Brevet FR2115441A1 — publié le 19720707

La présente invention concerne des convertisseurs tension continue/tension continue et, plus particulièrement, des convoi— tisseurs destinés S. donner une tension de sortie continue st:: i-lisée à partir d'une tension continue d'entrée. 5 Dans des convertisseurs de ce type, on sait que la tension continue d'entrée devant être stabilisée est découpée ou puisée au moyen de deux ccmr.utateurs montes symétriquement ou en "push-pull" constitués généralement par des transistors de puissance. La tension rectangulaire ainsi obtenue est envoyée sur un redres-10 seur par 1'intermédiaire d'un transformateur. La tension redressée passe alors dans un organe de filtrage dans laquelle les composantes de tension alternative de la tension redressée sont éliminées par filtrage. Le but de la conversion en un train d'impulsions est de permettre de réguler le niveau de la tension re— 15 dressée et filtrée en fonction d'une tension de référence, de façon telle qu'on obtienne une tension de sortie stabilisée. Dans ce cas, la régulation est généralement effectuée de telle sorte que la durée d'impulsion de la tension rectangulaire engendrée par les commutateurs puisse varier tandis que la période de cette 20 tension est maintenue constante. De ce fait, on peut faire varier la valeur moyenne de la tension redressée et filtrée et obtenir une tension de sortie stabilisée. Un exemple d'un tel convertisseur connu est décrit dans l'article "Power supplies" dans la revue "The Bell System ïechni-25 cal Journal", 1969, pages 10^7-1055- Conformément à cette réalisation, ce convertisseur est utilisé pour des ensembles d'alimentation à distance destinés à des systèmes de télécommunication. Dans le convertisseur représenté sur la page 10503 figure 3, la régulation de la largeur d'impulsion (la surface d'impul-30 sion) est réalisée au moyen d'un amplificateur magnétique (pages 1051-1052). Ces types d'amplificateurs présentent généralement 1 'inconvénient d'être coûteux et de nécessiter un long travr-i:! 1 de construction afin d'obtenir les conditions désirées. La présente invention vise donc un convertisseur dans lequel la 35 ti on ce la ter. si or. cent: nue rulcoe, et en conséquence la stérilisation de la tension de sortie, est effectuée au moyen de circuit: à transistors et résistance-capacité réalisés de façon relativement simple. Un objet de la présente invention est de fournir un eonwr- 1 42481 2115441 tisseur du type mentionné ci-dessus où une stabilisation précise de la tension continue d'entrée peut être obtenue avec des composants peu nombreux et bon marché. Un autre objet de l'invention est de fournir un convertisseur du type mentionné ci-dessus dans lequel l'entrée et la sortie sont séparées du point de vue polarité, moyennant quoi ledit convertisseur peut être utilisé avec une masse positive ou négative. La tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à la tension d'entrée. Les caractéristiques et avantages de l'invention assortiront mieux de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente un schéma synoptique d'un convertisseur selon l'invention ; la figure 2 représente un schéma du circuit d'un convertisseur selon 1'invention,décrit plus en détail ; la figure 3 représente des graphiques de formes de courbes de différentes tensions apparaissant dans les circuits selon la figure 2 ; et les figures ^a à 4c représentent des variantes de réalisation de 1'étage/puissance d'un convertisseur selon l'invention. La figure 1 représente un schéma synoptique d'un convertisseur à tension continue stabilisée selon l'invention. Sur cette figure, la référence OD désigne l'étage de puissance du convertisseur avec son étage d'attaque, dans leqùel une tension continue d'entrée U^ est découpée au moyen de deux transistors branchés en push-pull,à une fréquence déterminée en une onde rectangulaire, puis subit une transformation, un redressage et un filtrage. La fréquence peut être choisie arbitrairement dans certaines limites, une valeur convenable étant par exemple de 20kHs. La stabilisation de la tension de sortie U2 est effectuée au moyen d'une régulation de la largeur d'impulsion, c'est-à-dire que la forme de courbe de la tension rectangulaire est modifiée de telle sorte que la puissance est transférée pendant des intervalles plus courts ou plus longs, respectivement, de la période. Le niveau de la tension de sortie est alors détecté au moyen d'un dispositif détecteur FR et il est comparé avec une tension de référence, un signal d'erreur étant alors obtenu. Ce signal d'erreur est, avec, audition a une tension en dents de scie, envoyé 71 42481 3 2115441 sur un dispositif de contrôle de largeur d'impulsion PS. Une-caractéristique de l'invention réside dans le fait qu'un oscillateur de blocage BO est connecte à l'étage de puissance et d'attaque GD et au dispositif de contrôle de largeur d'impulsion 5 PS, l'oscillateur de blocage d'une part déclenchant l'étage d'attaque à la fréquence de fonctionnement appropriée, et d'autre-part délivrant au dispositif de contrôle de largeur d'impulsion ladite tension en dents de scie, à laquelle le signal d'erreur obtenu à partir du détecteur FR est ajouté. 10 Le signal d'erreur, conjointement avec une tension en dents de scie, excite alors l'étage d'attaque du convertisseur, moyennant quoi la durée d'impulsion de la tension rectangulaire varie. Il en résulte une tension stabilisée à la sortie du convertisseur. 15 En se référant à la figure 2, les éléments du circuit du convertisseur seront décrits plus en détail en ce qui concerne les parties entourées par des pointillés correspondant aux éléments selon la figure 1. L'étage de puissance comprend deux transistors de puissance 20 1,4 dont les collecteurs sont connectés par l'intermédiaire de l'enroulement primaire 20a, à un transformateur 20. La commanda de ces transistors de puissance^ en ce qui concerne leur état conducteur ou non conducteur, est effectuée par l'intermédiaire d'un étage d'attaque de façon telle que l'un des deux transistors 25 de puissance,ou aucun des deux,c3:/luise. L'étage d'attaque comprend an multivibrateur c 2rr.p0rt.ant les transistors 2,3 et des éléments de circuit "asscciés comprenant des résistances 29 S 3* et des condensateurs 23, 2-4. le multivibrateur est déclenché :: ar* l'intermédiaire du transformateur- 22 et des diodes 10 et- il 5. .;ne 30 certaine fréquence de f c r.c-t i er.n-.-.r.int qui sera dé cria e plv.i ta détail ci-après. Par 1 ' inte rr.:é di aire du transfcrmaoa ur 21, les impulsions reçues du multi vibrât eur s;nt envoyées sur 1 ' éle rs ;.e de commande de chaque transistor de puissance. L'enroulement secondaire 2Cb du transformateur ie envoie la 35 tension rectangulaire sur un redresseur à doua al", .-aar.ees comprenant les diodes 13 et 14 et cette tension redressée est filtrée au moyen d'une bobine de choc 23 et d'un condensateur 25-La tension de sertie U.-, est détectée au moyen d'une diode de Zener 19 connectée en série avec une résistance 39- La tension de 71 42481 2115441 Zener U de la diode Zener 19. constitue la tension de référence zo et la chute de tension dans la résistance 39 engendre un signal d'erreur qui est appliqué sous forme de tension d'entrée sur un étage amplificateur comprenant le transistor 8 et la résistance 5 38. Ainsi, le signal d'erreur apparaît, amplifié, sur le collecteur du transistor 8. L'oscillateur de blocage BO comprend deux sous-circuits dont l'un comprend le transistor 7, le condensateur 28 et la résistance 37 et les enroulements 22b et 22c associés au trans-10 formateur 22. Cette partie de l'oscillateur de blocage engendre une tension de sortie aux bornes de l'enroulement 22b associé avec le transformateur 22 et la fréquence de cette tension est choisie de telle sorte qu'elle représente deux fois la fréquence de l'étage de puissance. On obtient la réaction nécessaire par 15 les deux enroulements 22b et 22c du transformateur 22. On trouve un exemple d'oscillateur de blocage connu dans la publication suédoise "Transistor puise circuits" par Markesjo, volume I, page 1^9. Une partie de la tension de sortie est envoyée sur l'autre sous-circuit de l'oscillateur de blocage BO, ledit sous-20 circuit comprenant les condensateurs 26, 27, la résistance 36 et la diode 17. Ce circuit constitue un intégrateur donnant une tension de sortie Ug aux bornes du condensateur 27. La tension d'entrée sur ce circuit consiste én un train d'impulsions et, pour cette raison, la tension de sortie Ug est essentiellement 25 une tension en dents de scie présentant une fréquence égale à celle de la tension d'entrée U^. Au point de jonction entre les condensateurs 26 et 27 cependant, la sortie de l'étage amplificateur PR est connectée par l'intermédiaire de la diode 18 et, pour cette raison, la tension en dents de scie augmentera et 30 décroîtra en correspondance avec la variation du potentiel U0. • • - /PS Le dispositif de contrôle de largeur d'impulsion/comprend deux transistors 5 et 6 en cascade. Deux diodes 15 et 16 sont reliées au côté collecteur du transistor 5- Ces diodes seront conductrices ou bloquées en fonction de la variation de la ten-35 sion de collecteur du transistor 5- Lorsque l'une des deux diodes est conductrice, l'enroulement secondaire 21d du transformateur 21 qui est relié aux anodes des diodes 15 et 16, sera mis en court-circuit. De ce fait, les trois enroulements 21a, 21b et 21c seront également en court-circuit et seule une certaine 71 42481 5 2115441 tension résiduelle sera présente aux bornes de ces enroulements. Il en résulte aue les tensions U et U qui commandent la conduc- a c tion et le blocage, respectivement, des transistors de puissance 1 et 4, seront si faibles que les transistors de puissance se-5 ront bloqués en même temps et qu'en conséquence, les impulsions de puissance délivrées par le transformateur 20 sont inhibées. Dans le multivibrateur, les résistances 29 et ont une valeur telle que leur fonctionnement ne soit pas affecté lorsque l'enroulement 21b du transformateur 21 est en court-circuit. Cela 10 implique le fait qu'on leur donne une valeur relativement élevée qui sert en outre à limiter les courants de base des transistors de puissance. On peut connecter en série avec la base de chaque transistor de puissance une combinaison résistance-capacité ou une diode. La charge de base est ainsi rapidement éliminée et 15 l'on obtient de ce fait des temps de commutation plus faibles, ce qui donne alors un meilleur rendement aux convertisseurs. Même une augmentation de la tension résiduelle sur le transformateur 21 lorsqu'il est en court-circuit, contribue à un temps de commutation plus rapide. 20 On décrira maintenant le fonctionnement du convertisseur en référence aux formes de courbes selon la figure 3- Le convertisseur démarre alors que le multivibrateur est en auto-oscillation sur une fréquence inférieure à la fréquence de fonctionnement. Cela ressort du graphique A qui représente la tension sur 25 l'enroulement 20a du transformateur lors du démarrage. Chacun des deux transistors de puissance conduit séparément pendant une demi-période. Après quelques millisecondes, la tension de sortie a augmenté à une valeur située immédiatement au-dessous de la valeur nominale, ce qui est suffisant pour que l'oscillateur de 30 blocage BO, qui est mis en fonctionnement par cette tension, commence à délivrer des impulsions d'attaque au multivibrateur, moyennant quoi ce dernier est déclenché à la fréquence de fonctionnement appropriée, (voir graphique B). Lorsque la tension de sortie a atteint une valeur nominale, la régulation de largeur 35 d'impulsion est effectuée par mise en court-circuit du transformateur 21. Il en résulte que les tensions d'attaque et U , CL G conformément à ce qui a été mentionné ci-dessus, présentent une valeur faible, de sorte que les deux transistors de puissance sont bloqués, on conséquence de quoi les impulsions de tension 71 42481 6 2115441 apparaissant sur l'enroulement 20a du transformateur pendant une certaine durée, représentées par t^ sur le graphique E, sont inhibées. Ainsi, la valeur moyenne pendant une période de la tension redressée diminuera, ce qui implique que le niveau de la 5 tension de sortie décroît, ce qui apparaît sur le graphique C. L'oscillateur de blocage délivre une forme de courbe (D) sur les enroulements de transformateur 22b, 22c. Cette forme de courbe consiste en des impulsions récurantes présentant une fréquence égale à deux fois la fréquence d'impulsion de l'étage de 10 puissance et de l'étage d'attaque du convertisseur, cela afin d'assurer une forme de courbe symétrique de tension sur le transformateur 20. A la fin de chacune des impulsions venant de l'oscillateur de blocage, il apparaît une impulsion inverse sur le transformateur 22, due à l'énergie emmagasinée dans ce transfor-15 mateur, et cette impulsion inverse est envoyée, par l'intermédiaire de l'enroulement 22a, sur le multivibrateur, ce qui déclenche ce dernier à la fréquence de fonctionnement appropriée. La tension en dents de scie engendrée par l'oscillateur de blocage est envoyée, conjointement avec le signal d'erreur obtenu 20 à partir du circuit PR, sur la base du transistor 6 du dispositif de contrôle de largeur d'impulsion PS. Cette tension porte la référence et elle est représentée sur le graphique E. Si la tension de sortie U^ est égale à la tension de référence U de la diode Zener 19, aucun courant ou un très faible zo 25 courant passera dans la résistance 39• Il en résulte que le transistor 8 est bloqué et que le potentiel Ug du collecteur présente une valeur élevée. Comme conséquence, le niveau de la tension en dents de scie est si élevé que le transistor 6, à la base duquel est envoyée cette tension, sera conducteur en permanence. 30 II en résulte que tout le courant passe dans la résistance 35 et dans le transistor 6, et que le transistor 5 ne reçoit aucun courant de base. Le transistor 5 est donc complètement bloqué, le potentiel de son collecteur est élevé et, en conséquence, les diodes 15 et 16 sont bloquées. L'enroulement 21d du transforma-35 teur 21 n'est donc pas mis en court-circuit et, pour cette raison, le multivibrateur travaille sans être affecté et délivre des impulsions d'attaque aux enroulements 21a et 21c. Les transistors de puissance fonctionnent donc alternativement et l'on obtient une tension de sortie sur l'enroulement 20a, conformémont 71 42481 7 2115441 au graphique B. Si la tension de sortie augmente au-dessus de la tensio de Zener U de la diode Zener 19, un courant passe dans la résistance 39• Il en résulte que le potentiel Ug selon la figure 5 présente une valeur décroissante. Il est possible que le transi tor 8 reçoive tant de courant qu'il soit complètement sature, 1 potentiel 8 décroissant alors à une valeur proche de zéro. La tension en dents de scie Ug issue de l'oscillateur de blocage n'atteint alors pas la valeur nécessaire pour rendre le transis 1Q tor 6 conducteur, ce dont il résulte que le transistor 5 reçoit un courant de base à partir de la résistance 35 et qu'il est amené à son état conducteur. Cela implique que les diodes 15 et 16 commencent à conduire et que 1'enroulement 2id du transforma teur soit en court-circuit. Ce court-circuit est maintenu aussi 15 longtemps que la tension Ug est située au-dessous de la valeur amenant la saturation du transistor 5. Cette durée est represer. tée par t^ sur le graphique E, tandis que la durée pendant laquelle la mise en court-circuit cesse est indiquée par t^. Il ressort du graphique E que la tension en dents de scie Ug est i 20 férieure au seuil U^ pendant le temps t^ et, pour cette raison, le transformateur 21 est mis en court-circuit pendant cette durée, tandis que la tension en dents de scie Ug est supérieure au seuil pendant le temps où le court-circuit: cesse. Sur le graphique E, la valeur de seuil Ut est constante, tandis 25 que le niveau de la tension en dents de scie varie en fonction du signal d'erreur. Il ressort du graphique H que le multivibrateur délivre une tension si faible aux transistors de puissance pendant le temps t„ que lesdits transistors restent à l'état bloqué tandis que, pendant le temps t£j une tension d'at 30 taaue est envoyée auxdits transistors et chacun d'eux conduit séparément à son tour pendant une demi-période de la tension du transformateur 20 (voir graphique C). Le graphique F représente une tension de multivibrateur non affectée et le graphique 1 représente la tension du multivibrateur lorsque le transforroateur 35 est en court-circuit pendant la totalité de la période. Il ressort de ces formes de courbe que, si le transformaeur est en court-circuit pendant le temps t^ alors que le couro-circuit cesse pendant le temps la forme de courbe de la tension sera obtenue (et en conséquence les tensions U et U ) conformé 71 42481 8 2115441 ment au graphique H. Il y a lieu de -noter que la phase de la tension en dents de scie, conjointement au signal d'erreur amplifié (tension TJg), est telle qu'une mise en court-circuit démarre à chaque fois que 5 le multivibrateur change son état et qu'un transistor de puissance' cesse de conduire. Il est en outre important que l'oscillateur de blocage engendre la montée de la tension en dents de scie avant le déclenchement de l'étage d'attaque par'1'intermédiaire de l'enroulement 22a. Il y aurait autrement un risque 10 selon lequel l'un des transistors de puissance conduirait pendant un bref instant avant que puisse avoir lieu une mise en court-circuit possible du transformateur 21. Ce retard it est obtenu en déclenchant la montée de la tension en dents de scie au commencement de l'impulsion de l'oscillateur de blocage (con-15 formément au graphique D) et en déclenchant le multivibrateur à la fin de l'impulsion, l'énergie emmagasinée quittant alors le transformateur 22 de la façon décrite ci-dessus. L'étage de puissance du convertisseur peut être réalisé de nombreuses façons suivant l'amplitude la tension d'entrée TJ^. 20 Les figures 4a, 4b et 4c représentent respectivement des formes de réalisation de l'étage de puissance pour une utilisation avec une tension d'entrée faible, élevée ou pouvant être faible ou élevée . Dans l'étage de -puissance selon la figure 4a, une tension d 25 trée IJ1 de 24V, par exemple, convient si la tension maximale collée fi Vï - p ; Piip teur-émetteur des transistors de puissance est de 80V, du chacun des transistors (1-4) est conducteur alternativement et que le transistor non-conducteur supporte le double de la tension d'en Dans l'étage de puissance selon la figure 4b,les transistors ^ (1-4) sont connectés en série avec l'enroulement d'entrée et, de c fait,, on peut appliquer une tension plus élevée. Si la tension max maie collecteur-émetteur des transistors est de 80V, on peut appli quer une tension d'entrée de l'ordre de 48V. •Dans l'étage de puissance selon la figure 4c, on peut appliqi 35 une tension d'entrée élevée ou faible en fonction du rapport des en roulements du transformateur. Si la tension maximale collecteur-érr.e teur des transistors (1-4-1'-4') est de 80V, des valeurs de la tension d'entrée de 36V et 60V, respectivement, conviennent. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite 4-0 et représentée qu'a titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. GOP^ 71 42481 9 2115441 REVENDICATIONS 1.- Convertisseur pour la production d'une tension de sortie continue stabilise à partir d'une tension d'entrée continue, comprenant au moins deux commutateurs, notamment des transistors 5 de puissance connectés avec l'enroulement primaire d'un premier transformateur, l'enroulement secondaire dudit transformateur formant conjointement avec un redresseur à deux alternances et un filtre, comprenant une bobine de choc et un condensateur en parallèle, le circuit de sortie dudit convertisseur, et un étage 10 d'attaque destiné à déclencher ledit commutateur alternativement et périodiquement à travers un second transformateur, convertisseur caractérisé par le fait qu'il comporte un détecteur de la tension de sortie comparant cette dernière avec une tension constante de référence, un signal d'erreur étant alors produit si la 15 tension de sortie diffère de ladite tension de référence, un oscillateur de blocage formant d'une part des impulsions qui sont envoyées sur l'étage d'attaque sous forme d'impulsions de déclenchement, et d'autre part formant une tension en dents de scie, laquelle, après addition au signal d'erreur, est envoyée sur un 20 dispositif de contrôle de largeur d'impulsion destiné à inhiber les impulsions provenant de l'étage d'attaque pendant l'intervalle de temps où la tension en dents de scie est au-dessous d'une certaine valeur de seuil, moyennant quoi la largeur des impulsions, formées par chacun des commutateurs, est modifiée. 25 2.- Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel l'oscillateur de blocage est destiné à produire la montée de la tension en dents de scie au début de chaque impulsion d'oscillateur et l'impulsion de déclenchement de l'étage d'attaque consiste en une impulsion inverse se formant dans un troisième trans-30 formateur dispose entre l'étage d'attaque et l'oscillateur de blocage, moyennant quoi il se forme un certain retard dans le temps entre le début de la tension en dents de scie et l'impulsion de déclenchement. 3-- Convertisseur selon la revendication 2, dans lequel 35 l'étage d'attaque comprend un mult.lvibrateur comportant deux transistors qui, S travers deux résistances de limitation de courant sur le côté collecteur,, sont connectes par l'intermédiaire d'un enroulement audit second transformateur, deux autres enroulements dudit transformateur étant connectés individuelle- COPY 71 42481 10 2115441 ment à l'électrode de commande de chaque commutateur. 4.- Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de contrôle de largeur d'impulsion comprend un étage amplificateur dont la sortie est connectée à un redresseur à 5 deux alternances qui, en fonction de la valeur de la tension en dents de scie, est destiné à mettre en court-circuit un enroulement supplémentaire dudit second transformateur, moyennant quoi les impulsions de commande provenant dudit étage d'attaque pour les commutateurs sont inhibées. 10 5.- Convertisseur selon la revendication 4, dans lequel les impulsions de déclenchement provenant de l'oscillateur de blocage et destinées à l'étage d'attaque présentent une fréquence égale à deux fois la fréquence des impulsions qui sont engendrée par les commutateurs.