une topologie NPC et un convertisseur de sortie CONVs ayant une topologie de type à condensateur flottant. La figure 5 représente ainsi un convertisseur multi-niveaux du type de l'invention comprenant des convertisseurs d'entrée CONVi_Ei , CONV2_E1 ayant une topologie ANPC et un convertisseur de sortie CONVs ayant une topologie de type à condensateur flottant. Les figures 6A à 6L illustrent plus particulièrement les séquences de fonctionnement de l'architecture ayant une topologie NPP pour les convertisseurs d'entrée et une topologie à condensateur flottant pour le convertisseur de sortie. Pour l'étage de sortie, certaines règles doivent être respectées : Les transistors 11 et 12 ont un fonctionnement complémentaire au temps mort près. Les transistors 13 et 14 ont un fonctionnement complémentaire au temps mort près. Pour maintenir constante la tension moyenne aux bornes du condensateur flottant Cfloat, les commandes des transistors 11 et 13, respectivement 12 et 14, sont identiques à un déphasage près, ce qui va permettre au courant de charge de traverser transitoirement ledit condensateur.
La commande des interrupteurs de l'étage de sortie est par exemple basée sur une modulation intersective avec N porteuses triangulaires, temporellement décalées (idéalement de 2u/n), à la fréquence de découpage correspondant aux n cellules (ici N est donc égal à 2) de cet étage et une modulante sinusoïdale à la fréquence du signal de sortie pour déterminer les instants de commutation des interrupteurs. Pour l'étage d'entrée, certaines règles doivent être respectées : Les transistors (T5a, T5b), (T7a, T7b), (T9a, T9b), (Tua, T11b) sont associés deux par deux de telle sorte que leurs commutations soient simultanées. La commande simultanée de 15 et 16 est interdire. Ces interrupteurs ont un fonctionnement complémentaire au temps mort près. La commande simultanée de 15 et 17 est interdite. Ces interrupteurs ont un fonctionnement complémentaire au temps mort près.
La commande simultanée de 17 et 111 est interdite. Ces interrupteurs ont un fonctionnement complémentaire au temps mort près. La commande simultanée de 17 et 18 est interdite. Ces interrupteurs ont un fonctionnement complémentaire au temps mort près.
La commande simultanée de 19 et 110 est interdite. Ces interrupteurs ont un fonctionnement complémentaire au temps mort près. La commande simultanée de 111 et 112 est interdite. Ces interrupteurs ont un fonctionnement complémentaire au temps mort près. La commande simultanée de 19 et 111 est interdite. Ces interrupteurs ont un fonctionnement complémentaire au temps mort près. Des signaux complémentaires sont employés pour commander les interrupteurs 17 et 19, ces signaux étant eux-mêmes complémentaires des signaux de commande des interrupteurs 18 et 110. Ces signaux sont fonction du signe de la tension de consigne.
La commande des interrupteurs 15, 16, 111 et 112 emploie par exemple deux porteuses triangulaires décalées en amplitude et déphasées par rapport aux porteuses employées pour la commande des interrupteurs de l'étage de sortie, ceci afin de limiter le contenu harmonique de la tension de sortie.
En respectant les règles définies ci-dessus, les différentes séquences de fonctionnement sont illustrées sur les figures 6A à 6L. Chaque figure montre un trajet différent pour le courant à travers l'étage d'entrée et l'étage de sortie.
Pour cette première proposition, toutes les configurations possibles ne sont pas représentées sur les dessins. En partant des figures 3 à 5, ces autres configurations consistent à remplacer le convertisseur de sortie CONVs à condensateur flottant par un convertisseur de sortie ayant une topologie NPC, NPP ou ANPC.
En référence à la figure 7, une deuxième proposition est décrite ci-dessous. Cette deuxième proposition consiste à associer un étage d'entrée Ehi _1 dont les convertisseurs d'entrée CONV-LEi , CONV2_E1 emploient une topologie simple et un étage de sortie Eout dont le convertisseur de sortie CONVs présente une topologie plus complexe, ayant un nombre élevé d'interrupteurs en série. En entrée, comme dans la première proposition, les convertisseurs CONVi_Et , CONV2_E1 sont réalisés suivant une topologie de type NPC, NPP ou 5 ANPC. En sortie, le convertisseur CONVs est réalisé suivant une topologie de type SMC qui permet d'associer un nombre quelconque d'interrupteurs en série en limitant la taille des condensateurs flottants employés. La figure 7 représente ainsi un convertisseur multi-niveaux présentant un 10 étage d'entrée Ehi _1 dont les convertisseurs d'entrée CONVt_El , CONV2_E1 sont à topologie NPP et un étage de sortie Eout dont le convertisseur de sortie CONVs est à topologie SMC. Les autres configurations possibles pour cette deuxième proposition, c'est-à-dire NPC+SMC et ANPC+SMC, ne sont pas représentés mais il faut comprendre 15 qu'elles font partie de l'invention. En référence à la figure 8, une troisième proposition est décrite ci-dessous. Cette troisième proposition permet l'association d'un grand nombre d'interrupteurs en série. Les convertisseurs CONV-LEi , CONV2_E1 de l'étage d'entrée 20 Ei sont réalisés suivant une topologie de type SMC tandis que le convertisseur CONVs de l'étage de sortie Eout est également réalisé suivant une topologie de type SMC. Sur la figure 8, le convertisseur multi-niveaux permet la mise en série de douze interrupteurs. 25 L'invention vise donc à associer en cascade des modules de base connus afin de pouvoir mettre en série un nombre adapté d'interrupteurs. Les différentes architectures proposées permettent de s'adapter aux différentes tensions de fonctionnement, pouvant aller de 2.3kV à 13.8kV. La première proposition décrite ci-dessus présente l'avantage de ne 30 nécessiter qu'une faible quantité d'interrupteurs.
La deuxième proposition permet pour sa part d'augmenter le nombre d'interrupteurs en série, mais également de mixer le type des interrupteurs. Les interrupteurs employés pour les étages d'entrée seront préférentiellement de type différent des interrupteurs employés pour l'étage de sortie. Pour respecter le niveau de tension nécessaire pour chacun des composants, la tension différentielle appliquée en entrée du convertisseur de sortie est de E/2. Pour l'étage d'entrée, deux interrupteurs doit pouvoir supporter E/2 tandis que les six interrupteurs du convertisseur de sortie doivent supporter E/2. La troisième proposition permet encore d'augmenter le nombre d'interrupteurs connectés en série, permettant une montée en tension. Par ailleurs, la topologie SMC permet de limiter la taille des condensateurs flottants employés.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Convertisseur de puissance multi-niveaux comprenant : n étages d'entrée (Ein_n), n étant au moins égal 1, chaque étage d'entrée comportant n+1 convertisseurs d'entrée (CONVx_En) identiques connectés entre eux, chaque convertisseur étant alimenté par une tension d'entrée (Vx_En) et commandé pour appliquer un potentiel électrique sur une sortie (Sy_En) à partir de ladite tension d'entrée, si n est supérieur ou égal à 2, chaque convertisseur d'entrée de l'étage d'entrée de rang n-1 étant alimenté par la tension résultante des potentiels électriques appliqués sur deux sorties par deux convertisseurs de rang n, un étage de sortie (Eout) connecté à l'étage d'entrée de rang 1 et comportant un convertisseur de sortie (CONVs) alimenté par une tension différentielle (Vfloat) résultant d'un premier potentiel électrique appliqué sur la sortie d'un premier convertisseur d'entrée de l'étage d'entrée de rang 1 et d'un deuxième potentiel électrique appliqué sur la sortie d'un deuxième convertisseur d'entrée de l'étage d'entrée de rang 1, ledit convertisseur de sortie étant commandé pour appliquer un potentiel électrique sur une sortie (S1 s), caractérisé en ce que : les convertisseurs d'entrée (CONVx_En) présentent une topologie identique, choisie parmi les architectures de type NPC, ANPC, NPP et SMC, le convertisseur de sortie (CONVs) présente une topologie choisie parmi une architecture à condensateur flottant (FC), SMC, NPC, NPP et ANPC.
  2. 2. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les convertisseurs d'entrée (CONVx_En) présentent une topologie de type NPP et en ce que le convertisseur de sortie (CONVs) présente une topologie à condensateur flottant.
  3. 3. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les convertisseurs d'entrée (CONVx_En) présentent une topologie de typeNPC et en ce que le convertisseur de sortie (CONVs) présente une topologie à condensateur flottant.
  4. 4. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les convertisseurs d'entrée (CONVx_En) présentent une topologie de type ANPC et en ce que le convertisseur de sortie (CONVs) présente une topologie à condensateur flottant.
  5. 5. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les convertisseurs d'entrée (CONVx_En) présentent une topologie de type NPP et en ce que le convertisseur de sortie (CONVs) présente une topologie de type SMC.
  6. 6. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les convertisseurs d'entrée (CONVx_En) présentent une topologie de type NPC et en ce que le convertisseur de sortie (CONVs) présente une topologie de type SMC.
  7. 7. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les convertisseurs d'entrée (CONVx_En) présentent une topologie de type ANPC et en ce que le convertisseur de sortie (CONVs) présente une topologie de type SMC.
  8. 8. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les convertisseurs d'entrée (CONVx_En) présentent une topologie de type SMC et en ce que le convertisseur de sortie (CONVs) présente une topologie de type SMC.30
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