Brevet FR2112387A1 — publié le 19720616

i la présente invention concerne les convertisseurs d'une puissance électrique alternative en une puissance continue.régulée, en particulier pour les applications dans lesquelles on désire une faible dissipation de puissance» ^ lie convertisseur de puissance alternatif/continu régulé con ventionnel utilise pour effectuer un redressement onde entière un pont à diodes suivi d'un régulateur du type série dans lequel on utilise pour obtenir une tension continue régulée un transistor de puissance commandé par une diode de Zener. Le désavantage 10 de tels convertisseurs est qu'avec des étages séparés pour le redressement et pour la régulation, la dissipation de puissance peut être considérable, en particulier lorsque ces convertisseurs sont utilisés avec des courants forts sous basse tension. Cela est dffc à ce que de la puissance est dissipée à la fois dans les 15 diodes en polarisation directe dans le pont et dans le transistor de puissance. Conformément à la présente invention, un convertisseur pouvant convertir une puissance alternative en une puissance continue régulée comporte des moyens comprenant des transistors de 20 puissance et possédant une pluralité de bornes d'entrée, une borne de sortie, des moyens connectés aux bornes d'entrée leur fournissant au moins trois alimentations en puissance, en courant alternatif et de phases différentes, et des moyens qui commandent le courant dans la borne de base de façon à ce que la tension à 25 la borne de sortie soit maintenue pratiquement constante# Comme on le verra plus loin, un tel convertisseur fonctionne par combinaison d'alimentations en puissance en courant continu et de phases différentes avec nn effet simultané de régulation de tension. Le transistor de puissance fournit à la fois dans cette 30 combinaison le redressement et la régulation, la dissipation de puissance pouvant ainsi Stre faible et le rendement élevé, particulièrement si on utilise six Cou plus) alimentations en puissance en courant alternatif et de phases différentes. Un autre avantage est que ce convertisseur peut avoir des caractéristiques de géné-35 ration dm bruit très basses. Suivant un autre avantage la sortie peut ne nécessiter que peu ou pas de filtrage. Les moyens comprenant des transistors de puissance peuvent consister en plusieurs transistors de puissance connectés de façon à posséder une pluralité de bornes d'entrée, une borne de ba-40 s$êt une borne de sortie, ou en un seul transistor de puissance à 71 39083 2112387 émetteurs ou collecteurs multiples possédant une pluralité de bornes d'entrée, une borne de base et une borne de sortie. Les moyens fournissant les signaux de puissance en courant alternatif de phases différentes peuvent consister en un transit formateur polyphasé comportant plusieurs enroulements secondaires connectés aux bornes d'entrée afin de leur fournir au moins trois alimentations en puissance en courant continu de phases différentes. Les moyens servant à commander le courant peuvent comprendre 10 un comparateur agencé de façon à comparer la tension à la borne de sortie avec une tension de référence et à engendrer un signal indicatif et un dispositif de commande de courant qui commande le courant dans la borne de base en réponse audit signal indicatif. En variante les moyens de commande de courant peuvent comprendre 15 une diode de Zener qui réduit le courant dans la borne de base à une valeur prédéterminée» D'autres caractéristiques et avantages ressort'iront de la description qui va suivre de convertisseurs suivant l'invention, description donnée à titre d'exemple et en référence aux dessins 20 annexés dans lesquels : ïig. 1 est un schéma des circuits d'un convertisseur suivant l'invention ; Fig. 2k représente le schéma de fonctionnement d'un des transistors de puissance du convertisseur de la figure 1 ; 25 ïig. 2B représente la manière dont sont combinées les actions des transistors de puissance; et ïig. 3 est un schéma des circuits d'un autre convertisseur conforme à l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 sur laquelle on peut voir 30 que le convertisseur possède quatre bornes d'entrée 1 à 4, les bornes 1 à 3 .servant à la connexion avec les bornes de phase de l'alimentation triphasée, et la borne 4 à la connexion avec le neutre. Les quatre bornes sont connectées comme on le voit aux enroulements primaires 5 à 7» couplés en T, du transformateur tri-35 phasé 8. Ce transformateur possède six enroulements secondaires 9 à 14 couplés aux enroulements primaires de la manière représentée par les lignes en tirets. Ce couplage est tel que les deux enroulements secondaires couplés à chacun des enroulements primaires développent respectivement des tensions en phase et en opposition 40 de phase. BAD ORIGINAL 71 39083 3 2112387 i Ainsi qu'on le voit, une extrémité de chacun obs enroulements secondaires est connectée à la nasse en 15. L'autre extrémité de chaque enroulement secondaire est connectée à l'émetteur d'un transistor de puissance PHP 16 à 21 respectif. Les transistors de ^ puissance sont, comme on le voit, des transistors distincts, mais ils peuvent être combinés en un transistor de puissance à six émetteurs. Les collecteurs des six transistors de puissance sont connectés à un point commun 22, où. se combinent leurs courants, et qui envoie le courant résultant vers une borne 23 qui constitue 10 borne de sortie continu du convertisseur. Une impédance de charge 24 est connectée entre la borne 23 et la masse. Un diviseur de tension à résistance 25 est connecté de façon à contrôler la tension au point commun 22 et fournit un signal de tension indicateur de celle-ci à un amplificateur différentiel 26. L'ampli-15 ficateur est alimenté par une source positive 27 et fournit une tension de commande dépendant de la différence entre ledit signal de tension et une tendon de référence engendrée dans l'amplificateur. La tension de commande est appliquée, par l'intermédiaire d'une diode de Zener 28 à la base d'un transistor 29 connecté en 20 émetteur asservi. L'émetteur du transistor 29 est mis à la masse et une résistance 30 est connectée comme il est représenté afin de polariser la jonction émetteur-base. Le collecteur est connecté à un point 31 auquel sont aussi connectées les bases des six transistors de puissance. Une diode 32 et une résistance 33 sont 25 connectées comme représenté. Un transistor 34 comprend un émetteur connecté au point commun 31, et sa jonction base-émetteur est connectée en parallèle avec la diode 32. Le transistor fournit aux transistors de puis— . sance une source de courant de fuite à la base pendant les por— 30 tions de chaque cycle durant lesquelles les jonctions base-émetteur sont polarisées en sens inverse. Oe transistor est polarisé par la source positive 27 à. laquelle son collecteur est connecté à travers une résistance 35* La base est connectée à la source 27 à travers une résistance 36. 35 Eryïbnctionnement, les alimentations triphasées appliquées au transformateur 8, produisent dans les enroulements 5 à. 7, respectivement, trois tensions alternatives monophases, chaque tension étant déphasée de 120° par rapport aux deux autres tensions. Chacun des enroulements primaires fournit dans ses deux enroulements 40 secondaires une tension en phase et une tension en opposition de 71 39083 2112387 i phase. Ainsi, les tensions dans les enroulements 9 et 10 ont un décalage de phase de 180°« De même les tensions apparaissant dans les enroulements 11 et 12, ainsi que célles apparaissant dans les enroulements 13 et 14 ont un décalage de phase de 180°. Il en ré-5 suite que six tensions décalées en phase de 60° apparaissent dans les enroulements seconiaires. L'amplificateur différentiel 26, en coopération avec la source de tension positive 27, polarise le transistor de commande de courant 29, lequel produit en réponse un gain de courant au point commun 31 « Une source de courant de 10 régulation est par conséquent fournie en permanence aux bases des six transistors de puissance. On notera que la diode 32 polarise en sens inverse la jonction émetteur-base du transistor 34 ce qui réduit, dans les cas de commande maximale de courant, la commande de courant imposée au transistor 29« 15 On considère maintenant la réponse de l'un des transistors de puissance, par exemple du transistor de puissance 16, à l'entrée monophasée appliquée à son émetteur. On suppose qu'une tension est désirée à la borne de sortie 23 du convertisseur. En se référant à la figure 2A, on a représenté par une ligne inter-20 rompue 40 une onde d'entrée qui représente la tension apparaissant aux bornes de l'un des enroulements secondaires du transformateur 8, c'est-à-dire de l'enroulement secondaire 9* Hhe ligne continue 41 représente la tension de sortie d'un transistor de puissance, c'est-à-dire du transistor 16 en réponse à la ligne in-25 terrompue 40. Lorsque la tension aux bornes de 1 ' enroulement secondaire 9 est nulle, la jonction émetteur-base du" transistor 16 est polarisée en mens inverse, de même que sa jonction collecteur-base. Dans ce cas, le seul courant circulant dans le transistor doit être attribué aux fuites dans ces jonctions et la tension au 30 collecteur du transistor est par conséquent approximativement égale à la tension de l'émetteur. Lorsque cette tension commence à croître, les tensions d'émetteur et de collecteur demeurent pratiquement couplées l'une à l'autre parce que le transistor est rendu complètement conducteur par le signal de commande fourni 3g par l'amplificateur différentiel 26, jusqu'à ce que la tension fournie par l'enroulement secondaire dépasse le niveau Y0 + TEC (où VE0 est la tension collecteur-base). A ce moment, l'action du régulateur réduit la conduction du transistor jusqu'à ce que l'ec-oès de courant d'alimentation apparaisse sous forme d'un accrois— 40 sement de la tension émetteur—collecteur. "L'amplificateur diffé— 71 39033 5 2112387 1 rentiel, en. coopération avec le transistor 29» commande la conduction du transistor de puissance 16 pendant tout le temps que la tension appliquée excède VQ. En se référant maintenant à la figure 2B, six tensions sinu— c; soîdales décalées en phase de 60° sont figurées et représentent la tension aux bornes des six enroulements secondaires représentés sur la figure 1. Au moins une des tensions sinusoïdales est à chaque instant égale ou supérieure à un certain niveau de tension Vç, la tension Vç étant appelée tension de commutation. Ainsi, si 10 VQ + VEç est choisie plus petite que Vc, la sortie combinée des transistors de puissance maintient la tension Yq. l'alimentation peut aussi fonctionner, bien qu'on l'ait décrite dans le cas d'un secondaire à six phases, avec trois phases seulement, mais elle aura naturellement des pertes de puissance plus élevées. Une ten-15 sion régulée est produite, de la manière décrite, à la borne de sortie 23. Il est important pour obtenir un fonctionnement satisfaisant que les jonctions base-émetteur des transistors de puissance soient capables de supporter une tension opposée égale à cet- 20 te tension étant la tension inverse de crête appliquée aux enroulements secondaires. lie convertisseur de puissance fournit donc une conversion de puissance alternatif /continu et une régulation sans l'utilisation d'un étage redresseur séparé, et il en résulte que sa dissi-25 pation de puissance est intrinsèquement plus faible que celle des convertisseurs possédant des étages séparés de redressement et âo régulation. La génération de bruit indésirable est, de plus, minimisée du fait qu'on n'utilise pas pour la régulation des techniques comportant des régulateurs à commutation. 30 On a réalisé comme application pratique de l'invention qui vient d'être décrite un convertisseur 5 volts, 10 ampères. L'amplificateur différentiel utilisé était un amplificateur "LM-IOO" construit par "National Semiconductor*. On avait pris soin de s'assurer que les transistors de puissance utilisés pouvaient suppor-35 ter la tension inverse imposée pendant chaque cycle. On va se référer maintenant à la figure 3 qui représente un convertisseur qui, bien qu'utilisant une alimentation triphasée effectue la régulation de sa tension de sortie d'une manière différente. Le convertisseur possède également quatre bornes d'en-40 trée 51 a 54, les bornes 51 à 53 servant à la connexion des trois 71 39033 2112387 t bornes de phase d'une alimentation en puissance triphasée et la borne 54- à la connéxion an neutre. Les quatre bornes sont connectées, comme on le voit, aux enroulements primaires 55 à 57, couplés en T, d'un transformateur triphasé 58. Contrairement au trans-5 formateur correspondant représenté sur la figure 1, ce transformateur possède seulement trois enroulements secondaires 59 à 61 qui sont couplés aux enroulements primaires de la mahière indiquée par des lignes interrompues. Unçfextréaité de chacun des enroulements secondaires est con-^0 nectée, à la masse en 62, tandis que les extrémités opposées sont connectées aux collecteurs des transistors de puissance KPN respectifs 63 à 65, dont les émetteurs sont connectés en commun à une borne 66 qui constitue la sortie du convertisseur. Le courant de base est fourni à chacun de ces transistors de puissance par 15 les transistors secondaires 67 à 69 dont les bases sont connectées aux diodes 70 à 72. Chacune de ces diodes est à son tour connectée à une diode de Zener uni que dont 1*autre borne est mise à la masse. En plus, les bases des transistors secondaires 67 à 69 sont connectées à une source de potentiel positif 77 psœ l'inter-20 médiaire de trois résistances de polarisation de référence 74- à 76. Une seconde source de potentiel positif 78 fournit de l'énergie aux collecteurs des transistors secondaires. Ce convertisseur fonctionne de manière analogue à celle du convertisseur de la figure 1, sous réserve de trois exceptions 25 majeures. Premièrement, le courant de référence des bases des transistors de puissance 63 à 65 est fourni par la source 77 en coopération avec les résistances de polarisation de référence 74-à 76, les diodes 70 à 72, et la diode de Zener 73. La somme de la tension de la diode de Zener et de la chute de tension directe 30 dans une diode est choisie de façon à ce que ce potentiel de référence soit égal à la tension désirée à la sortie du convertisseur plus les tensions base—émetteur des transistors secondaires et de puissance. Deuxièmement, la tension à la borne de sortie 62 du convertisseur est maintenue par commande du courant de base des 35 transistors, à l'aide de la diode de Zener, plutôt que par gain de courant comme dans le cas de la figure 1. Troisièmement, dans les réalisations dans lesquelles les secondaires sont connectés aux collecteurs des transistors de puissance, comme dans la figure 3, les excursions négatives de tension aux bornes des enroule-40 ment s secondaires 59 à 61 produisent des tensions négatives aux BAD ORIGINAL 71^c n07 7 /i 2112387 t bases des transistors de puissance. Gela signifie que la diode de Zener ne commande plus les courants à l'entrée de ces transistors et que le courant sera emprunté à la source 77 à. travers les enroulements et la masse. Dans ces conditions, les diodes 70 à 72 5 empêchent pendant la conduction la tension de référence d'être perturbée. Bien que le convertisseur ait été décrit seulement avec une alimentation en six et trois phases, l'invehtion s'applique à toute alimentation alternative à trois phases ou plus. Au moins 10 trois phases sont bien entendu nécessaires pour qu'un point de commutation supérieur à zéro puisse exister. On peut construire, de plus, des convertisseurs à courant continu négatif en choisissant des transistors PNP au lieu de HPN et en interchangeant les connexions cle façon appropriée. 71 39083 8 REVENDICATIONS 2112387 1. Un convertisseur pour convertir une puissance en courant alternatif en puissance en courant continu régulée, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit à transistors (16 à 21, 63 à 65) ^ comprenant une pluralité de bornes d'entrée, une borne de base et une borne de sortie, des moyens (8, 58) connectés aux bornes d'entrée afin de leur fournir au moins trois alimentations en puissance en courant alternatif et de phases différentes, et des moyens (26, 29» 67 à 69, 73) qui commandent en fonctionnement le 10 courant dans la borne de base de façon à ce que la tension à la borne de sortie soit maintenue pratiquement constante. 2. Un convertisseur pour convertir une puissance en courant alternatif en puissance en courant continu régulée, caractérisée en ce qu'il comporte un certain nombre de transistors de puissan- 15 ce (?t6 à 21, 63 à 65) connectés de façon à présenter une pluralité de bornes d'entrée, une borne de base et une borne de sortie» ainsi qu'un transformateur polyphasé (8,58) possédant des enroulements secondaires connectés aux bornes d'entrée afin de leur fournir au moins trois alimentations en puissance en courant al-20 ternatif et de phases différentes, et enfin des moyens (26, 29, 67 à 69» 73) qui commandent en fonctionnement le courant à la borne de base de façon à ce que la tension à la borne de sortie soit maintenue pratiquement constante. 3. Un convertisseur pour convertir une puissance en courant 25 alternatif en puissance en courant continu régulée, caractérisé en ce qu'il comporte un transistor de puissance à émetteurs multiples et collecteurs multiples possédant une pluralité de bornes d'entrée, une borne de base et une borne àe sortie, ainsi qu'un transformateur polyphasé (8,58) possédant des enroulements secon-30 daires connectés aux bornes d'entrée afin de leur fournir au moins trois alimentations en puissance en courant alternatif et de phases différentes, et enfin de* moyens (26,29, 67 à 69» 73) qui commandent en fonctionnement le courant à la borne de base de façon à ce que la tension à la borne de sortie soit maintenue pra-35 tiquement constante. 4. Un convertisseur conforme à l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les moyens de commande de courant comprennent un comparateur (26) agencé de façon à comparer la tension à la borne de sortie avec line tension de référence et à produire un 4-0 signal indicatif et un dispositif de commande de courant (29) qui 71 39033 ' 2112387 commande le courant à la borne de base en réponse audit signal indicatif; 5. Un convertisseur conforme à l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les moyens de commande de courant compren-5 nent une diode de Zener (73) qui fonctionne en réduisant le courant à la borne de base à une valeur prédéterminée.