Brevet FR2126336A1 — publié le 19721006

Cette invention se rapporte à un convertisseur de tension continue en une autre tension continue. Comme il est bien connu, un type possible de convertisseur écïèteur avec point milieu est constitué par une paire de 5 commutateurs à transistors,ou par des dispositifs similaires, destinés à connecter alternativement une des bornes d'une source de tension continue aux extrémités opposées de 1*enroulement primaire d'un transformateur, le point milieu de cet enroulement primaire étant relié à l'autre borne de la source de courant continu# 10 De cette manière, des impulsions de polarité alternée vont apparaître aux bornes du secondaire du transformateur et pourront ttre redressées afin de produire un signal continu, de tension inférieure ou supérieure à la tension appliquée au primaire, selon le rapport du nombre de tours du transformateur. 15 Un circuit de ce type est constitué de manière qu'un des transistors soit conducteur pendant que l'autre est bloqué, et vice-versa. Cependant, il peut arriver que les périodes de conduction des deux transistors se recouvrent. Dans ce cas, le nombre d'ampères-tours total sur l'enroulement primaire est nul et l'en-20 trée se trouve en fait mise à la masse, donnant naissance à des pointes de courant dangereuses. En outre, si les deux transistors sont attaqués avec des impulsions de largeur inégale, ou si les nombres de tours des demi-primaires du transformateur sont inégaux, le transformateur se trouve en fait attaqué à partir d'une tension 25 à basse impédance, ce qui signifie que le courant peut, à nouveau, atteindre des niveaux destructeurs. Enfin, en raison du recouvrement lent des redresseurs du secondaire, au moment du déblocage d'un transistor d'attaque, le redresseur laisse passer un courant inverse qui, vu par le primaire, devient un court-circuit, et 30 provoque un courant primaire élevé durant ce temps de recouvrement. D'autres dispositions soht possibles, dans lesquelles la prise centrale du primaire du transformateur n'est pas connectée à la masse, mais dans lesquelles des pointes de courant dangereuses peuvent se produire, par exemple lorsque les deux interrupteur* 35 du montage sont débloqués durant la mime période. Dans les convertisseurs de ce type, et conformes à la technique antérieure, ces difficultés peuvent être tolérées si on 72 06076 -2- 2126336 prend la précaution de s'assurer que les largeurs d'impulsions sont équilibrées et que les transistors ne sont jamais rendus conducteurs simultanément. De plus, des diodes à recouvrement rapide sont utilisées et les fréquences de commutation sont main-5 tenues faibles, de telle sorte que les incertitudes dans les largeurs d'impulsion ne provoquent que des courants de fonctionnement tolérables. La présence inhérente de ces courants conduit à un bruit d'interférence radio-électrique plus élevé, à une fatigue supérieure des composants, à des conceptions plus complexes pour 10 maintenir un équilibrage soigné des impulsions, et des fréquences de commutation plus faibles, nécessitant donc dés composants réactifs plus importants et amenant une réponse plus lente des dispositifs. Dans le passé, des tentatives ont été faites pour élimi-15 ner ces difficultés en connectant la sortie des redresseurs de l'enroulement secondaire du transformateur aux bornes d'une portion d'une bobine de choc, de telle sorte que l'énergie emmagasinée dans le transformateur et qui se manifeste dans le cas d'une mauvaise adaptation du rapport du nombre de tours primaires ou de 20 l'inégalité des largeurs d'impulsions, peut se décharger à travers l'inductance de choc de sortie. Bien que ce circuit présente des avantages, le fonctionnement devient moins avantageux pour des facteurs d'utilisation élevés des commutateurs primaires. L'objet de l'invention est un convertisseur écreteur 25 continu-continu qui élimine les problèmes mentionnés ci-dessus. Dans ce but, l'invention réside dans un convertisseur écreteur comprenant une source de courant continu, un transformateur présentant des enroulements primaires et secondaires, au moins une paire de dispositifs de commutation reliés à ladite sour-30 ce de tension continue afin d'inverser périodiquement le flux de courant à travers l'enroulement primaire dudit transformateur, un condensateur de filtrage de sortie, des moyens comprenant un redresseur reliant l'enroulement secondaire dudit transformateur audit condensateur de filtrage de sortie, un transformateur de ré-35 cupération possédant des enroulements primaire et secondaire, des moyens renfermant l'enroulement primaire dudit transformateur de récupération placé en série avec lesdits interrupteurs, afin de 72 06076 ~3" 2126336 relier ladite source de potentiel audit enroulement primaire du transformateur premier cité, et des moyens de conduction unidirectionnels reliant l'enroulement secondaire dudit transformateur de récupération audit condensateur de filtrage. 5 D'autres formes de l'invention représentées ici n'em ploient pas d'enroulement primaire à point milieu, mais utilisent quand mime l'idée de base de l'utilisation de l'enroulement du transformateur de récupération en série avec les interrupteurs de coupure, pour la limitation des courants de commutation. 10 Les objectifs et les caractéristiques de l'invention déjà mentionnés, ainsi que d'autres, deviendront plus clairs d'après la description détaillée suivante, donnée en liaison avec les dessins annexés dans lesquels: La Figure 1 est un schéma de principe d'une forme de 15 l'invention ; La Figure 2 est un schéma de principe d'une autre forme de l'invention ; La Figure 3 est un schéma de principe d'une nouvelle forme de l'invention ; 20 La Figure 4 est un schéma de principe d'encore une autre forme de l'invention. En se référant maintenant aux illustrations, et en particulier à la Figure 1, on voit que le circuit représenté comprend une paire de bornes d'entrée 10 et 12, sur lesquelles une source 25 de tension continue, non représentée, est appliquée avec les polarités indiquées, c'est-à-dire que la borne 10 se trouve à un potentiel positif par rapport à la borne 12 qui est mise à la masse. La Borne 10 est reliée à travers les collecteurs et émetteurs de deux transistors de commutation 14 et 16 aux extrémités opposées 30 de l'enroulement primaire 18 du tranformateur 20„ Les bases des transistors 14 et 16 sont à leur tour connectées à un circuit de commande de commutation 22 qui est constitué de manière à déble-quer alternativement les deux transistors. line prise médiane de l'enroulement primaire 18 du trare-35 formateur 20 est reliée, par l'intermédiaire de l'enroulement primaire 24 d'un deuxième transformateur de stockage d'énergie, ou transformateur de récupération 26, à la masse et, de là, à la 72 06076 2126336 borne d'entrée 12. En parallèle sur l'enroulement primaire 24, se trouve la combinaison série d'une résistance 28 et d'un condensateur 30. L'enroulement secondaire 32 du transformateur 20 est 5 relié à travers un redresseur en pont double alternance 34 à un condensateur de filtrage 36, aux bornes duquel la tension continue de sortie va apparaître. La relation entre la tension de sortie Eq et la tension d'entrée Ej va, bien entendu, dépendre du rapport de tours des enroulements du transformateur 20o L'enroulement $e-10 condaire 40 du transformateur de réaction et d'emmagasinage 26 est également relié à la borne active du condensateur 36, à travers la diode 38. L'autre extrémité de cet enroulement est mise à la masse, comme représenté sur le schéma. Dans le but d'expliquer le fonctionnement du montage, on 15 supposera que le transistor 14 est initialement conducteur. Dans ces conditions, une tension va apparaître avec la polarité indiquée aux bornes de la moitié supérieure de l'enroulement primaire 18, produisant une tension aux bornes de l'enroulement secondaire, avec la polarité indiquée. Lorsque le transistor 14 est bloqué, 20 le transistor 16 est conducteur et une tension apparaît aux bornes de la moitié inférieure de l'enroulement primaire 18, avec la polarité indiquée, et la tension aux bornes de l'enroulement secondaire 32 est inversée. Après redressement, cependant, on obtiant une tension de mime polarité, aux bornes de la capacité 36. 25 En négligeant pour le moment le transformateur 26, il peut se produire que les deux interrupteurs 14 et 16 soient conducteurs à un même instant. Dans ces conditions, les tensions opposées sur les moitiés supérieure et inférieure de l'enroulement primgire 18, produisent un nombre d'ampères-tour total égal à zéro. 30 Si la prise médiane de l'enroulement 18 est mise à la masse, ce qui est le cas usuel, l'entrée se trouve alors en fait mise à la masse, donnant naissance à des poihtes de courant importantes qui peuvent endommager les transistors 14 et 16 ainsi que d'autres composants du circuit. De plus, si les transistors 14 et 16 sont 35 attaqués avec des largeurs d'impulsion inégales, ou bien si le nombre de tours des deux demi-primaires du transformateur est différent, le transformateur se trouve en fait attaqué par une source 72 06076 -5- 2126336 de tension à basse impédance, et les courants peuvent à nouveau atteindre des niveaux dangereux. Enfin, en raison de leur recouvrement lent, les diodes du pont redresseur 34, lors du déblocage des transistors de commutation, autorisent la circulation d'un 5 courant inverse qui, pour le primaire, est l'équivalent d'un court circuit, et provoque un courant primaire élevé durant cette période de recouvrement. En accord avec la présente invention, le point milieu de l'enroulement primaire 18, au lieu d'être relié directement à 10 la masse, y est connecté à travers l'enroulement primaire 24 du transformateur de récupération 26. Dans ces conditions, lorsque le transistor 14 est débloqué, le courant circule dans l'enroulement primaire 24 pour y produire une tension avec la polarité indiquée. Ceci produit, aux bornes de l'enroulement secondaire 40, 15 une tension de polarité indiquée sur la Figure 1 qui signifie que la diode 38 est polarisée en inverse. Il en est de même lorsque le commutateur 16 est débloqué puisque durant cette période, la polarité aux bo±nes de l'enroulement primaire 24 est la même que celle indiquée sur les Figures. L'induetànce de l'enroulement 20 primaire 18 est élevée et, comme dans un transformateur de courant, un courant proportionnel au courant primaire est redressé par le redresseur 34 et appliqué au condensateur 36 lorsque l'un ou l'autre des interrupteurs 14 et 16 est conducteur. Lorsque les deux interrupteurs 14 et 16 sont bloqués, le courant ne peut plus cir-25 culer dans l'enroulement primaire 24 du transformateur de récupération 26. En conséquence, l'énergie inductive emmagasinée dans ce transformateur se décharge à travers la diode 38 dans le condensateur 36, également avec la polarité indiquée. Si les deux interrupteurs sont bloqués, très peu de courant *e trouve fourni au 30 redresseur en pont 34 puisque le transformateur 20 n'emmagasine que très peu d'énergie. Le fonctionnement peut être résumé en disant que durant la conduction des interrupteurs 14 et 16, l'énergie est fournie par le transformateur 20. Inversement, durant les temps de bloca-35 ge des transistors 14 et 16, l'énergie est fournie par le transformateur de réaction 26 à travers la diode 38. Si l'inductance de l'enroulement primaire 24 du transformateur de récupération 26 72 06076 -6' 2126336 est suffisamment grande, les ampères-tours restent relativement constante et indépendante de l'état ouvert ou fermé des interrupteurs 14 et 16 et de celui qui est ouvert ou fermé. Ainsi, les courants de commutation tendent à être d'amplitude égale et cons-5 tant». Dans le cas de la cônâuction simultanée des interrupteurs 14 et 16, le courant est de nouveau limité par le transformateur de récupération 26 et ainsi des courants destructeurs ne peuvent apparaître. Le condensateur 36 reçoit un courant de charge ininterrompu, sauf lorsque les deux commutateurs sont conducteurs si-10 multanément, par le fait que c'est soit le transformateur 20, soit le transformateur 26 qui fournit le courant. Par un choix convenable du rapport de tours des transformateurs 20 et 26, le courant de charge dans le condensateur 36 peut être exempt de discontinuités, qui pourraient être provoqués par l'inégalité des courants 15 fournis par ces deux transformateurs. La résistance 28 et le condensateur 30 sont ajoutés au circuit car l'inductance de fuite de l'enroulement 24 nécessite un circuit suppresseur de transitoires du type RC série, pour limiter la pointe de tension transitoire sur les commutateurs. D'autres méthodes de limitation des pointes 20 de tension peuvent être utilisées, comme les systèmes de verrouillage par diode sur une autre tension, et des limiteurs de tension à diode Zener. En tenant compte du fait que l'enroulement secondaire du transformateur 20 est connecté à une tension de sortie régulée, la densité de flux du transformateur 20 est déterminée 25 par la tension sur la charge et non pat la tension d'entrée. Ceci peut permettre d'utiliser un transformateur 20 plus petit puisqu1 il n'a pas besoin de supporter les tensions transitoires d'entrée. De plus, la totalité de la puissance de sortie n'est pas fournie par le transformateur 20. 30 Sur la Figure 2, une autre forme de l'invention est re présentée qui comprend une paire de bornes d'entrée 38 et 40, 1® borne 40 étant mise h la masse. La borne 38 est connectée à un pont de commutation comprenant les transistors 40 et 42 et les transistors 44 et 46 reliés à un circuit de commande de commuta-35 tion 48. Le point de jonction des transistors 40 et 46 est relié à une extrémité de l'enroulement primaire du transformateur 50 a-lors que le point de jonction des transistors 44 et 42 est relié 72 06076 ■7 2126336 à l'autre extrémité de l'enroulement primaire du transformateur 50. La borne 39 opposée diagonalement à la borne 38 du circuit en pont est relié à la masse, à travers l'enroulement primaire du transformateur de réaction 52. 5 L'enroulement secondaire du transformateur 50 est mis à la masse, comme représenté ; et ses deux extrémités sont reliées, à travers les diodes 54 et 56, a une borne du condensateur 58 dont l'autre borne est mise à la masse. L'enroulement secondaire du transformateur 52 est relié, à travers la diode 60, au condensa-10 teur 58, comme représenté. Le fonctionnement du circuit de la Figure 2 est essentiellement le même que celui de la Figure 1, sauf que les transistors 40 et 42 sont conducteurs ensemble, suivis par la conduétion des transistors 44 et 46. Lorsque les transistors 40 et 42 sont 15 conducteurs, une tension est produite aux bornes de l'enroulement primaire du transformateur 50, avec la polarité indiquée. Cependant, lorsque les interrupteurs 44 et 46 soht conducteurs, la polarité aux bornes de l'enroulement primaire du transformateur 50 est inversée. La polarité aux bornes de l'enroulement primaire du 20 transformateur 52 cependant reste la même lorsque les interrupteurs sont conducteurs et, par suite, la diode 60 reste bloquée, sauf lorsque les commutateurs à transistors sont bloqués ensemble et que l'énergie stockée dans le transformateur 52 peut se décharger dans le condensateur 58. Durant une demi-période du fonctionnement, 25 la polarité aux bornes de l'enroulement secondaire du transformateur 50 sera telle qu'elle provoquera la conduction de la diode 54; et lorsque la polarité est inversée, la diode 56 conduira à son tour. A part ceci, le fonctionnement du circuit est essentiellement le même que celui de la Figure 1, le transformateur 52 limi-30 tant les courants dans l'enroulement primaire du transformateur 50 et agissant pour fournir du courant au condensateur 58 durant les périodes du blocage des transistors de commutation. Si on se réfère maintenant à la Figure 3, on voit une autre forme de l'invention dais laquelle le transformateur de 35 réaction et de stockage d'énergie 60 est muni de deux enroulements primaires 62 et 64. Les points milieu des enroulements primaires 62 et 64 sont reliés à leur tour aux extrémités opposées d'un enroulement primaire 66 du transformateur de sortie 68. 72 06076 2126336 L'enroulement secondaire 70 du transformateur 68 est relié à travers le redresseur des doubles alternances 72 à une extrémité d'un condensateur de filtrage de sortie 74, d'une manière similaire à celle des formes des Figures 1 et 2. 5 Les extrémités opposées de l'enroulement primaire 62 sont reliées à travers les commutateurs à transistors 76 à 78 à la borne positive 80 d'une source de tension, et à la masse, respectivement. De manière similaire, les commutateurs à transistors 82 et 84 relient les extrémités opposées de 1*enroulement 64 à la 10 borne 80 et à la masse. Un enroulement secondaire 86 du transformateur 60 a une extrémité mise à la masse et son autre extrémité est reliée à travers la diode 88 au condensateur de filtrage 74„ Les interrupteurs à transistors 76-78 et 82-84, sont commandés par un circuit de commande de commutation désigné globalement par 15 la référence 90. Lors du fonctionnement du circuit de la Figure 3, le commutateur 82 est passant en mime temps que le commutateur 78, et les deux autres' commutateurs sont bloqués. De la mime manière, les commutateurs 76 et 84 seront conducteurs alors que les commu-20 tateurs 82 et 78 seront bloqués. Supposons que les commutateurs 82 et 78 soient conducteurs, le courant va circuler à travers la moitié supérieure de l'enroulement 64, à travers l'enroulement 66, à traders la moitié inférieure de- l'enroulement 62 et à travers le commutateur 70 vers la masse. Lors de la demi-période suivante, 25 les commutateurs 82 et 78 se bloquent et les commutateurs 76 et 84 deviennent passants, ce qui provoque maintenant la circulation d'un courant dans la moitié supérieure de l'enroulement 62, l'enroulement 66 dans la direction inverse, la moitié inférieure de l'enroulement 64, le commutateur 84 et la masse. 30 On peut voir que , durant la circulation normale de cou rant dans les enroulements 62 et 64, un potentiel est établi aux bornes de l'enroulement secondaire 86, tel que son extrémité inférieure soit négative par rapport à son extrémité supérieure qui est à la masse. En conséquence, la diode 86 ne sera pas conduc-35 trice dans ces conditions. Cependant, si se présentent des conditions dans lesquelles tous les commutateurs sont conducteurs, le courant à travers les enroulements va s'inverser, amenant l'extré- 72 06076 -9- 2126336 mité inférieure de l'enroulement 86 à uhe valeur positive et provoquant la conduction de la diode 88 et permettant à l'énergie stockée dans le transformateur de réaction de s'écouler vers le condensateur de filtrage 74 à travers cette diode 88. 5 Sur la Figure 4, on voit encore une autre forme de l'in vention, dans laquelle la source de potentiel est appliquée aux bornes d'une paire de condensateurs 92 et 94, placés en série. Les condensateurs 92 et 94 se trouveront ainsi chargés avec la polarité indiquée. La borne positive 96 est connectée à travers 10 le commutateur à transistor 98 à l'extrémité supérieure de l'enroulement primaire 100 d'un transformateur de réaction et d'emmagasinage d'énergie 102. De manière semblable, l'extrémité à la masse du condensateur 94 est reliée, à travers le commutateur à transistor 104, à l'éxtrémité inférieure de l'enroulement primai-15 re 100. Une prise médiane sur l'enroulement 100 est reliée à travers l'enroulement primaire 106 du transformateur de sortie 108, au point de jonction des condensateurs 92 et 94. L'enroulement secondaire 110 du transformateur de sortie 108 est connecté à travers un redresseur 112 des deux alternances au condensateur de 20 filtrage de sortie 114 et d'une manière semblable aux autres éléments déjà décrits. L'enroulement secondaire 116 du transformateur 102 est à nouveau connecté à travers une diode 118 au condensateur de filtrage 114, afin que l'énergie stockée puisse être déchargée dans 25 le condensateur 114 lorsque les deux interrupteurs 98 et 104 sont passants. Les interrupteurs 98 et 104 sont commandés par le circuit de commande de commutation 120. Le fonctionnement du circuit de la Figure 4 est quelque peu similaire à celui de la Figure 1, c'est-à-dire que lorsque le 30 commutateur 98 est passant, le courant va circuler à travers la moitié supérieure de l'enroulement 100, et à travers l'enroulement 106, amenant le courant à circuler dans l'enroulement secondaire 110 dans une direction donnée. Lorsque l'interrupteur 98 se bloque, et que l'interrupteur 104 devient passant, la circulation de 35 courant dans l'enroulement secondaire est inversée. Lorsque les deux interrupteurs se bloquent, par exemple, le transformateur 102 transfère dans le condensateur 114 l'énergie qu'il a emmagasinée dans la diode 118. 72 06076 -10- 2126336 REVENDICATIONS 1. Convertisseur limiteur caractérisé par le fait qu' il comprend une source de tension continue, un transformateur comportant des enroulements primaire et secondaire, une paire au 5 moins de dispositifs de commutation reliés à ladite source de tension continue et destinés à inverser périodiquement le flux de courant à travers l'enroulement primaire dudit transformateur, un condensateur de filtrage de sortie, un circuit renfermant un redresseur reliant l'enroulement secondaire dudit transformateur 10 audit condensateur de filtrage de sortie, un transformateur de réaction possédant des enroulements primaire et secondaire, des circuits placés en série avec lesdits commutateurs et renfermant l'enroulement primaire dudit transformateur de réaction et reliant ladite source de potentiel à l'enroulement primaire du transformais teur cité en premier, et des moyens de conduction uni-direction-nelle reliant l'enroulement secondaire dudit transformateur de réaction audit condensateur de filtrageo 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif uni-directionnel reliant l'enroule- 20 ment secondaire du transformateur de réaction au condensateur de filtrage de sortie est orienté de manière à conduire le courant lorsque les deux commutateurs de ladite paire de commutateurs sont passants, l'énergie stockée se déchargeant alors à travers ce dispositif uni-directionnel dans ledit condensateur de filtra-25 ge. 3. Convertisseur selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait qu'il comporte une résistance et un condensateur en série placés en parallèle sur l'enroulement primaire dudit transformateur de réaction. 30 4. Convertisseur selon la revendication 1 ou 2, carac térisé par le fait qu'il comporte quatre dispositifs de commutation, dont deux connectent une borne de la source à une extrémité de l'enroulement primaire du transformateur cité en premier, et dont les deux autres connectent la même borne de la source, à 35 l'autre extrémité du même enroulement primaire ; et dans lequel une prise médiane située sur l'enroulement secondaire du transformateur cité en premier est connectée à l'autre borne de la source, 72 06076 -ii- 2126336 ledit redresseur étant constitué par une paire de diodes connectées aux extrémités opposées de l'enroulement secondaire du transformateur cité en premier. 5. Convertisseur selon les revendications 1 ou 2, dans 5 lequel ledit transformateur de réaction possède deux enroulements primaires, caractérisé par le fait qu'il comporte une première paire de dispositifs de commutation connectant les extrémités opposées de l'un desdits enroulements primaires à ladite source de courant continu, une deuxième paire de dispositifs de commuta-10 tion connectant les extrémités opposées du deuxième de ces enroulements primaires à ladite source de courant continu, et des moyens connectant les points milieu situés sur les enroulements primaires respectifs du transformateur de réaction aux extrémités opposées de l'enroulement primaire du transformateur premier cité» 15 6. Convertisseur selon les revendications 1 ou 2, ca ractérisé par le fait qu'il comporte une paire de condensateurs connectés entre les bornes opposées de ladite source de courant continu, l'enroulement primaire du transformateur premier cité étant connecté entre le point de jonction desdits condensateurs 20 placés en série et un point milieu de l'enroulement primaire dudit transformateur de réaction.