Brevet FR2001712A1 — publié le 19690926

î 2001712 La présente invention a pour objet un transformateur de débit sous tension continue comportant deux transistors de commutation reliant à tour de rôle le ralais principal au pôle positif et au pôle négatif de la transmission. 5 Dans les transformateurs de débit connus on transforme à l'aide de deux transistors la tension continue d'entrée en une tension alternative rectangulaire que l'on applique généralement directement au transformateur principal. La tension secondaire rectangulaire est alors redressée. Le couplage réactif se fait soit par lo des enroulements supplémentaires du transformateur principal assurant ce couplage rétroactif(voir par exemple dans"Ionen & Elektronen". cahiers 8 & 9 de 1959..l'article de Gerlach & Keller sur les transformateurs de tension à montage symétrique et en particulier les figs. 12 a et 13 et les figs. 12 et lS)soit par 15 un transformateur pilote monté en parallèle avec le transformateur principal(voir Electrical Design News, Avril 1957, page 28). Les formes d'exécution comportant un transformateur à prise médiane se distinguent essentiellement à puissance égale de celles comportant un transformateur sans prise médiane^et il en est de 2o même pour les étages amplificateurs correspondants, uniquement par le fait que leurs transistors de commutation travaillent avec des tensions moitié et avec des intensités doubles. Les figs. 1 à 3 des dessins annexés représentent trois schémas de principe de trois transformateurs de débit de type connu à savoir 25 La fig. 1 représente un transformateur de débit unidirection nel La fig. 2 représente un transformateur de débit à montage symétrique avec prise médiane sur le primaire La fig. 3 représente un transformateur de débit à montage 3o symétrique sans prise médiane sur le prinaire 30 mais comportant un condensateur 31 arrêtant le courant continu et dont la résistance à la fréquence d'utilisation est sensiblement inférieure à la résistance parasite du primaire 3o, de telle sorte qu'elle ne se fait pas sentir pour cette fréquence d'utilisation. 35 Les transformateurs de débit connus peuvent transmettre des puissances élevées pour une consommation relativement faible et la transformation des tensions est dans une large mesure indépendante de la charge du secondaire et est déterminée à peu près exclusivement par le rapport de transformation. Cependant 903205 2 2001712 ces transformateurs présentent pour beaucoup d'applications des inconvénients décisifs,à savoir: ils ne présentent aucune sécurité en ce qui concerne les surcharges et les courts-circuits et ne permettent aucun réglage de la transformation des tensions ; 5 les prop riétés d'emmagasinage des semi-conducteurs ainsi que les capacités de transfert et les inductances parasites pœduisent à chaque commutation une charge supplémentaire en tension et en intensité avec des pertestce qui a une action d'autant plus nuisible que l'on choisit une fréquence plus élevée pour le lo transformateur. Les transformateurs de blocage de type connu sont contrairement aux transformateurs de débit susceptibles d'un court -circuitage et leur transformation de tension peut être réglée par une action appropriée sur la commande des transistors. Ils pré-15 sentent cependant l'inconvénient de charges et pertes élevées dans les transistors du fait que le transistor est toujours mis hors circuit au moment de l'intensité maxima et que,par suite de l'inductance parasi te du transmetteur, la valeur théorique de la tension inverse ou de blocage peut etre très largement 2o dépassée. Le risque d'une traversée secondaire eu transistor de commutation apparaît donc, particulièrement dans le cas des transformateurs de blocage qui ne conviennent donc pas pour des puissances et des fréquences élevées. L'invention a pour objet de combiner les avantages des 25 deux types de transformateurs c'est-à-dire une puissance élevée de transmission et une possibilité de réglage et de courts-circuits tout en écartant leurs inconvénients en ce qui concerne les pertes à la commutation et les exigences et risques accrus dus aux traversées secondaires des transistors. 3o L'invention écarte ces inconvénients du fait que l'on intercale entre les transistors de commutation et le transmetteur un élément LG accordé sur la fréquence de commutation et comprenant une résistance d'entrée inductive pour une fréquence au-dessus de la résonance. Le circuit oscillant devient ainsi à 35 peu près sinusoïdal de telle sorte que la commutation des transistors peut s'effectuer lorsque l'intensité du courant passe par zéro. L'inductance parasite du transmetteur peut former partie de l'inductance de l'élément LG de telle sorte que son action 6903205 3 2001712 \ est supprimée. A ce point de vue il est préférable que l'inductance de l'élément LC soit entièrement constituée par l'inductance parasite du transmetteur principal. On supprime non seulement ainsi la consommation correspondant à une inductance supplémentaire, mais 5 eacore et surtout on rend possible l'obtention de bonnes valeurs pour l'isolement et la valeur de l'écran entre les circuits primaires et secondaire du transformateur puisque l'on ne doit plus s'arrêter à une construction sans parasites du transmetteur ou relais principal. lo II est avantageux pour la comuande des tran-sistors d'inter caler en série entre les transistors formant un commutateur et le transmetteur principal un relais. Le rapport de transmission est déterminé avantageusement,par exemple entre 3 et 10,suivant la plus petite amplification en intensité des transistors de 15 commutation grâce à quoi ces derniers se trouvent en permanence à l'état saturé pour toutes les valeurs instantanées du courant oscillant. Théoriquement, le transistor qui se trouve en circuit à un moment quelconque est ainsi mis hors circuit au cours du passage suivant de l'intensité par zéro. 2o La durée d'accumulation de la charge dans les transistors,, qui existe toujours en pratique, aurait pour résultat un retard du blocage d'un transistor qui estconducteur à un moment donné avec un abaissement de la fréquence au-dessous de la fréquence propre du circuit oscillant en série en même temps qu'une commu-25 tation retardée par rapport au moment où l'intensité passe par zéro. Ce phénomène indésirable peut être éliminé grâce à un perfectionnement de l'invention consistant à déterminer l'inductance du relais et éventuellement sa capacité en parallèle, de manière à obtenir,, en tenant compte des propriétés accumula tri-3o ces des transistors,la fréquence d'oscillation désirée sur laquelle le circuit oscillant monté en série est accordé. Suivant une première forme d'exécution du transformateur l'élément LC est constitué par un circuit en série intercalé en série. On obtient ainsi un transformateur tension-tension, c'est-à 35 dire un transformateur dont le rapport de transformation dans toute la gamme du fonctionnement entre le fonctionnement à vide et le fonctionnement sous charge est constant, ce rapport étant compris entre la tension d'entrée et la tension de sortie. Un tel transformateur supprime il est vrai les inconvéûents des 903205 2001712 pertes élevées à la commutation et du risque d'une traversée secondaire et il réduit de plus en raison de l'allure sinusoïdale des courants primaire et secondaire l'effet nuisible des périodes d'accumulation de telle sorte que le transformateur considéré 5 présente une grande sécurité de fonctionnement dans toute l'étendue de son utilisation en même temps qu'un rendement élevé même pour des tensions de fonctionnement élevées et des fréquences de commutation élevées. Par contre il ne permet pas de courts-circuits ni de réglages parce que la tension ou l'intensité du lo courant oscillant sur les composants du circuit oscillant en série peuvent se modifier sans limitation en cas de surcharge ou de court-circuit. Le maintien du court-circuit du transformateur peut être maintenu suivant un autre perfectionnement de l'invention grâce 15 à un dimensionnement tel du circuit oscillant en série que pour la charge secondaire maxima admissible la tension de crête à crête dans le condensateur du circuit oscillât soit exactement égale à la tension minima possible de la source de tension utilisée et que cette tension de crête à crête du condensateur soit 2o limitée^à l'aide de deux diodes servant à cette limitation,à la valeur de la tension utilisée au moment considéré grâce à quoi on supprime la variation illimitée de la tension oscillante. On obtient ainsi une caractéristique comportant une première partie s'étendant jusqu'à une intensité maxima pour une tension 25 de départ constante et une deuxième partie correspondant à une tension tombant rapidement dès que l'on a dépassé cette intensité maxima. Une autre forme d'exécutionde l'invention supprime toute réduction importante de la fréquence apparaissant au cas de 3o surcharge grâce à ce que l'on intercale en série une bobine supplémentaire entre leœndensateur du circuit oscillant et les diodes de limitation, l'inductance de cette bobine étant à peu près égale à celle du circuit oscillant en série. Un autre perfectionnement de l'invention consiste à 35 permettre le réglage du transformateur en intercalant;en parallèle avec le condensateur du circuit oscillant en série, une inductance supplémentaire réglable, par exemple un transducteur-On peut ainsi déterminer la valeur de l'intensité maxima où la première partie de la caractéristique se raccorde à la deuxième i+o partie de telle sorte que l'on obtient un système de deuxièmes 903205 \ 5 2001712 parties parallèles de caractéristique se raccordant à la même première partie. Suivant une deuxième forme d'exécution du transformateur, le circuit LC est formé en T oar deux inductances er> série 5 et par une capacité en parallèle. En introduisant un tel élément dé transformation connu par lui-même, on obtient un transformateur tension-intensité autrement dit un transformateur dont l'intensité dans le secondaire est proportionnelle à la tension dans le primaire. Un transformateur présentant une telle caractéristique lo fonctionne avec un rendement élevé jusqu'au court-circuit au secon daire. Suivant un autre perfectionnement encore applicable aussi bien à la première qu'à la deuxième forme d'exécution du transformateur^ celui-ci peut grâce à la possibilité de son 15 fonctionnement en court-circuit être réglé en court-circuitant périodiquement le primaire ou le secondaire pendant une fraction à chaque fois d'une demi-période de son intensité par un commutateur commandé constitué par un transistor, cette fraction se terminant avec le passage de l'intensité par zéro et présentant 2o une durée définie par la tension de sortie à régler. L'invention et ses perfectionnements sont représentés schéma-tiquement aux figs. k à 10 représentant six exemples d'une première forme d'exécution où l'élément LC forme un circuit oscillant en série et aux figs. 11 à 14 représentant un septième exemple 25 dérivant d'une seconde forme d'exécution où l'élément LC est un circuit transformateur en T. D'une manière plus précise: La fig. 4 est un schéma d'un premier exemple La fig. 5 représente une partie du schéma d'un second exemple susceptible d'être court-circuité. 3o La fig. 6 représente une partie du schéma d'une troisième exemple où la fréquence de commutation normale est conservée même en cas de surcharge. . La fig. 7 représente une fraction du schéma d'un quatrième exemple où la tension de sortie peut être réglée par un 35 transducteur. La fig. 8 donne les caractéristiques de charge et de réglage des schémas suivant les figs. 6 et 7 La fig. 9 est un schéma d'un cinquième exemple où la tension de sortie est réglée par l'intermédiaire d'un commutateur de 6903205 6 2001712 court-circuit commandé périodiquement et agissant du côté secondaire sur le circuit du courant d'utilisation. La fig. 10 est un schéma d'un sixième exemple où la tension de sortie est réglée par un commutateur de court-circuit commandé 5 périodiquement et agissant sur un circuit secondaire particulier. La fig. 11 est un schéma d'un dernier et septième exemple correspondant à une deuxième forme d'exécution où l'élément LC est constitué par un circuit transformateur en T La fig. 12 représente raie variante dépendant de la fig. 11 lo La fig. 13 représente un système de caractéristiques correspondant à la fig. 11 La fig. 14 est un schéma correspondant à la fig. 11 et représentant l'alure de l'intensité en fonction du temps Dans le cas du premier exemple un premier raccordement est 15 établi entre le primaire 40 du transmetteur ou relais principal et le point de connexion entre le collecteur d'un transistor en parallèle 42 et l'émetteur d'un transistor en série 43 par l'intermédiaire du primaire 41 d'un relais intermédiaire. Les connexions base-émetteur de ces transistors sont reliées 2o respectivement à chacun des deux secondaires du relais de commande et peuvent être Œoquées à tour de rôle. Le collecteur du transistor en série 43 est relié à l'un des pôles de la source de tension utilisée et l'émetteur du transistor 42 en parallèle à l'autre. Un. deuxième raccordement du primaire 40 25 du relais principa- le relie à la source de tension utilisée du côté relié à la masse par l'intermédiaire du condensateur 45 du circuit oscillant formé avec l'inductance parasite 40a du relais principal qui n'est pas définie matériellement d'une manière précise de manière à être accordé à la fréauence de cora-3o mutation du transformateur. Le relais principal présente un écran protecteur 46 devant le primaire et un autre écran 47 devant le secondaire, cet écran 47 étant relie aux :ornes des secondaires 48,49 qui sont reliées à la masse. Les écrans protecteurs 46 et 47 35 ainsi que les couches isolantes non représentées som: largement dimensionnées afin que la forte inductance parasite 40a du primaire 40 apparaissant ainsi ne soit pas gênante. 6903205 \ 7 2001712 La fig. 5 représente le deuxième exemple où le point de connexion entre deux diodes limitrices 51,52 montées en série dans le même sens correspondant au blocage de la source de tension utilisée 50,est relié au point de connexion entre le 5 condensateur 53 du circuit oscillant et le primaire 54 ou bien, dans la variante représentée,11 inductance parasite 54a. On peut ainsi donner à la tension de crête à crête sur le condensateur 53 du circuit oscillant une valeur au plus égale à la tension de fonctionnement au moment considéré. Le circuit lo oscillant en série 53,54a est dimensionné de telle manière que; pour la charge maxima au secondaire la tension de crête à crête sur le condensateur 55 du circuit oscillant soit exactement égale à la tension minima de la source de tension utilisée 50. Dans le cas d'une surcharge les diodes limitrices 51,52 forment des 15 résistances réelles en parallèle avec le cendensateur 55 du circuit oscillant ce qui entraîne une diminution de la fréquence de commutation » La fig. 6 représente le troisième exemple oùlon intercale entre le point de connexion entre les deux diodes limitrices 60,. 2o 61 et le point de connexion entre le condensateur 62 du circuit oscillant et l'inductance parasite 63a du circuit oscillant une bobine supplémentaire 64 en série dont l'inductance correspond à peu près à l'inductance 63a du circuit oscillant. On obtient ainsi dans le cas d'une surcharge une fréquence de commutation 25 constante parce que la capacité apparaissant dans le circuit oscillant en série conserve une valeur constante indépendamment de la résistance ohmique momentanée des diodes limitrices. Le transformateur présente une caractéristique de charge (fig. 8) comportant à l'intérieur de la zone correspondant au 3o courant de sortie une partie 80 pour une tension de sortie constante 81, cette partie 80 se terminant,lorsqu'on atteint la valeur maxima de l'intensité de sortie 82,en se raccordant à une branche verticale descendante 83 avec une tension de sortie finissant â zéro. Le transformateur peut donc être court -35 circuité. Le quatrième exemple est représenté en fig. 7 où le condensateur 70 du circuit oscillant est monté en parallèle d'une manière complémentaire avec un>. inductance réglable 72 par l'intermédiaire du condensateur 71 arrêtant les composantes 903205 8 2001712 de courant continu. Il s'agit ainsi d'un transducteur dont la bobine de commande n'a pas été représentée. L'inductance réglable 72 est telle qu'une partie du courant oscillant traversant le conducteur 70 du circuit oscillant ne pénètre pas dans le primaire 5 73,73a. On obtient ainsi en fonction de l'importance momentanée de l'inductance auxiliaire réglable 72 différentes parties descendantes 84 de la caractéristique dans le diagramme des caractéristiques, ces différentes parties étant parallèles et décalées les unes par rapport aux autres (fig. 8) lo Dans le cinquième exemple (fig. 9) on trouve, immédiatement à la sortie de la tension continue du redresseur de puissance 91 alimenté par le secondaire sous charge 90,1e circuit émetteur-collecteur du transistor 92 et, par l'intermédiaire d'une diode 93 servant au découplage, le condensateur de charge 94 et la 15 charge 95 montés en parallèle Le transistor 92 forme un commutateur commandé périodiquement par le dispositif 96 qui est fermé pendant une fraction de demi-période de l'intensité, cette fraction se terminant au passage de l'intensité par zéro et ayant une durée déterminée 2o par la différence entre la valeur réelle et la valeur théorique de la tension de sortie. Une partie de l'intensité totale sortant du relais principal est absorbée par le transistor en parallèle 92 formant commutateur et cela dans une proportion telle que la tension demeure constante pour la charge recevant le reste de 25 l'intensité. Une résistance de tâtage 97,intercalée dans le retourmis à la masse, de la sortie de la tension continue, sert à définir le point de passage de l'intensité par zéro. Le mode de réglage permis par ce cinquième exemple qui met à profit la possibilité de court-circuit du transformateur 3o présente comme le réglage du primaire par un transducteur l'avantage de supprimer pratiquement les pertes. On obtient par rapport au réglage au moyen d'un transducteur l'avantage complémentaire consistant en ce que le réglage se fait du côté secondaire où l'on effectue également la comparaison des tensions 35 de telle sorte que d'importantes facilités apparaissent en ce qui concerne l'isolement protecteur et les dérangements en haute fréquence. Le sixième exemple(fig. 10) prévoit à la sortie de la tension continue la fourniture d'une petite tension de sortie 4o à la charge 100. Afin que le transistor du commutateur 101 6903205 9 2001712 \ servant d'organe de réglage en parallèle puisse travailler dans une gamme d'intensités et de tensions favorable à son fonctionnement, il est relié à un secondaire correspondant par l'intermédiaire des redresseurs 103. Le dispositif de commande 5 104 est sensible à la tension de sortie appliquée à la charge 100 et le passage de l'intensité par zéro est prélevé sur une résistance de tâtage 105 intercalée sur le retour mis â la masse de ce secondaire 102 correspondant au transistor afin que pendant la durée de fermeture du transistor commutateur 101 le lo redresseur alimentant la charge 100 n'alimente pas la charge Le septième exemple (fig. 11) correspond à une seconde forme d'exécution comportant entre le primaire 110 du relais de commande et fe primaire 111 du relais principal un circuit en T constitué par deux inductances en série 112-113 et par un 15 condensateur en parallèle 114.Le point de connexion entre les deux primaires 110 et 111 est relié au point de connexion entre diodes 115-116 montées en série dans le même sens et s'opposant au courant entre les bornes de la source de tension de service. Entre la borne du primaire 111 du relais principal disposée 2o à l'opposé de ce point de connexion et la borne mise à la masse de cette source de tension de service est intercalé un condensateur 117 arrêtant les composantes de courant continu et dont la résistance au courant alternatif est négligeable pour la fréquence d'oscillation choisie tout en empêchant le court-25 circuit des composantes éventuelles de courant continu.La fréquence de commutation du transformateur est déterminée par l'inductance des deux secondaires du relais de commande et par la capacité du condensateur 118 qui est monté en parallèle avec eux. Le côté secondaire du relais principal peut être relié par 3o des moyens non représentés à un dispositif de réglage à commutateur de court-circuit actionné périodiquement du type représenté en 90 à 97 sur la fig. 9 ou en 100 à 105 sur la fig. 10. Le circuit oscillant en T est défini en première approximation pour Ll=L2=L par la fréquence de commutation du transforma-35 teur. Pour \fo= 2 H-1 Un court-circuit au secondaire de circuit oscillant en T se révèle donc par une marche à vide du primaire et une marche à vide du secondaire se révèle par un court-circuit au primaire. 4o Des résistances terminales finies réelles produisent pour la fré- 903205 lo 2001712 quence de résonance des résistances finies réelles à l'entrée du circuit en T qui leur sont inversement proportionnelles. Le transformateur comportant un tel circuit en T présente à la sortie des caractéristiques du type représenté en fig. 13.11 5 s'agit donc d'un transformateur tension-intensité c'est-à-dire d'un transformateur à coefficient de transformation constant entre la tension d'entrée et 1' intensité de sortie. Un tel transformateur fournit donc des courants déterminés ce qui lui permet d'accepter les courts-circuits mais non pas le fonctionnement à lo vide. Les dernières conditions de fonctionnement dangereuses pour la commutation suivante en raison du dépassement de la tension sur le condensateur de chargement et sur le dispositif de réglage propi-ement dit au delà de ce dernier peuvent être supprimées d'une manière certaine par la consommateon propre 15 de courant par le dispositif de réglage proprement dit. En raison de ses possibilités de court-circuit un transformateur conforme à la deuxième forme d'exécution utilisant un circuit en T comme élément LG convient particulièrement bien pour le réglage par un court-circuit périodique du côté de la sortie comme déjà décrit 2o pour le cas de la première forme d'exécution. Pour la réalisation pratique du transformateur,la deuxième inductance en série, 113 en fig. 11 ou L2 en fig. 3. est au moins partiellement constituée par l'inductance parasite du relais principal de telle sorte que dans ce cas encore on obtient les 25 résultats indiqués pour la première forme d'exécution en ce qui concerne l'isolement entre le côté primaire et le côté secondaire du transformateur. La première inductance en série/112 de la fig. 11 ou L1 de la fig. 12; est quelque peu inférieure en dimension à la 3o deuxième induetance(Ll Les deux diodes 115 et 116 s'opposant au courant rendent ko Dossible le flux de retour du courant alternatif vers la BAD ORIGINAL 903205 \ 11 2001712 source de tension utili sqb pendant la période d'attente tw Si l'on choisit Ll CEI et U et des courants aux collecteurs I et I par rapport CE 2 cl c2 5 ail temps. 6903205 12 >001712 REVENDICATIONS 1.Transformateur de débit alimenté sous tension continue du type utilisant deux transistors de commutation reliant le reliais ou transmetteur principal au pôle positif et au pôle négatif 5 de la tension d'alimentation à tour de rôle, caractérisé par le fait qu'entre le commutateur à transistors et le relais principal est intercalé un élément LG accordé sur la fréquence de commutation et comportant une résistance d'entrée formant inductance au-dessus de la fréquence de résonance. lo 2 Transformateur de débit alimenté sous tension continue suivant la revendication 1 caractérisé par le fait qu'une inductance de l'élément LG est constituée par 1'inductance parasite du relais principal 3 Transformateur de débit alimenté sous tension continue 15 caractérisé par le fait qu'entre le commutateur à transistors et le relais principal est intercalé en série un relais supplémentaire de commande k Transformateur suivant les revendications 1 et 3 caractérisé par le fait que l'inductance du relais de commande 2o et le cas échéant sa capacité en parallèle sont déterminées de telle manière que l'on obtient en combinaison avec les propriétés d'accumulation des transistors la fréquence de commutation désirée sur laquelle l'élément LG est accordé 5 Transformateur suivant l'une des revendications précédentes 25 caractérisé par le fait que l'élément LC est constitué par un circuit oscillant en série intercalé en série 6 Transformateur suivant la revendication 5 caractérisé par le fait que le circuit oscillant en série est déterminé de telle manière que la tension de crête à crête pour le 3o condensateur du circuit oscillant est exactement égale dans le cas de la charge maxima admissible pour le secondaire à la tension minima possible de la source de tension de service tandis que cette tension de crête à crête du condensateur est limitée à l'aide de deux diodes limitrices à la valeur de la 35 tension de service au moment considéré. 7 Transformateur suivant la revendication 5, caractérisé par le fait qu'entre le condensateur du circuit oscillant et les diodes limitrices on introduit en série une bobine supplémentaire dont l'inductance coincide à peu près avec l'inductance 6903205 13 2001712 du circuit oscillant en série. S.Transformateur suivant la revendication 5 ou 6 caractérisé par le fait qu'une inductance réglable supplémentaire telle q'un transducteur est intercalée en parallèle avec le condensateur du 5 circuit oscillant en série. 9 Transformateur suivant l'une des revendications 1 à k caractérisé par le fait que l'élément LG est un circuit en T présentant deux inductances en série et un condensateur en parallèle lo 10 Transformateur suivant la revendication 9 caractérisé par le fait que l'inductance en série plus proche du commutateur est inférieure à celle qui se trouve du côté de la charge dans le circuit en T tondis que la borne d'entrée du côté commutateur est reliée aux deux bornes de la source d'alimentation 15 en tension avec interposition pour chaque borne d'une diode de retour 11. Transformateur suivant la revendication 5 ou 9 caréatérisé par le fait que le transformateur est court-circuité périodiquement du côté secondaire ou de sortie au moyen 2o d'un commutateur commandé constitué par un transistor et cela pendant une fraction d'une demi-période d'intensité , cette fraction se terminant au moment du passage de l'intensité par zéro et la durée de cette frac:ion étant déterminée par la tesnion de sortie que l'on doit régler 25 12 Transformateur suivant la revendication 11 caractérisé pal" le fait que le commutateur peut court-circuiter l'élément secondaire particulier qui lui est associé 13 Transformateur suivant la revendication 11 caractérisé par le fait que le transistor formant commutatoir court - circulte 3o directement la sortie de la tension continue d'un redresseur de puissance alimenté par le secondaire correspondant et que la sor tie de la tension continue est reliée par l'intermédiaire d'une diode de découplage pendant la durée du court-circuit à un condensateur de charge monté en parallèle par rapport à la 35 charge.