Brevet FR2006279A1 — publié le 19691226

i 2006279 La présente invention concerne les circuits convertisseurs de puissance et plus particulièrement tan transformateur électronique pour des circuits alternatifs et constitué par un transformateur linéaire et plusieurs dispositifs de commutation à com-5 posant solide reliés aux enroulements de ce transformateur. Les transformateurs électriques utilisés dans des circuits de puissance pour transformer des tensions alternatives, ayant des fréquences couramment disponibles de l'ordre de 25 hertzs à 400 hertzs, sont souvent lourds et encombrants. Dans de nom-10 breuses applications ceci n'est pas particulièrement gênant mais dans d'autres applications où l'espace et le poids ont une importance particulière, il est souhaitable de réduire les dimensions et le poids du transformateur. Bien que l'on sache qu'un transformateur à haute fréquence est moins encombrant qu'un transformais teur qui fonctionne à des fréquences plus faibles, comme précédemment mentionné, et qu'une tension continue ou alternative peut être convertie en une tension alternative de fréquence plus importante à l'aide d'un montage comportant des dispositifs à composant solide, on n'a pas pensé jusqu'ici à combiner ces deux 20 techniques différentes pour réduire les dimensions d'un transformateur, ou que ces techniques peuvent être combinées de la manière qui va être décrite pour constituer un transformateur électronique. De plus,étant donné que l'on dispose de plus en plus de dispositifs à composant solide de faible coût,,le prix total d'un transforma-25 teur électronique comportant un transformateur à haute fréquence associé à des circuits de commutation sera inférieur à celui d'un transformateur classique. Ceci est particulièrement vrai du fait que la présence des dispositifs de commutation à composant solide suggère qu'ils peuvent être utilisés pour réaliser d'autres fonc-30 tions, par exemple une interruption de courant. La présente invention se propose de réduire les dimensions physiques nécessaires d'un transformateur linéaire en utilisant des dispositifs de commutation à composant solide en combinaison avec un transformateur de couplage à haute fréquence. 35 La présente invention se propose encore de réaliser un transformateur électronique ou un circuit convertisseur de puissance pour des tensions alternatives, comportant un transformateur dont les enroulements sont respectivement reliés à des circuits de commutation d'entrée et de sortie, montés en convertisseurs, 40 pour convertir la tension d'entrée en une tension à haute fréquen 69 11600 2 2006279 ce qui est transformée et reconstituée en une onde de même forme avec la valeur souhaitée. La présente invention se propose'encore de réaliser un transformateur électronique du type précédemment décrit dans 5 lequel les dispositifs de commutation à composant solide, utilisés dans les circuits de commutation, peuvent réaliser d'autres fonctions, par exemple 11interruption du courant* Le circuit convertisseur de puissance suivant la présente invention comporte un transformateur linéaire possédant 10 deux enroulements à couplage inductif. Un premier circuit de commutation comporte au moins une paire de dispositifs de commutation à composant solide alternativement conducteurs, chacun de ces dispositifs étant branché en série avec au moins une partie d'un des enroulements du transformateur entre deux premières 15 bornes qui fournissent une tension électrique alternative. Un second circuit de commutation comporte au moins une paire de dispositifs de commutation à composant solide alternativement conducteurs, chacun de ces dispositifs étant branché en série avec au moins une partie de l'autre enroulement du transformateur entre 2o une seconde paire de bornes. Le dispositif de commutation à composant solide est constitué par un dispositif de commutation bidirectionnel ou par deux dispositifs uni-directionnels branchés en inverse et en parallèle. Des moyens de contrôle sont prévus pour rendre conducteur en synchronisme un des dispositifs de 25 commutation de chacun des circuits de commutation puis en alternance pour rendre conducteur en synchronisme au moins un des autres dispositifs de commutation de chacun des circuits avec une fréquence de commutation très supérieure à la fréquence de la tension apparaissant entre les deux premières bornes. De cette 30 façon, la tension d'entrée est convertie en une tension de fréquence plus importante, transformée, et reconstituée entre l'autre paire de bornes. La fréquence de commutation des dispositifs de commutation à composant solide est de préférence relativement élevée, de l'ordre de 1.000 à 10.00Q Hertzs. 35 La présente invention sera mieux comprise par la des cription suivante d'une forme de réalisation particulière donnée à titre d'exemple et représentée au dessin annexé dans lequel : Les figures la et lb sont des schémas d'un circuit convertisseur de puissance simplifié constituant un transf ortaa-40 teur électronique destinés à illustrer les principes de la pré- 0AD ORIGINAL 69 11600 3 2006279 sente invention et représentant respectivement l'état dans lequel se trouve le circuit pendant chaque alternance de "haute fréquence. Les figures 2a - 2c sont des"fôrmeë"d'onde de signaux apparaissant dans le transformateur électronique de la figure 1, 5 les. figures 2a et 2c représentant respectivement les tensions d'entrée et de sortie e^, et ïa figure 2b représentant la ten-sion v de fréquence plus importante apparaissant aux bornes du transformateur. La figure 3 est un schéma de blocs du circuit de la 10 figure 1.. . . Dans la figure là, une source dë tension alternative de faible fréquence, par exemple la tension du secteur, est appliquée entre les bornes d'entrée 11 et 12 du circuit convertisseur de puissance. La borne d'entrée 11 est reliée, par i'intérmédiai-15 re d'un premier dispositif "de commutation 13 â composant solide et bi-directionnel (les dispositifs de commutation à composant solide étant représentés ici schématiquetnent par des X), à une extrémité de l'enroulement primaire 14p d'un transformateur de couplage linéaire à haute fréquence 14, et est aussi reliée, par 20 l'intermédiaire d'un second dispositif de commutation 15 bi-di-rectionnel et à composant solide, à l'autre extrémité de l'enroulement primaire 14p. Le transformateur à haute fréquence 14 est un transformateur à prises centrales et la prise centrale de l'enroulement primaire 14p est reliée à l'autre borne d'entrée 12. 25 Dans le circuit secondaire du transformateur, les deux extrémités de l'enroulement secondaire 14s sont reliées d'une façon identi-. que, par l'intermédiaire des dispositifs de commutation à composant solide 16 et 17, à une borne de sortie 18, alors que l'autre borne de sortie 19 est reliée à la prise centrale de l'enroule-30 ment secondaire. Une charge 20 est branchée entre les bornes de sortie 18 et 19. Les quatre dispositifs de commutâtioiï à composant solide 13, 15, 16 et 17 sont commandés par deux et en synchronisme pour convertir la tension de faible fréquence en une tension de haute fréquence qui ést transformée de façon convenable 35 dans le transformateur 14 et reconstituée de l'autre côté de ce transformateur pour être appliquée sur la charge 20. Les figures la et lb représentent l'état du circuit pour les deux alternances de l'onde de haute fréquence, en supposant que la tension alternative d'entrée est pôlarisée de façon que la borne 11 soit posi-40 tive par rapport à la borne 12 et que pour simplifier le transfor- 69 11600 4 2006279 mateur 14 possède un rapport de traasfors»Êion égal à l'unité. Pendant la première altemaaea de 13onde â haute fréquence, les dispositifs de commutation 15 et 17 deviennent conducteurs en synchronisme, tandis que les deux autres dispositifs de conanuta-5 tiôn 13 et 16 sont bloqués ou passent simultanément de leur état de faible impédance à leur état d'impédance importante au même moment. Un circuit de contrôle 24 fournit des signaux convenables pour amorcer les dispositifs de commutation à composant solide, et les dispositifs de commutation qui sont conducteurs pendant les 10 deux alternances de haute fréquence sont représentés respectivement au-dessus et au-dessous des -lignes horizontales. Les deux dispositifs de commutation qui sont conducteurs sont entourés d'un cercle. Les dispositifs de commutation 15 et 17 étant conducteurs, les extrémités marquées d'un point des enroulements pri-15 maire et secondaire du transformateur de couplage à haute fréquence 14 sont positives et le sens du courant dans les circuits primaire et secondaire du transformateur est celui qui est indiqué par les flèches. On remarquera que la borne de sortie 18 est positive par rapport à l'autre borne de sortie 19. Pendant l'au-20 tre alternance de l'onde à haute fréquence, comme représenté dans la figure lb, les dispositifs de commutation 13 et 16 sont conducteurs tandis que les deux autres dispositifs de commutation 15 et 17 sont maintenant bloqués. Puisque la fréquence de l'onde à haute fréquence est considérablement supérieure à celle de la source de 25 faible fréquence, la borne d'entrée 11 est encore positive. Cependant , la polarité des tensions dans le transformateur 14 est inversée, et les extrémités non marquées d'un point sont maintenant positives de sorte que le courant traverse les enroulements du transformateur dans le sens inverse. Dans le circuit secondaire, 30 la borne de sortie 18 est encore positive par rapport à la borne 19 et le sens du courant dans la charge 20 reste le même. Ainsi, l'amplitude et la polarité de la tension appliquée, sur la charge restent identiques à celles de l'entrée, qui, dans ce cas particulier, est une tension positive variant lentement. 35 La figure 2a représente la tension d'entrée sinusoïdale e^ ou la tension de la source du circuit convertisseur de puissance, et l'on peut voir d'après la tension du transformateur représenté dans la figure 2b que la polarité de la tension du transformateur change avec la fréquence de commutation, représentée ici 40 à titre d'exemple comme étant de 720 Hertzs pour une tension d'en 69 11600 5 2006279 trée à 60 HerCzs. Il est souhaitable que la fréquence de commutation soit relativement importante afin de réduire matériellement les dimensions du transformateur nécessaire , et cette fréquence est de préférence de l'ordre de 1.000 à 10.000 Hertzs. La tension 5 de sortie ^ ou tension de la charge (voir figure 2c) a une forme d'onde identique à la tension d'entrée. Bien que pour simplifier on ait supposé que le rapport de transformation du transformateur est égal à l'unité et que par conséquent les amplitudes instantanées des tensions d'entrée et de sortie représentées dans 10 les figures 2a et 2c sont égales, on comprendra qu'en pratique la transformation de tension souhaitée est obtenue à partir du rapport de transformation. Le circuit convertisseur de puissance agit donc comme un transformateur électronique. Fendant l'autre alternance de la tension d'entrée al-15 ternative de faible fréquence, la borne d'entrée 11 sera négative par rapport à la borne d'entrée 12. En rendant conducteurs, en synchronisme, les dispositifs de commutation 15 et 17 puis alternativement les dispositifs de commutation 13 et 16 avec une fréquence de commutation identique, on commute la tension de haute 20 fréquence au secondaire du transformateur de sorte que la borne 18 est toujours négative par rapport à la borne 19 et que le passage du courant dans la charge 20 pendant l'alternance négative de faible fréquence est toujours dans l'autre sens. On notera que dans cette forme de réalisation le circuit convertisseur de puissance 25 où le transformateur comporte une prise centrale, il existe toujours un trajet fermé pour le courant entre le primaire et le secondaire y compris le transformateur de couplage de sorte qu'il n'y a pas besoin d'utiliser des dispositifs d'accumulation d'énergie. 30 Dans le schéma de blocsde la figure 3, représentant le circuit convertisseur de puissance suivant la présente invention, le transformateur de couplage à haute fréquence 14 est représenté comme étant branché entre le circuit 22, qui est un circuit convertissant une tension alternative de faible fréquence en 35 une tension de fréquence importante, du côté primaire et le circuit 23, qui est un circuit convertissant une tension de fréquence importante en une tension alternative de faible fréquence, du côté secondaire, ces deux circuits contenant tous deux des dispositifs de commutation à composant solide commandés en synchronis-40 èe, un circuit de commande 24 des dispositifs de commutation à 116.00 « 2006279 composant solide étant prévu pour commander les dispositifs de commutation du circuit primaire élévateur de fréquence 22 et du circuit secondaire abaisseur de fréquence 23. Les dispositifs de commutation à composant solide peuvent être des dispositifs bi-5 directionnels, par exemple des triacs et des diacs, ou peuvent être constitués par deux dispositifs uni-directionnels branchés en inverse et en parallèle, par exemple les redresseurs commandés au silicium, les transistors, et les redresseurs commandés au silicium biocables. Ces deux derniers dispositifs peuvent être 10 rendus conducteurs par l'intermédiaire d'un signal sur une électrode de commande quel» que soientla tension et le courant du circuit, mais lorsque l'on utilise les premiers dispositifs thy-ristors mentionnés on doit prévoir un circuit de commutation convenable pour le blocage de ces dispositifs, par exemple à l'aide 15 d'impulsions de commutation provenant d'une source extérieure d'impulsions. Les circuits de commande et de commutation convenables pour les dispositifs de commutation à composant solide ne sont pas représentés puisqu'ils peuvent être basés sur des techniques classiques, comme décrit par exemple dans "SCR Manual" 20 4ème édition ou "GE Transistor Manual" publié par GENERAL ELECTRIC COMPANY, Semiconductor Products Department, Syracuse, New York. Pour obtenir une réduction significative des dimensions du transformateur 14, la fréquence de commutation des dispositifs à composant solide doit être très supérieure à la fré-25 quence de la tension d'entrée. Dans le cas le plus avantageux, la fréquence de commutation est relativement importante par rapport à la fréquence de la tension d'entrée et est de préférence de 10.000 Hertzs ou au moins de l'ordre de 3.000 à 10.000 Hertzs. Avec une fréquence de 10.000 Hertzs on peut utiliser des trans-30 formateurs possédant un noyau de ferrite ou de fer aggloméré à faible perte, un transformateur à haute fréquence possédant de plus une faible capacité entre ses enroulements. D,es dispositifs expérimentaux ont été commandés avec une fréquence de 50 kHz et seront encore plus économiques quand ils seront disponibles dans 35 le commerce. La tension d'entrée de faible fréquence sera habituellement une fréquence disponible couramment, c'est-à-dire de l'ordre de 25 à 400 Hertzs. Cependant, on notera que les caractéristiques essentielles de la présente invention ne sont pas limitées à ces domaines de fréquence et que dans n'importe quel cas le cir-40 cuit convertisseur de fréquence peut présenter des avantages dans 11600 7 2006279 d'autres applications où la fréquence de commutation du circuit de commutation du convertisseur est au moins légèrement supérieure à la fréquence de la tension d'entrée. Ceci est particulièrement vrai du fait qu'en plus de 5 la transformation de tension et de l'isolement réalisé par le transformateur à haute fréquence 14, la présence des quatre dispositifs de commutation 13, 15, 16 et 17 suggère qu'ils peuvent être commandés pour obtenir d'autres fonctions, par exemple une interruption de courant. Lorsqu'un courant trop important traverse 10 la charge, les dispositifs de commutation 13 et 15 peuvent être ouverts ou rendus non conducteurs tandis que les dispositifs de commutation 16 et 17 restent commandés pour permettre la disparition du courant réactif, puis sont bloqués au premier zéro de courant de la tension d'entrée pour obtenir un isolement complet. 15 C'est-à-dire que le circuit agit comme un disjoncteur statique lorsque les dispositifs de commutation 13 et 15 ou les dispositifs de commutation 16 et 17 sont dans leur état d'impédance importante. Bien que les circuits de commutation primaire et 20 secondaire du transformateur 14 soient représentés à titre d'exemple avec un transformateur à prises centrales, ces circuits de commutation peuvent être réalisés d'une autre façon, par exemple avec un montage en demi-pont ou en pont complet. 69.11600 s 2006279 REVENDICATIONS 1) - Circuit convertisseur de puissance comportant un transformateur linéaire posséda»* t des enroulements à couplage in-duetif, un premier circuit de commutation comprenant au moins 5 deux dispositifs de commutation à composant solide alternativement conducteurs, chacun de ces dispositifs étant branché en série avec au moins une partie d'un des enroulements du transformateur et entre deux premières bornes où apparaît une tension alternative, un second circuit de commutation comprenant au moins 10 deux dispositifs de commutation à composant solide alternativement conducteurs, chacun de ces dispositifs étant branché en série avec au moins une partie de l'autre enroulement du transformateur et entre deux autres bornes, et un circuit destiné à rendre conducteurs en synchronisme au moins tin des dispositifs de commutation 15 de chacun des circuits, puis d'une façon alternée pour rendre conducteurs en synchronisme au moins un des autres dispositifs de commutation de chacun des circuits avec une fréquence de commutation très supérieure à la fréquence de la tension alternative apparaissant entre les deux premières bornes, la tension apparais- 20 sant entre les deux premières bornes étant convertie en une tension de fréquence plus élevée, transformée et reconstituée entre les deux autres bornes. 2) - Circuit convertisseur de puissance suivant la revendication 1), dans lequel chacun des dispositifs de commuta- 25 tion à composant solide est un dispositif bi-directionnel. 3) - Circuit convèrtisseur de puissance suivant la revendication 1), dans lequel chacun des dispositifs de commutation à composant solide est constitué par deux dispositifs unidirectionnels, à composant solide, branchés en inverse et en parai 30 lèle. 4) - Circuit convertisseur de puissance suivant la revendication 1), dans lequel la fréquence de commutation des dispositifs de commutation à composant solide est de l'ordre de 1000 à 10000 Hz. 35 5) - Circuit convertisseur de puissance suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier et le second circuits de commutation ont la configuration de circuits convertisseurs et comportent des dispositifs de commutation à composant solide bi-directionnels. 40 6) - Convertisseur de puissance suivant la revendica 69 11600 9 2006279 tion 5)j dans lequel le transformateur à haute fréquence possède une prise centrale sur ses enroulements primaire et secondaire, les prises centrales de chacun des enroulements étant reliées respectivement à une des première et seconde paires de bornes 5 et les deux extrémités de chaque enroulement étant reliées, par l'intermédiaire d'un des dispositifs à composant solide, à l'autre borne de chacune des deux paires.