Brevet FR2038097A1 — publié le 19710108

203-8097 La présente invention se rapporte aux circuits conforinateurs d.1 impulsions et, plus particulièrement, à de tels circuits utilisant un couplage par transformateur comme dans les convertisseurs statiques. . ... ... 5 L'emploi d'un couplage par transformateur est souhaitable chaque fois que l'isolement électrique ou l'adaptation d'impédance peut contribuer à l'amélioration du circuit. Les transformateurs, cependant , présentent de là self-inductance, et répondent aux interruptions du passage du courant dans leurs enroulements selon la loi de 10 Lenz : e=-L» dont la caractéristique essentielle fait que le courant tend à continuer à circuler dans le même sens dans les enroulements. Ainsi, une interruption brutale de courant dans tin élément in-ductif induit une force électromotrice dans l'élément qui est d'une 15 polarité telle qu'elle s'oppose à la variation du courant dans le circuit' extérieur. Un élément inductif peut être par conséquent considéré comme une source de tension. Un premier problème qui surgit dans de tels agencements réside dans le fait que la source de tension voit le circuit comme un circuit à haute impédance,-de sorte qu'il 20 en résulte une ter.sion transitoire extrêmement élevée qui apparaît aux bornes de l'élément inductif. Cette tension transitoire peut avoir des effets nuisibles sur la fiabilité du circuit de plusieurs façons. _ 1) Les niveaux des tensions de claquage des composants du cir-25 cuit peuvent, être, dépassés,, causait ainsi- une- rupture^ des propriétés diélectriques des composants. 2) L'isolant entre les fils et/ou les enroulements de l'élément inductif peut être détérioré. 3) Des si/maux parasites peuvent être couplés aux fils et/ou 30 aux circuits voisins. 4) Des ondes électronagnétiqùes:peuvent être rayonnées, causant' ainsi des interférences dans des équipe nient s sensibles à de tels rayonnements. Une seconde façon d'engendrer une tension transitoire pour un * cLC£ 35 élément inductif résulte de la loi de Faraday : e = - . Lorsqu'une tension à front raide est appliquée à l'enroulement primaire drun transformateur, le flux engendré dans le noyau augmente linéairement avec le temps de durée de la tension à front raide. Lors de l'interruption de cette dernière, le flux tombe au niveau du flux 40 rémanant ou résiduel. Cette décroissance du flux engendre une tension. 8AD ORIGINAL 70 0753S 2 2038097 cLP£ -■ * transitoire tr = -e, dans les enroulements du transformateur. Cette dt „ tension transitoire peut avoir les même effets nuisibles sur la fiabilité du circuit que ceux mentionnés ci-dessus. ' *' La présente invention procure lin. moyen "destiné à" éliminer les 5 effets nuisibles des tensions transitoires indésirables engendrées lors du retrait d'une source de tension primaire de l'enroulement d'un élément inductif ou àe l'interruption du passage du courant dans un tel enroulement, notamment de celle qui peut résulter d'une impulsion à front raide de durée contrôlée. 10 Par conséquent, tint objet de la présente invention consiste à réaliser un circuit dans lequel un chemin à basse impédance est prévu aux bornes de l'enroulement primaire d'un transformateur afin d'écrêter les tensions transitoires engendrées'à l'instant de la coupure de la tension appliquée au transformateur ou dé 1'interrup-15 tion du passage du courant dans le transformateur. "Cet objet et d'autres encore de la présente invention apparaîtront plus clairement de la description détaillée qui suit ainsi que des' dessins y annexés, étant bien entendu que ceux-ci ne sont donnés qu'à titre d'exemples nullement limitatifs.' 20 Sur les dessins : La Fig. 1 est un schéma simplifié d'un circuit précédemment connu ; La Fi g. 2 est un schéma simplifié d'un circuit selon 1'inven-■ tion ; ' ' ' 25 La Fig. 3 représente un circuit similaire à celui de la Fig. 2 utilisant des" transistors comme'moyen de commutation ; La Fig. h est un schéma d'un circuit typique selon l'inventim; Les- Fig. 5a et 5b représentent des courbes relatives au circuit précédemment connu ; ~ 1 * L ; 30 • Les Fig. 6a et 6b représentent dès courbes relatives au cir cuit selon la présente invention; et ' Lés Fig. 7a et 7b sont dés courbes montrant "l'effet inductif des noyausen une' substance ferromagnétique. ■ ' ' En se reportant maintenant a la Fig. 1 , on y voit un circuit 35 push-pull 10 comprenant un transformateur 11. Le transformateur 11 possédé un. enroulement primaire 12 ayant une prise'médiane 13» Une extrémité de l'enroulement 12 est reliée par un conducteur 1 h au contact fixe 15 d'un commutateur 16. L'autre extrémité de l'enroule-raent'12 est connectée par un conducteur 17 au contact fixe 18 d'un 40 commutateur 19. Les commutateurs 16 et 19 sont interconnectés par 8AD ORIGINAL 70 07535 3 2038097 un conducteur 20. La prise médiane 13 de l'enroulement 12 est reliée par un conducteur 21 à une borne d'une source de tension représentée par une batterie 22. L'autre borne de la batterie 22 est connectée par un conducteur 23 au conducteur 20. 5 Le transformateur 11 possède des enroulement secondaires 24 et 25 et un noyau en une substance ferromagnétique 26. Les enroulements 24 et 25 sont respectivement connectés par des' conducteurs 2*7 r 27a, 28 et 28a à une charge appropriée 29. En fonctionnement, lorsque le commutateur 16 est ferméy le 10 circuit d'une moitié de l'agencement push-pull se trouve complété et la source de tension primaire est appliquée aux boines d'une moitié de l'enroulement primaire 12 du transformateur 11. Un courant magnétisant circule alors dans l'enroulement primaire 12 et engendre une force magnétomatrice qui contrôle le flux dans le noyau. Si, 15 après un certain temps, le commutateur 16 est ouvert, avec le commutateur 19 restant ouvert, la source de tension primaire se trouve instantanément débranchée de l'enroulement primaire 12 de sorte que le courant magnétisant se trouve brutalement interrompu, provoquant ainsi la production d'une tension transitoire apparaissant aux bornes 20 des enroulements du transformateur 11. La seconde moitié du cycle de fonctionnement se produit de la même manière avec le commutateur 19 ferme et le commutateur 16 ouvert. Les tensions décrites sont représentées à la Pig. 5a pour des impulsions étroites et à la Fig. 5b pour des impulsions larges. Le cycle de fonctionnement se répète 25 comme il apparaît des Fig. 5a et 5b. Les commutateurs 16 et 19 représentent des composants de commutation mécaniques, à état solide ou toute chose semblable. On se reportera maintenant à la Fig. 2 qui représente une forme modifiée du circuit de la Fig. 1, et seules les modifications 30 seront décrites en détail. Une extrémité d'une z-ésistance 30 est reliée au conducteur 14 et l'autre extrémité de cette résistance est connectée au contact fixe 31 d'un co::innztateur 32 qui est relié au conducteur 21. Une extrémité d'une résistance 33 est connectée au conducteur 17 et l'autre extrémité de cette résistance est co-mectée 35 au contact fixe 34 d'un commutateur 35 qui est également relié au conducteur 21 . En fonctionnement, les coraautatotirs 32 et 35 sont normalement ouverts. Cependant, si la commutateur 32 oit 35 ou les deux corrrata-teurs à la fois se ferment simult arienent à l'ouverture du commuta-40 teur 16 ou 19, un chemin de passade du courant se trouve réalisé à 8Ap ORIGINAL ?0 0753S 2038097 travers le commutateur 32, la résistance 30 et l'enroulement primaire 12 du transformateur 11. L'énergie libérée dans le circuit par la production d'une tension transitoire lorsque le commutateur 16 ou le commutateur 19 est ouvert sera dirigée vers la résistance 5 30 ou 33 ou les detix à la fois et dissipée dans • celles-ci. XI en résulte un écrêtage des tensions indésirables apparaissant aux Fig. 5a et 5b. Il doit être entendu que les résistances 30 et 33 sont de valeur ohmique relativement faible. L'écrêtage donne naissance à une impulsion de tension relativement propre de durée contrôlée 10 comme cela est représenté à la Fig. 6a pour une impulsion étroite et à la Fig. 6b pour une impulsion large. La Fig. 3 représente le circuit de la Fig. 2 dans lequel les commutateurs 16, 19, 32 et 35 ont été respectivement remplacés par des transistors Q1 , Q2, Q3 et Q4. Les résistances 30 et 33 peuvent 15 être également remplacées par les résistances internes respectives des transistors Q3 et Q4. Le fonctionnement est semblable à celui du circuit de la. Fig. 2. Le transistors Q3 ou Q4 ou les deux à la fois est débloqué simultanément au blocage du transistor Q1 ou Q2. On se reportera maintenant à la Fig. 4 qui représente un cir-20 cuit typique selon l'invention. Le transformateur 1t possède encore un enroulement primaire 12 ayant une prise médiane 13. Une extrémité de l'enroulement 12 est reliée par le conducteur 14 au collecteur 36 d'un transistor 37 dont la base 38 est connectée à l'une des bornes de sortie d'un circuit de commutation 39 et dont l'émetteur 40 est 25 relié par un conducteur 41 à l'émetteur 42 d'un transistor 43. La base 44 du transistor 43 est connectée à l'autre borne de sortie du circuit de commutation 39 et son collecteur 45 est relié par le conducteur 17 à l'autre extrémité de l'enroulement 12. La prise médiane 13 de l'enroulement 12 est connectée par un 30 conducteur 13a au collecteur 46 d'un transistor 4? dont la base 48 est reliée par un conducteur 49, une résistance 50 et un conducteur 51 au collecteur 52 d'un transistor 53• L'émetteur 54 du transistor 47 est connecté à un conducteur 55 qui est relié respectivement aux conducteurs 14 et 17 par des diodes 56 et 57 • La base 48 du transistor 47 35 est également connectée par une résistance 59 au conducteur 55. L'émetteur 60 du transistor 53 est relié par un conducteur 61 et une diode Zener 62 au conducteur 4t qui est en outre connecté à la borne négative d'une source de tension (non représentée). Cet émetteur 60 est également relié par une résistance 63 et un conduc— 40 teur 64 à la borne positive de la source de tension qui est aussi 70 07535 5 2038097 reliée par un conducteur 65 à la prise médiane 13 de 1' enroulement 12. La base 66 du transistor 53 est reliée par un conducteur 68 à un conducteur 69 qui est connecté respectivement aux conducteurs 14 et 17 par des diodes 70 et 71. ' ^ Le transformateur 11 possède encore le noyau en substance ferromagnétique 26 et les enroulements secondaires 24 et 25- L'enroulement secondaire 24 est relié â. la charge 29 par les conducteurs 27 et 27a tandis que l'enroulement secondaire 25 est "relié à la charge 29 par les conducteurs 28 et 28a. 10 ' Les transistors 37 et 43 constituent des amplificateurs satu rés fonctionnant en mode de 'commutation de sorte qu'ils se trouvent alternativement soit complètement débloqués (travaillant à la saturation), soit complètement bloqués, ne laissant passer que leur courant de fuite. Le circuit de commutation peut être constitué par tout cir-15 cuit permettant de piloter alternative-nent les transistors 37 et 43 de manière que ceux—ci soient débloqués et bloqués et permettant de contrôler les durées des périodes de déblocage et de blocage des transistors. Un exemple d'un tel circuit est donné par les étages d'entrée d'un convertisseur statique. -20 Lorsque le transistor 37 est débloqué, le' transistor '43 est bloqué et le chemin du courant depuis la borne positive de la source d'alimentation va à la prise médiane 13 de l'enroulement 12 du transformateur 11,' passe par l'enroulement 12 et va au collecteur 36 du -transistor 37 et retourne par ce dernier à. la borne négative de la 25 source d'alimentation. Une tension primaire est ainsi appliquée aux .bornes d'une moitié de 1'enroulement 12 du transformateur 11. Pendant • cette période de temps, le transistor 53 est bloqué en raison de; sa polarisation. En effet, le courant circule depuis la borne positive à travers-là résistance 67, la diode de" blocage 70 et le transistor 30 37 débloqué pour retourner à la borne négative. La diode Zener est ■maintenue sous tension par le courant de polarisation qui circule depuis la borne positive à"travers la résistance 63, cette diode Zener - retourne à la borne négative, permettant 'ainsi de coritre-polariser le transistor 53 lorsque le transistor 37 ou le transistor 43 est 35 • conducteuï*. Lorsque le transistor 53 est bloqué, le transistor ;!-7 "est également bloqué puisque le passage du courant qui contrôle sa base est interrompu'dans la'résistance 50 et le tràtisistor bloqué 53. Lorsque- le transistor 37 se trouve bloqué et'que le transistor 43 n'a pas encore été débloqué, un temps mort cxiéte péndant lequel r ~ * 40 la tension primaire n'est pas appliquée a l'une où l'autre moitié de QAD ORIGINAI 70 07535 6 2038097 l'enroulement primaire 12 dit transformateur 11. Pendant ce temps mort, des tensions transitoires sont engendrées dans les enroulements du transformateur 11 selon la loi de Lenz ou -la loi de Faraday. Pendant le temps mort, le transistor 53 est rendu conducteur 5 par le courant de polarisation qui circule depuis la' borne positive à travers la résistance 67» la jonction base—émetteur du transistor 53 et la diode Zener 62 pour enfin retourner à la borne négative. Le transistor 47 est également rendu conducteur pendant le temps mort par le courant de polarisation qui circule depuis la borne 10 positive à travers la diode 58, la jonction base-émetteur du transistor 4-7, la résistance 50, le transistor 53 et la" diode Zener 62 pour alors retourner à la borne négative. Avec le transistor 47 débloqué, un chemin à basse impédance se trouve formé à l'aide de la diode 56 aux bornes d'une moitié de l'enroulement primaire 12, per-15 mettant à l'énergie emmagasinée dans le transformateur 11 de se dissiper sans engendrer de hautes tensions transitoires. La diode 57 procure le chemin à basse impédance avec le transistor 47 pendant le temps mort succédant au blocage du tranéistor 43. Ainsi, durant le temps mort un chemin à relativement basse impédance est-il bran-20 ché aux bornes de l'enroulement 12 du transformateur 11. Ce chemin permet l'écrêtage des tensions transitoires engendrées à l'instant où.les transistors 37 et 43 se trouvent bloqués. Lorsque le transistor 47 est bloqué, la résistance 59 procure . un chemin à basse impédance qui se trouve en parallèle sur là jonc-25 tion base—émetteur du t ransistor 47, permettant aux courants de fuite de circuler sans pour autant polariser le transistor 47 pour la conduction. ' De la-même manière, lorsque le transistor 43 se trouve bloqué, la second moitié du cycle se-produit. Les transistors 53 et 47 30 restent bloqués jusqu'à ce que le transistor 43-soit bloqué, auquel instant ils sont à nouveau débloqués afin dé présenter un chemin à basse impédance aux bornes de l'enroulement primaire 12 du transformateur 11 . L'emploi de noyaux en substance ferromagnétique pour des élé-35 ments inductifs introduit d'autres complications dont il résulte la production de tensions transitoires indésirables. Les noyaux en substance ferromagnétique, comme de l'acier au silicium, des alliages fer—niclrel et, plus important encore, les noyaux dont la substance permet de produire un cycle d'hystérésis rectangulaire sont extrê-40 mement sensibles aux effets de magnétisation produits par une force 8AD ORIGINAL / 70 07535 7 2038097 magnétomotrice. La nature d'un noyau en substance ferromagnétique fait qu'il présente un cycle d'hystérésis qui est symétrique par rapport aux axes de coordonnées x et y pour chaque cycle complet d'excitation lorsque la force magnatomotrice de contrôle est appli— 5 quée symétriquement pour chaque cycle complet au noyau, voir la Fig. 7a. Dans ces conditions,AB, qui est la différence entre l'induction maximale et l'induction résiduelle, peut être très faible, de sorte que la tension transitoire résultante produite lorsque la force d'excitation est retirée, et que l'induction passe de Bmax à son 10 niveau résiduel, peut être également très faible. Cependant, pour des conditions pratiques de fonctionnement, en raison de légères variations dans les éléments du circuit disponibles sur le marché, tels que les transistors, les diodes,, les résistances, etc., et dans la substance du noyau elle-même, la force magnêtomotrice de contrôle 15 peut ne pas être symétrique par rapport à l'axe des y, de sorte qu'il en résulte la production d'un cycle d'hystérésis non symétrique, voir la Fig. 7b. Le résultat de cette dissymétrie est équivalent à la présence d'une composante continue dans la force magnêtomotrice, de sorte que le noyau tend à se saturer prématurément pour une moi-20 tié du cycle, comme cela apparaît de la Fig. 7b. Par conséquent, cette dissymétrie a pour effet d'augmenter ÀB et, ainsi d'engendrer" des tensions transitoires indésirables relativement grandes. Le chemin à basse impédance, tel que précédemment décrit, permet à la composante continue de circuler, recalant ainsi le cycle d'hystérésis 25 symétriquement par rapport aux axes des x et des y et réduisant le niveau d'énergie des tensions transitoires normalement produites. Bien que dans un but d'explication de l'invention plusieurs foises de réalisation particulières de celle-ci aient été représentées et décrites, il doit être entendu que divers changements ou mo-30 difications évidents à tout homme de l'art peuvent y être apportés sans s'écarter pour cela de 1'esprit de 1* invention ni sortir de son domaine. 70 07535 s 2038097 . REVENDICATIONS 1 . Agencement destiné à supprimer les tejisions transitoires prenant naissance dans tin circuit formé au moins d'un transformateur ayant un enroulement primaire et des enroulements secondaires, et d'un moyen de commutation connecté, en série avec une source 5 d'alimentation, à l'enroulement primaire du transformateur, caractérisé en ce que cet agencement comprend un moyen sensible au moyen de commutation, lorsque ce dernier est commuté dans son état d'ouverture, afin de procurer un cliemin à basse impédance aux bornes de l'enroulement primaire pour écrêter les tensions transitoires engen-10 drées lors de l'interruption du-passage du courant dans l'enroulement primaire. 2. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen sensible destiné à procurer un clienin à basse impédance aux bornes de l'enroulement primaire comprend un transistor de commande 15 polarisé dans son état bloqué lorsque le moyen de commutation est commuté dans son état de fermeture et ainsi lorsque le courant circule dans l'enroulement primaire et polarisé dans son état débloqué lorsque le moyen de commutation est commuté dans son état d'ouverture et ainsi lors de l'interruption du passage du courant dans l'en-20 roulement primaire. 3. Agencement selon la revendication 2, caractérisé en ce que. le moyen sensible destiné à procurer un cliemin à basse impédance aux bornes de l'enroulement primaire comprend un transistor commandé qui se trouve sous l'influence du transistor de commande et qui complète 25 un chemin à basse impédance aux bornes de l'enroulement primaire lorsqu'il est polarisé dans son état débloqué. h. Agencement selon la revendication 3» caractérisé en ce que le transistor commandé est polarisé dans son état bloqué lorsque le transistor de commande est également polarisé dans son état bloqué 30 et ainsi lorsque le courant circule dans l'enroulement primaire et est polarisé dans son état débloqué lorsque le transistor de commande est également polarisé dans son état débloqué et ainsi lors de l'interruption du passage du courant dans l'enroulement primaire et de l'apparition simultanée de tensions transitoires aux bornes des 35 enroulements du transformateur. 5. Agencement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le cliemin à basse impédance comprend en outre un moyen de conduction unidirectionnelle. 70 07535 9 2038097 6. Agencement selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un élément résistif" est associé au transistor commandé afin d'en— •pêcher le courant de fuite de polariser ce transistor dans son état débloqué. 5 7. Agencement selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit circuit est symétrique, avec l'enroulement primaire possédant - une prise médiane et le moyen de commutation étant formé, d'une paire de transistors, une première borne de la source d'alimentation étant connectée à. la prise médiane et la second borne: de la source d'ali-10 mentation étant connectée au point de .jonction de deux électrodes semblables interconnectées de la paire de transistors tandis que deux autres électrodes semblables de cette paire de transistors sont respectivement connectées par des lignes d'interconnexion aux extré— mintés opposées de 1'enroulement.primaire. 15 S.. Agencement selon les revendications 2, 3 et 7» caractérisé en ce que l'émetteur du transistor de commande est connecté au point de jonction.des deux éléments d'un circuit série formé d'une diode Zener et d'une résistance et connecté entre les bornes de la source d'alimentation, la base du transistor de commande est connectée à la 20 première borne de la source d'alimentation par une résistance et au point-de jonction des deux éléments d'une première branche de circuit formée de deux diodes branchées en opposition et connectée entre les lignes d'interconnexion, et le collecteur du transistor de commande est connecté par une résistance à la base du transistor commar.-25 dé. . .. •9. Agencement selon la revendication S, caractérisé en ce que le collecteur du transistor commandé est çpmiecté à la prise médiane de l'enroulement primaire, et l'émetteur du transistor commandé est . - connecté au point de. jonc tion des deux: éléments d ' une seconde branche 30 de circuit-formée de deux diodes branchées en opposition et connectée entre les li-snes d'interconnexion, les diodes, de la second brancht de circuit étant inversement, connectées par rapport aux diodes de la première.branche de circuit. 10. Agencement selon la revendication 9r caractérisé en ce que 35 le point de jonction des diodes de la seconde branche .de circuit est en outre connecté par une diode à la première borne de la source d'alimentation. - ... - 8AD ORIGINAL