Brevet FR2248637A1 — publié le 19750516

La présente invention concerne les alimentations régulées destinées plus particulièrement aux systèmes relevant -jes -techni - ques de 1 t informatique et de la commutation et qui doivent, de fa çon générale, être de volume réduit, de granue fiabilité et de prix de revient raisonnablement bas. Elle concerne plus particulièrement celles de ces alimentatipns qui opèrent en commutation rapide, à une fréquence de plusieurs kilohertg,une vingtaine par exemple, car alors la taille des bobinages de transformateurs et des filtres éléments représentant à eux seuls de 60 à 80% du volume total, est considérablement re- duite vis à vis des alimentations travaillant en basse fréquence, Par ailleurs, le rendement énergétique de ces alimentations est élevé. Un type particulier de ces alimentations opérant en commuta- tion rapide est celui qui fait appel à un pont de quatre transistors de puissance dont une diagonale reçoit la tension continue à commuter et l'autre diagonale contient un montage de prélèvement, le plus souvent à transformateur ayant un redresseur double alternance en son bobinage secondaire. Les transistors des paires de branches opposées sont alternativement bloqués et saturés avec un temps "mort" entre demi-périodes de la commande et la régulation est assurée par variation de ce temps mort, Toutefois ce type dta- limentation régulée n1 est pas entièrement fiable en ses réalisations actuelles, En effet, pendant les paliers de tension corres- pondant à ces temps morts, aux bornes du transformateur de prélèvement, ce transformateur peut se mettre en auto-oscillation, d'où la détérioration de la régulation Si de plus les temps de stockage des transistors sont trop longs, il peut y avoir conduction simultanée et destruction des transistors de la même branche, Par ailleurs, ce type de commande par blocage et déblocage simultanés des transistors des paires de branches opposées du pont peut entraîner, par suite d'une différence des temps de conduction et des tensions collecteur-émetteur des transistors drune demi- période à 1 autre de la commande de commutation une variation de la composante magnétique du courant, donc un déséquilibre entre les courants passant dans les demi-branches et, partant, le passage d'un courant continu permanent dans le transformateur de pré- lèvement, Si cette composante continue devient trop importante, le transformateur peut se saturer et conduire à un risque certain de destruction des transistors, La présente invention a pour but de pallier ces risques et défauts dans une alimentation régulée à pont de transistors commutés en haute fréquence, ceci par réduction e-t limitation de ce dé séquilibre. Elle prévoit pour cela d'établir la commande telle que les transistors du pont travaillent en anti-saturation, oc avec un temps de stockage pratiquement nul. De ce lait, les demi-périodes de conduction des deux branches du pont sont à peu près égales,ce qui éli ine sensiblement une des causes de ce déséquilibre.De plus, en antisaturation, la résistance apparente des transistors augmente de façon importante lorsqu'on dépasse une cartaine valeur de courant ce qui augmente les chutes résistives et limite le dé- séquilibre à une valeur acceptable, non dangereuse pour le montage puisque la croissance de la composante continue dans le transformateur, due aux variations des tensions collecteur-émetteur des transistors de demi-période en demi-période, est stoppée sitôt que ces chutes résistives compensent la différence de tension initiale, l'antisaturation agissant en limitation d'intensité crête. Elle prévoit de plus de n'établir une durée de commutation variable aux fins de régulation que sur deux transistors reliés à l'un des pôles de la source de tension continue, la durée de com mutation demeurant constante pour les deux autres transistors reliés à l'autre pôle de la source ce qui contribue au rétablissement de l'équilibrage du courant primaire du transformateur de prélèvement puisque les gransistors travaillent en récupération pendant cet intervalle de temps. Ces caractéristiques, ainsi que d'autres -ncore venant en renforcer les effets, vont être exposées dans le d-tail en se reportant au figures jointes qui concernent un exemple illustratif de mise en pratique de l'invention dont on deut déduire, sans plus. toutes variantes d'exécution technologique entrant ans son cadre. La Fig.1 représente le schéma des circuits de cet exempl et, La Fig. 2 représente des grachiques de si@naux et tensions utiles pour l'exposé du fonctionnement de ces circuits. En se reportant à la Fig.1, on voit le pont haute fréquence constitué des circuits de co@@@@de de co@@unation de quatre tran- sistors de puissance, Q1 à Q4. Les collecteurs des trausistors Q1 et Q2 sont r reliés à un pole, + par exenple , d'une source rie tension continue telle qu'une batterie de 48 volts pour fixer les idées. Les émetteurs des transistors Q3 et Q4 sont reliés à l'au- tre poile de la source. Aux bornes de la batterie B est b--..ncne un condensateur C emmagasinant 1 t énergie pour maintenir la différence de potentiel sensiblement constante aux bornes de la diagonale du pont qui vient d'être définie.Dans l'autre diagonale est introduit l'enroulement primaire du transformateur de prélèvement T5. Le secondaire de T5 est à point milieu à la terre et ses extremités sont, par des diodes do du type Schottky par exemple, reliées à- l'entrée d'un filtre de lissage comprenant une inductance série L et une capacité shunt à la masse Co. Le prélèvement de la tension régulée s'effectue en fait aux bornes de Co. Chaque circuit de transistor de puissance comprend un secondaire de transformateur, de TI à T4 pour les transistors Q1 à Q4. Ce secondaire est branché entre émetteur et collecteur, la liaison aA collecteur comprenant un élément unidirectionnel dl. La base du transistor est reliée à un point intermédiaire du secondaire. Des résistances dtamortissement r r sont reliées en shunt sur ces deux parties du secondaire. Par ce circuit, chaque transistor est assuré de travailler en dehors de sa zone de saturation On pourrait établir une résistance dans la connexion de l'émetteur au secondaire du transformateur afin d'accentuer l'effet de correction de la dissymétrie recherché pour le-montage. Une diode à commutation très rapide, d, est de plus branchée entre émetteur et collecteur de chaque transistor afin d'éviter que llénergie ma gnetisante du transformateur de prélèvement ne se referme à travers lui et le polarise en inverse et pour diminuer les surtensions entre collecteur et émetteur. En 50, à la sortie du filtre lisseur L-Co est prélevée la tension régulée qui, par un pont diviseur 51 est comparée à une tension de référence -Vr. Ce signal terreur est appliqué sur une entrée d'un comparateur analogique ACA à travers un amplificateur opérationnel AE. La sortie (10) de AE est une tension continue dont le niveau dépend de l'écart entre la tension régulée en 50 et la tension de référence -Vr. Pbur protéger l'alimentation contre les surcharges ou les court-circuits, il est complémentairement prévu de limiter cette tension d'erreur par le circuit suivant:- un transformateur in- tensité T6 a son primaire en série avec celui du transformateur T5 et la tension créée au secondaire de T6 aux bornes d'une résis- tance ajustable Ro, redressée en d2 et filtrée en fl est comparée par le comparateur AL à une tension de référence V La sortie de AL passe par un élément unidirectionnel -.3 et est ramenée au point (lO)o Tant que d3 demeure bloqué, la montage n'a aucune action mais lorsque d3 se débloque, la tension en (10) diminue,agis- sant en sens inverse de la régulation pour en li-niter les effets Un générateur d'impulsions d'horloge TG, graphique CK de la Fig.2 est constitué d'un circuit à déclenchement dont la fréquence est ajustée à, par exemple, 400 K.Hertz, par la résistance 52. La fréquence des impulsions est divisée par cinq par un compteur de type Jolmson par exemple, à cinq étages de I à IV et tco. Seules les formes d'ondes (1) et (2) issues des étages I et II sont indiquées sur les graphiques de la Fig.2 car elles entrent seules dans la formation des signaux de commande de commutation du pont de transistors de puissance Q1 à Q4. Les signaux (1) et (2) ont leur fréquence divisée par deux par des bascules Ici et Ic2 respectivement. Chaque bascule a des sorties G et G complémentaires et, les formes d'onde sortant de Icl étant-représentées en (6) et (6), celles sortant de Ic2 sont représentées en (7) et (7) sur la Fig.2. Le signal (1) est, de plus, décalé d'une demi-période de la fréquence d'horloge par une bascule 103 recevant à cet effet le signal (1) et le signal d'horloge. Cette forme d'onde, indiquee en (8) est intégrée par un réseau Int, à résistance-capacité et la forme d'onde en dents de scie symétriques qui en résulte en (9) est appliquée sur l'autre entrée du comparateur analogique ACA. La phase de cette forme diode en dents de scie, de période T/2-vis à vis de la commande de commutation du pont des transistors Ql à A4, sert alors de référence à la dite commande. A la sortie (11) du comparateur analogique ACA, on dispose alors d'un signal pseudo-rectangulaire répété toutes les demi-pé- riodes T/2 et ayant une durée proportionnelle à la différence entre la tension de sortie de l'alimentation et la tension de réfé- rence figurée par le niveau (10) (à la limitation éventuelle susdécrite près). Ces signaux pseudo-restangulaires sont indiqués par les parties hachurées du graphique de la ligne (9) de la Fig.2. Les primaires des transformateurs T1 à T4 sont en série avec des transistors ql a q4 à travers des résistances de limitation de courant RL. Un réseau d'anti-parasitage ap shunte le circuit série alimenté par une tension +v, au niveau du collecteur du transistor. Les émetteurs des transistors ql à q4 spt à la masse, Les bases des transistors q1 à q4 sont alimentées par la tension +v- à travers des résistances de charge r c et aes roseaux accéléra- teurs de commutation R1 à R4. La commutation de l'état de chaque transistor q1 à q est commandée à travers un inverseur, de Il a 14, à partir des sorties de circuits-portes E@ à E4, du type ET. Les circuits-portes E1 et E3 reçoivent les signaux "barre" des bascules Icl et 102. Les circuits-portes E2 et E4 reçoivent les signaux "directs" de ces bascules. Je plus, les circuits-portes E1 et E2 reçolvent le signal analogique d'erreur (11). An niveau des transistors de puissance Q1 à Q4, ces combinaisons résultent dans des périodes de conduction montrées hachurées sur les graphiques (6.7), (6.7), (6.7.11) et (6.7.11) de la Fig.2. On voit que les transistors Q1 et Q3, d'une part, #2 et Q4, d'autre part, sont commandés en phase, ces paires de transistors étant commandées en opposition de phases.Mais on voit aussi que, selon une caractéristique de l'invention, les transistors Q3 et Q4 sont commandés à durée de conduction constante alors que les transistors Q1 et Q2 sont, pour la régulation, commandés en dure de conducti- on variable en fonction du niveau du signal d'erreur (10). Le fonctionnement de la régulation peut alors s exposer comme suit: - le graphique 60 de la Fig.2 montre qualitativement la forme de tension au point 60 de la sortie de l'alimentation. On part, par exemple, d2un instant initial to où QI et Q3 conduisent. La tension VC de la source B est, à la chute de tension collecteur-émetteur des transistors pros, applique sur le primaire du transformateur abaiseur T5. La diode supérieur de la paire do conduit-. Au temps tl, Q1 se bloque, le courant primaire se referme par Q3 et la diode d du circuit de Q4. Sa diminution enere une force électromotrice qui fait apparaitre un léger courant dans la diode inférieure de la paire do. Au temps t2, Q3 se bloque, le courant primaire passe par les diodes d des circuits des transistors Q1 et Q2 puis s'annule. La composante magnétisante de ce courant se referme au secondaire de T5 par la diode inférieure de la paire do et la composante resistive se répartit également entre les deux diodes do. L'intervalle de temps t2-t3 est l'intervalle de garde, ici égal à une période d'horloge, donc à 2,5 microsecondes, pour que le transistor Q3 ait le temps de revenir entièrement en sa condition bloquée avant que le transistor Q4 n'entre en conduction. Le temps de stockage plus le temps de descente de Q3 peut ne pas dépasser une demi-microseconde pour un temps de durée fixe (pour Q3 et Q4) de 22,5 Microsecondes. Au temps t3, le transistor Q4 devient conducteur pour cette durée fixe Le courant primaire de T5 se referme par Q4 et la diode d du circuit de Q3 Sa croissance engendre une force électromo- tri ce qui fait apparaitre un léger courant dans la diode supérieure de la paire do, Au temps t4, le transistor Q2 devient conducteur et la pleine tension V C est, à la chute de tension collecteur-émetteur des transistors près, appliquée sur le primaire du transformateur T5. La diode inférieure de la paire do conduit, Au temps to1, on se retrouve du point de vue de la sortie en même condition qutà l'instant to et le cycle suivant est symétrique de celui qui vient d'entre décrit, et ainsi de suite. Au démarrage de l'alimentation et tant que les tensions auxiliaires telles que +v et -v ne sont pas stabilisées, une bascule de Scmitt BS délivre un signal qui, inversé, bloque les circuitsportes El à E4 et remet à zéro le compteur et les bascules Icl, Ic2 et Ic3. On peut, si désiré, bloquer la régulation et, pour cela, il suffit d'envoyeur un signal de blocage de régulation VB sur la base d'un transistor QB qui, lorsque saturé, bloque directement les circuits-portes E3 et E4 et, par l'intermédiaire de Ic3 et ACA, bloque les circuits-portes El et E20 R E V E N D I C A T I O N S. 1. - Alimentation régulée comportant un pont de transistors commutés en haute fréquence par des Cormes d'ondes dérivées de signaux d'une base de temps pour les débloquer en alternance et avec un temps de garde entre demi-périodes de la commande par paires de branches opposées, une diagonale du pont recevant la tension a réguler d'une source de tension continue, l'autre diagonale ayant un enroulement primaire de transformateur de prélèvement de la tension ainsi régulée, caractérisée en ce que chacun des transistors du pont travaille en anti-saturation en chacune de ses périodes de déblocage, ayant pour cela son espace collecteur-émetteur aux bornes dtun enroulement secondaire de transformateur de commande de commutation de sa condition, avec un élément unidirectionnel en série dans sa liaison collecteur au dit secondaire, et ayant sa base reliée à un point intermédiaire de cet enroulement secondaire. 2. - Alimentation régulée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'en chaque circuit de transistor de puissance, une diode de commutation rapide shunte l'espace collecteur-émetteur du transistor. 3. - Alimentation régulée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'en chaque circuit de transistor de puissance, des résistances dlamortissement shuntent les deux parties dudit enreu- lement secondaire définies par cette liaison intermédiaire de la base du transistor. 4. - Alimentation régulée selon la revendication 1, caracté risée~en ce qu'en chaque circuit de transistor de puissance, une résistance série relie l'émetteur du transistor à la diagonale du pont auquel est relié cet émetteur. 5. -- Alimentation régulée selon la revendication 1, caractérisée en ce que le signal de régulation, dérivé : d'un signal dXer- reur obtenu de façon connue en soi par la comparaison de la tension secondaire du transformateur de prélèvement à une tension de référence, ntest appliqué que sur les circuits de commande de commutation de deux des transistors du nont reliés à un même Dole de la source de tension continue pour en varier les durées de déblocage alors que les circuits de co^.z-nande de commutation des deux autres transistors du ?ont maintiennent constantes les dures de déblocage de ceux-ci. 6. - Alimentation régulée selon la revendication 5, caracté risée en ce que le niveau @u si @al d'erreur est, en son asplica tion sur un circuit formeur du signal de régulation, limité par soustraction au signal fourni par le comparateur de la tension prélevde au secondaire du transformateur de prélèvement à une tension de référence, d'un signal délivré par en circuit détecteur de surintensité au primaire de ce transformateur. 7. - Alimentation régulée selon la revendication 5, caractérisée en ce le signal de réçulation commandant la durée d'appli- cation aux circuits de commande de commutation des deux transis tors susdits de la forme d'onde de déblocage de ces transistors est formé par un comparateur analogique du niveau du signal d'erreur et d'une forme d'onde en dents de scie symétriques de référence dérivée de cette forme d'onde de déblocage, signal appliqué sur des circuits-portes qui, en ces circuits de commando de commutation, reroivent la dite forme d'onde de déblocage en oppositions de phase relative, 8. - Alimentation régulée selon la revendication 7, caractérisée en ce que les dits circuits-portes, ainsi que ceux des circuits de commande de commutation des deux autres transistors du pont, recevant également la dite forme diode de déblocage en oppositions de phase relative, ont des entrées d'inhbition activées par un circuit détecteur d'instabilité des tensions d'alimentation des circuits de la dite alimentation régulée. 9. - Alimentation régulée selon la revendication 7, caractérisée en ce que le circuit formeur de l'onde en dents de scie sy- métriques de référence et les circuits-portes ces circaits de cor3- ande de commutation des transistors non soumis à la régulation ont des entrées dtinnibition actives par un circuit de blocage de la régulation de l'alimentation. 10. - Alimentation régulée selon la revendication 8, caractérisée en ce que la dite forme l'onde de déblocage est formée, en l'une et d'autre de ses phases au niveau des circuits-portes par combinaison logique d'intersection de deux formes d'onde de même cadence relativement décalées d'une période de l'horloge régissant le fonctionnement du système de base de temps de l'alimenta tion,