Brevet FR2115341A1 — publié le 19720707

-i- 2115341 L'invention se rapporte aux dispositifs de commande statiques de puissance à courant continu à l'usage des installations électriques. Dans de nombreuses applications utilisant jusqu'à pré-5 sent des dispositifs électromécaniques de commutation, il devient de plus en plus intéressant d'utiliser des dispositifs de commutation statiques à semiconducteur offrant une plus grande stabilité, des caractéristiques de commutation régulières, et autres avantages. Dans les installations électriques d'aviation, un 10 haut degré de sécurité est particulièrement important. Contrairement aux disjoncteurs thermiques, tels que ceux actuellement utilisés de manière classique pour commander l'alimentation en courant des diverses charges de l'installation, les dispositifs statiques de commutation sont capables de réduire le courant d'appel, assu-15 rant ainsi une protection sûre de la charge contre toute détérioration, la commutation entre les diverses charges avec facilité, et donnant un temps extrêmement rapide de déclenchement dans le cas de sévères anomalies. Cette capacité permet une plus grande optimisation de la totalité de l'installation électrique, du fait 20 que les conditions auxquelles les charges sont soumises ou sont fixées dans des limites plus étroites. Par suite, une réduction marquée de poids des fils et des génératrices peut être réalisée. De nombreux agencements de commutation à transistors sont connus dans les techniques antérieures. Toutefois, ils se 25 caractérisent en général par des circuits d'attaque à forte consommation, c'est-à-dire que la.partie du circuit appliquant le signal à la base du transistor pour commander la voie de courant émetteur-collecteur exige des quantités de courant indésirablement fortes. La présente invention découle des efforts faits pour réa-30 liser des contrôleurs ou dispositifs de commande statiques de puissance avec un circuit d'attaque de plus grande efficacité, et avec une faible chute de tension de commutation par rapport à celle obtenue par la technique antérieure. Les techniques antérieures des circuits d'attaque de la 35 base comprennent des auto oscillateurs à noyau synchronisés, alimentés par une source de courant constant pour fournir une quantité fixe de courant de base au transistor de puissance. Cette 71 41835 ■2 2115341 solution est indésirable car le circuit d'attaque de base compte pour plus des 2/3 total des pertes de puissance de la commutation. Ces pertes dans le circuit d1attaque de base sont les mêmes, que le courant de charge soit zéro ou à pleine charge. De plus, le 5 rendement dépend de la gamme des tensions d'entrée de fonctionnement. Le rendement maximal et le courant de réalimentation sont inférieurs dans un dispositif fonctionnant dans une gamme comprise entre environ 10 et 28 volts, par rapport à un dispositif fonctionnant dans une gamme comprise entre environ 20 et 28 volts, en 10 supposant les deux dispositifs complètement conducteurs pour le courant nominal et pour la condition de tension spécifiée. Certains des inconvénients de la technique antérieure , pourraient être amoindris au prix de l'adjonction de quelques circuits de commande supplémentaires, s1accompagnant d'une complica-15 tion de l'agencement. L'invention a pour objet un appareil destiné à commander l'application de puissance continue d'une source à une charge au moyen de transistors dont le courant d'attaque de base est proportionnel au courant de charge, et insensible aux variations de 20 la tension d'alimentation. A cette fin, l'invention réside dans un appareil destiné à commander l'application de puissance continue d'une alimentation à une charge, comprenant un premier et un second interrupteurs statiques pourvus chacun d'une première, d'une seconde et d'une 25 troisième électrodes; un transformateur comportant un noyau satu-rable, un circuit primaire, et au moins un circuit secondaire, le circuit primaire comprenant deux parties d'enroulement, comportant chacune au moins un tour, connectées entre une source de tension continue et chacune de ces premières électrodes des interrupteurs 30 statiques, le circuit secondaire comportant deux parties d'enroulement, pourvues chacune d'un certain nombre de tours, connectées aux bornes des seconde et troisième électrodes de chacun des interrupteurs statiques, ces secondes électrodes se situant à différentes positions sur ces parties d'enroulement secondaire afin d'ob-35 tenir des signaux d'attaque destinés à alterner l'état des interrupteurs statiques au moment de la saturation du noyau du transformateur, les troisièmes électrodes des interrupteurs statiques 71 41835 ~3~ 21 15341 étant connectées en commun en un point situé entre ces parties d'enroulement secondaire et à la charge. La combinaison décrite au précédent paragraphe a un fonctionnement auto-entretenu si le gain des éléments interrupteurs 5 est supérieur au rapport de tours entres les enroulements secondaire et primaire. Pour assurer le fonctionnement entretenu aux conditions à vide et également pour assurer quelques moyens de coupure de l'interrupteur, le secondaire du transformateur est pourvu d'un enroulement supplémentaire qui est connecté à un dis-10 positif destiné à commander la marche et l'arrêt du circuit d'attaque de base. Contrairement aux techniques antérieures dont on dispose, la présente invention offre un circuit d'attaque de base qui ne compte que pour 10 à 20 % seulement dans les pertes totales de 15 puissance des interrupteurs. A mesure que le courant de charge diminue, les pertes d'attaque de base diminuant presque proportionnellement. Essentiellement les niveaux de courant d'attaque de base et les pertes d'attaque de base ne sont pas affectés par les variations de la tension d'alimentation. Par suite, la combi-20 naison de la présente invention satisfait au réel besoin d'une technique efficace d'attaque de base des transistors qui se fait sentir en particulier dans les installations électriques d'aviation exigeant des centaines de contrôleurs de puissance courant continu sur un seul avion. On remarquera, toutefois que, poten-25 tiellement, l'invention est d'une application beaucoup plus étendue que celle relative aux contrôleurs de puissance d'aviation, ainsi que pourront s'en rendre compte les spécialistes. L'invention ressortira mieux de la description qui va suivre d'une forme préférée de réalisation représentée à titre 30 d'exemple au dessin annexé, sur lequel : La Figure 1 est un schéma de montage d'une forme de réalisation de l'invention; La Figure 2 est un groupe de courbes de formes d'ondes relatives au comportemeht du circuit de la Figure 1; et 35 La Figure 3 est tin schéma de montage d'une partie du circuit de la Figure 1. En référence à la Figure 1, le schéma représente une 71 41835 -4- 2115341 forme de réalisation de 1*invention. Une source 10 de tension courant continu fournissant une tension V est connectée à une cc charge 12 au moyen d'un agencement 14 qui comprend un appareil statique de commutation. L'appareil statique de commutation se 5 compose de dispositifs semiconducteurs à trois bornes, de préférence des transistors, portant les références Q1 et Q2. Les transistors sont connectés en parallèle ainsi qu'entre la source et la charge par les conducteurs 16 et 17. Un transformateur 1 comporte un noyau saturable avec un circuit primaire comprenant 1° un tour (1,2) en série avec le parcours collecteur-émetteur de Ql, et un tour (3,4) en série avec le parcours collecteur-émetteur de Q2. Un circuit 18 d'attaque de base des transistors est associé à l'agencement de commutation 14. Le circuit d'attaque de 15 base comprend le circuit secondaire du transformateur T pourvu d'un certain nombre de tours (5,7) connectés aux bornes des bases des transistors, avec une prise centrale 6 connectée en commun à une électrode de chacun des transistors et à la charge par le conducteur 17. Selon l'agencement représenté, les transistors 20 sont connectés avec leurs collecteurs en direction de la source de courant 30 et leurs émetteurs connectés en commun à la charge 12. En cours de fonctionnement, les transistors Ql et Q2 sont alternativement conducteurs, ayant chacun un cycle d'utili-25 sation de 50 %, Lorsque Ql est en conduction, le courant de charge passe dans l'enroulement primaire à tour unique (1,2) du transformateur T<> Un courant secondaire, induit dans une partie (5,6) de l'enroulement secondaire, a une valeur égale au courant de charge divisé par le rapport de tours entre les enroulements se-30 condaire et primaire ô)/N(i 2)* S* ce raPP°r"t de tours est inférieur au gain (beta) du transistor Ql, il est alors fourni à Ql tin courant d'attaque de base suffisant pour entretenir sa conduction. Si le rapport de tours est supérieur au gain de Ql, un courant supplémentaire doit être appliqué par un circuit de 35 commande 20 au moyen d'un enroulement supplémentaire (8,9) du secondaire du transformateur afin d'assurer la saturation complète de Ql. 71 41835 -5- 2115341 On supposera pour le moment que le circuit est auto-entretenu, et que le passage de courant dans Ql continue jusqu'à la saturation du transformateur T. Immédiatement après cette saturation, le circuit change d'état et Q2 est amené en conduction 5 par le courant passant dans l'enroulement (6,7) du secondaire du transformateur. La Figure 2 illustre le comportement du circuit. Dans chacune des cinq courbes, le courant est tracé en fonction du temps. La courbe supérieure représente le courant de collecteur 10 du transistor Ql„ La seconde courbe représente le courant de collecteur de transistor Q2, qui se produit alternativement avec celui de Ql. De mille, les troisième et quatrième courbes indiquent le courant de base appliqué par les circuits d'attaque de base du transformateur à réaction de courant connectés aux bases 1$ de Ql et Q2, respectivement, La cinquième courbe indique le courant cumulatif de sortie appliqué à la charge. Dans chacune des courbes, le trait plein représente la conduction à pleine charge alors que le trait interrompu représente la conduction à charge partielle donnant une indication quantitative de la diminution 20 du courant d'attaque à charge réduite. La conduction de chacun des transistors Ql et Q2 se produit jusqu'à la saturation du transformateur dans chaque sens d'aimantation. Le circuit continue la commutation de cette manière selon un fonctionnement similaire à un oscillateur synchronisé 25 à noyau, tel qu'un oscillateur Royer, sans toutefois exiger autant de puissance pour son attaque. Le courant de base des transistors peut être exprimé par : X _ Charge N(l.2) Charge N(3.4) B~ '''(5,6) N(6,7) 30 et peut donc être ainsi une faible fraction du courant de charge pour toute valeur de ce dernier. Si l'on choisit un rapport de tours légèrement inférieur au gain des transistors dans le cas le plus mauvais, l'appareil de commutation fournira automatiquement le degré correct d'attaque 35 pour toute condition de charge, quelles que soient les variations de la tension d'entrée. Cette caractéristique est désirable pour l'élimination des anomalies. De forts courants anormaux peuvent 71 41835 ■6- 2115341 passer sans accroître la complexité du circuit de commande. Le circuit une fois démarré, restera en conduction jusqu'à ce que le courant de charge s'abaisse au-dessous du niveau du courant de réalimentation, ou qu'il soit arrêté par un disposi-5 tif de couplage d'un circuit indépendant de commande 20 représenté d'une façon générale à la Figure 1. La valeur du courant de maintien est déterminé par les pertes dans le transformateur et les pertes de gain des transistors aux faibles niveaux de courant. Pour cette dernière raison, il est nécessaire de fournir une légè-10 re quantité d'énergie à l'installation au moyen de l'enroulement (8,9) supplémentaire du secondaire afin d'entretenir la conduction aux conditions à vide. En outre, puisque le circuit peut par ail-' leurs être auto-entretenu, l'agencement doit être pourvu de quelque moyen d'arrêt de l'appareil de commutation. 15 La Figure 3 représente un exemple de circuit 20 de com mande marche/arrêt, qui peut être utilisé dans l'agencement de la Figure 1. Ce circuit comprend quatre transistors 03, Q4, Q5 et Q6, de type FNP dans le présent exemple, dont tous les émetteurs sont connectés à la source de courant 10. Le collecteur de Q3 est 20 connecté à la base de Q4 et au collecteur de Q6 au moyen de la résistance R2. Le collecteur de Q4 est connecté à la base de Q3 et au collecteur de Q5 par la résistance RI. Les bases de Q5 et de Q6 sont interconnectées par les résistances R4 et R5 avec une résistance supplémentaire R6 connectée en un point situé entre R4 25 et R5 et à la source de courant 10. Les transistors Q3, Q4, Q5 et Q6 sont donc interconnectés de manière à constituer trois voies de courant 22, 23 et 24 dans chacune desquelles est' intercalée une diode CR2, CR3 et CR4, respectivement, ayant une conduction unidirectionnelle vers le 30 collecteur d'un autre transistor Q7 du type NEW, dont l'émetteur est à la masse et dont la base est disponible pour recevoir un signal de commande marche/arrêt. L'enroulement (8,9) du transformateur est connecté aux bornes des voies 22 et 23. La prise centrale de l'enroulement (8,9) est connectée à l'émetteur à la 35 terre de Q7 par la combinaison en parallèle de la résistance R3 et de la diode CRI, et également au moyen de la capacité Cl à la source 10. 71 41835 -7- 2115341 Lorsqu'aucun signal d'entrée n'est appliqué à la base de Q7, celui-ci est bloqué et par suite aucun signal de base n'est appliqué aux transistors Q5 et Q6 de sorte que ceux-ci sont également bloqués. Dans ces conditions, la combinaison comprenant les 5 transistors Q3, Q4, les résistances RI, R2, R3, la capacité Cl et le tranformateur oscille à la manière d'un oscillateur Royer à intensité de courant limitée. La valeur de R3 et le nombre de tours de l'enroulement (8,9) des transistors sont choisis de manière a appliquer une faible attaque de base aux transistors Ql et Q2, en 10 tenant compte de la valeur spécifiée de Vcc. Si un signal de commande est appliqué à la base de Q7, celui-ci se sature, ainsi que Q5 et Q6. La saturation de Q5 et Q6 met en inactivité l'oscillateur Royer alors que les diodes de redressement et Q7 constituent une voie de courant qui éteint et 15 coupe les interrupteurs de puissance Ql et Q2. L'appareil de commutation reste coupé jusqu'à la suppression du signal de commande appliqué à la base de Q7. Le tableau ci-dessous est donné à titre d'exemple pour identifier les éléments qui peuvent être utilisés pour la mise en 20 oeuvre de l'invention : TABLEAU Transformateur T Transistors Ql et Q2 25 V cc RL Résistance de charge Enroulements primaires 1,2 et 3,4 Enroulements secondaires 30 5t6 et 6,7 Enroulement secondaire 8,9 Transistors Q3, Q4, Q5 et Q6 Transistor Q7 Résistances RI et R2 35 Résistance R3 Résistance R4, R5 et R6 CRI et CR4 CR2 et CR3 Cl Magnetics Inc. Type 50056-1D Westinghouse Type 1763-1020 ou 1763-1010 30 V courant continu 3 ohms 1 tour chacun 10 tours chacun 120 tours au total 2N2904A 2N2102 3 kilohms, 1/2 W 510 ohms , 1 W 20 kilohms, 1/2 W 1N4003 Westinghouse type 388A 1 microf. 35 V courant continu 71 41835 -8- 2115341 L'usage de l'invention abaisse appréciablement la dissipation de puissance en réduisant les pertes des circuits de commande de base de 80 à 90 % à pleine charge. Par exemple, on a fait fonctionner le circuit décrit avec une dissipation mesurable 5 de puissance 0,15 watt que l'on peut comparer à un circuit équivalent de commande de bases avec courant d'attaque fixe donnant des pertes de 1,2 watt. Ces chiffres se rapportent aux conditions à pleine charge. Aux conditions à 50 % de charge nominale, le perfectionnement est encore plus marqué dans le pourcentage de réduc-10 tion de dissipation. Cette réduction est au plus haut point désirable pour donner le rendement maximal possible à vide, qui dans un tel appareillage est susceptible de durer pendant des périodes appréciables. 71 41835 -9- 2115341 REVENDICATIONS 1. Appareil de commande d'application de puissance continue à une charge, caractérisé en ce qu'il comprend un premier et un second interrupteurs statiques, pourvus chacun d'une premiè-5 re, d'une seconde, et d'une troisième électrodes; un transformateur pourvu d'un noyau saturable, d'un circuit primaire et au moins d'un circuit secondaire; le circuit primaire comportant deux parties d'enroulement composées chacune d'un tour au moins, connecté entre une alimentation continue et chacune des premières électro-10 des des interrupteurs statiques, le circuit secondaire comportant deux parties d'enroulement ayant chacune un certain nombre de tours connectés aux bornes des seconde et troisième électrodes de chacun des interrupteurs statiques, les secondes électrodes se situant à différentes positions sur ces parties d'enroulement 15 secondaire afin d'obtenir des signaux de commande destinés à alterner l'état des interrupteurs statiques au moment de la saturation du noyau du transformateur, les troisièmes électrodes des interrupteurs statiques étant connectées en commun en un point situé entre les parties d'enroulement secondaire et à la charge. 20 2. Appareil selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le transformateur est pourvu d'un second circuit secondaire connecté à un dispositif destiné à commander indépendamment l'action de commutation des premier et second interrupteurs statiques. 25 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ces interrupteurs statiques sont des transistors, et ces secondes électrodes sont les électrodes de bases de ces derniers. 4. Appareil selon la revendication 3 caractérisé par le 30 fait que ces transistors ont chacun un gain entre la base et les collecteurs supérieur au rapport de tours entre l'une des parties du circuit secondaire et l'une des parties du circuit primaire. 5. Appareil selon la revendication 2 caractérisé par le fait que le dispositif destiné a commander indépendamment 35 l'action de commutation de ces transistors comprend un premier, un second, un troisième et un quatrième transistors de même polarité, pourvus chacun d'un émetteur, d'une base et d'un collecteur; les 71 41835 -10- 2115341 émetteurs de chacun des premier, second, troisième, et quatrième transistors étant connectés en commun à l'alimentation continue, le collecteur du premier transistor étant directement connecté à un côté du second circuit secondaire et connecté par une résis-5 tance à la base du second transistor ainsi qu'au collecteur du troisième transistor; le collecteur de ce second transistor étant directement connecté à l'autre côté du second circuit secondaire et connecté par une résistance à la base du premier transistor et au collecteur du quatrième transistor; les bases des troisième 10 et quatrième transistors étant mutuellement connectées par résistance, une résistance supplémentaire étant connectée entre le point milieu des résistances intercalées entre les bases des troisième et quatrième transistors et l'alimentation continue; un cinquième transistor, de polarité opposée à celle des premier, 15 second, troisième et quatrième transistors ayant son collecteur connecté respectivement par l'ihtermédiaire de trois diodes de même polarité à chaque côté de ce second circuit secondaire et au point milieu des résistances intercalées entre les bases des troisième et quatrième transistors; l'émetteur de ce cinquième tran-20 sistor étant connecté au point milieu du second circuit secondaire la base du cinquième transistor étant disponible pour l'application de signaux d'entrée de commande Marche/Arrêt.