Brevet FR2270635A1 — publié le 19751205

L'invention concerne des alimentations stabilisées à découpage à fort débit. Elle se rapporte plus particulièrement aux dispositifs à découpage et aux dispositifs de régulation équipant les alimentations stabilisées capables de débiter des intensités élevées. Ces alimentations sont destinées à fournir un courant continu important et variable, sous une tension constante, avec un rendement maximum, à partir d'une source d'énergie continue variable et non stabilisée. le principe de base des alimentations à découpage est le suivant : Un interrupteur, généralement un transistor, découpe le courant fourni par la source d'énergie non régulée suivant une cadence déterminée. le courant découpé est appliqué à un filtre intégrateur constitué par une self et une capacité qui est connectée aux bornes du circuit d'utilisation. Lorsque l'interrupteur est fermé, un courant croissant circule dans la self et recharge le condensateur. Dès l'ouverture de l'interrupteur, le courant continue de circuler dans la self, en décroissant par l'intermédiaire d'une diode de récupération. 1e condensateur se décharge dans le circuit d'utilisation..La tension de sortie est maintenue constante par un système de régulation qui, agissant en convertisseur tension-durée ou tension-fréquence, commande la fermeture et l'ouverture de l'interrupteur. lors de la réalisation de telles alimentations, et notamment de celles qui sont destinées à alimenter des unités électroniques importantes, il est nécessaire d'obtenir conjointement un rendement maxi Num et un facteur de régulation élevé dans une large plage de fréquences de - variation du courant débité. On entend par le facteur de régulation2 la capacité de maintenir la tension de sortie constante avec la précision requise dans une large plage de fréquences de variation du courant débité. De plus les performances en régulation et rendement ne doivent pas être atteintoeau détriment des autres facteurs tels que poids, encombrement, prix et fiabilité. Quand il est nécessaire de fournir à une charge un courant élevé, une première solution consiste à fractionner la charge et à alimenter les portions de charge par autant d'alimentations indépendattes les unes des autres, chacune des alimentations possédant ses propres moyens de régulation. Cependant il n'est pas toujours aisé de fractionner la charge et, en outre, cette disposition entrasse une certaine complexité de l'ensemble. Une autre solution, permettant d'alimenter cette fois une charge unique, consiste à connecter en parallèle plusieurs composants (transistors, diodes, selfs) de faible puissance. La difficulté de cette solution réside dans l'équilibrage des courants dans les composants. Cet équilibrage est réalisé au moyen d'éléments résistifs aux dépends du rendement de l'alimentation. Enfin, l'utilisation de thyristors comme éléments interrupteurs ntest guère envisageable car ces éléments n'apportent pas une sécurité de fonctionnement suffisante et ne permettent pas d'obtenir des fréquences de découpage suffisamment grandes, cette dernière condition étant nécessaire pour maintenir des performances de régulation correctes dans une large plage de fréquences de variation du courant débité. Un facteur de régulation important peut être atteint dans une large plage de fréquences de variation en utilisant des transistors de commutation comme interrupteurs et en actionnant ceux-ci à des fréquences élevées. Mais la limite supérieure de la fréquence de découpage est toutefois imposée par la durée des transitoires de commutation. L'alimentation stabilisée suivant l'invention présente un facteur de régulation élevé. Elle ne présente pas les inconvénients et limitations précitées. Elle est capable de fournir à une charge variable, des intensités de courant élevées,avec un rendement élevé, sous une tension stabilisée, meme faible, fixe et/ou légèrement réglable. Elle permet d'obtenir une vitesse de régulation élevée tant vis-à-vis des fluctuations d'entrée que des perturbations en sortie occasionnées par la charge. Enfin, elle peut utiliser des composants électroniques de grande diffusion donc largement disponibles et de prix raisonnables. Suivant une caractéristique de l'invention, l'alimentation stabilisée comporte plusieurs cellules élémentaires à découpage, chaque cellule comportant un transistor interrupteur, un filtre intégrateur et une diode de récupération, connectées en parallèles entre une source d'énergie continue variable et un circuit d'utilisation, des moyens de comparaison de la tension de sortie à une tension de référence, un circuit de commande dè fermeture et dSouverture des interrupteurs, rendant ceux-ci périodiquement conducteurs et non conducteurs, avec un décalage de temps d'un interrupteur à l'autre et des moyens d'amplification et de correction en fréquence connectés entre les moyens de comparaison et le systeme de commande. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront dans la description qui suit illustrée par les figures annexées qui représentent - la figure 1, le schéma général d'une alimentation suivant l'invention - les figures 2, 3, 4 et 5, différents types de cellules élémentaires ; - les figures 6, 7 et 8, différents types de circuits de commande de ces cellules élémentaires et - la figure 9, un exemple de la forme des signaux en divers points des circuits. la figure 1 représente le schéma général d'une alimentation à découpage selon l'invention, comportant un nombre n déterminé de cellules élémentaires contrôlées séquentiellement. A partir d'une source d'énergie continue 10 , non stabilisée, de tension moyenne VE, l'alimentation à découpage doit fournir, à un circuit d'utilisation ou charge 20, un courant moyen IS variable sous une tension VS constante avec un minimum d ' ondula- tion résiduelle et une résistance interne aussi faible que possible. L'alimentation comporte un condensateur d'entrée C1, connecté aux bornes de la source d'énergie 40, un condensateur de sortie C2 connecté aux bornes du circuit d'utilisation 20 et n cellules élémentaires à découpage identiques Z1, Zi ... Zn connectées en paral lèle entre les condensateurs Cl et C2. Chaque cellule comporte une entrée 1 et une sortie 2. Une borne 4 communie à l'entrée et la sortie est connectée à la masse du circuit. Une borne 3 reçoit le signal de commande de fermeture et d'ouverture de l'interrupteur. Les signaux de commande des cellules sont élaborés par un sys tème de régulation qui comprend un circuit comparateur 30 qui compare la tension de sortie VS à une tension de référence VRef et agit sur un circuit de commande 40 qui détermine les instants d'ouverture et de fermeture des interrupteurs de chaque cellule de manière à maintenir la tension de sortie VS constante. Le comparateur 30 est relié au circuit 40 par l'intermédiaire d'un circuit 50 d'amplification et de correction en fréquence. Les interrupteurs sont actionnés l'un après 11 autre, cycliquement. Leurs fonctionnements sont identiques mais décalés dans le temps. Le système de régulation agit en convertisseur tension-fréquence ou tension-durée.Dans les deux cas, il modifie le rapport entre la période de conduction et la période de non conduction des interrupteurs en fonction de la tension d'entrée VE. Agissant en convertisseur tension-fréquence, il modifie la fré- quence de répétition des périodes conduction, celles-ci gardant la même durée. Agissant en convertisseur tension-durée, la fréquence de répétition des périodes de conduction reste fise, mais leur durée varie. Le nombre n de cellules élémentaires est choisi en fonction du courant IS que l'alimentation doit débiter, des performances de transistors utilisés et de la fiabilité recherchée. La figure 2 représente une cellule élémentaire Zi l'indice i étant compris entre 1 et n, Zi étant l'une des cellules de la figure 1. La cellule comprend un transistor interrupteur Ti en série avec une self li entre les bornes d'entrée 1 et de sortie 2. TQTne diode de récupération DRi est connectée entre la self et la borne 4 reliée à la masse, ctest-à-dire la borne négative de l'alimentation. Un circuit amplificateur Ai est connecté entre l'entrée de commande 3 et la base du transistor pour fournir à celui-ci le courant nécessaire à sa mise en saturation pendant les périodes de conduction.La capacité C2 (figure 1) commune à toutes les cellules a été représentée en pointillés Le fonctionnement est le suivant Dès que le transistor Ti est mis en état de conduction par un courant approprié injecté dans sa base par l'amplificateur Ai sous l'action d'un signal de commande, un courant croissant linéairement traverse la self M pour charger le condensateur O2. rendant cette période du fonctionnement, la diode DRi reste bloquée. A A la fin de la période de conduction du transistor, l'énergie emmagasinée dans la self est récupérée grace à la diode DRI qui est traversée par un courant décroissant linéairement. le courant de charge du condensateur O2, se compose d'une rampe montante pendant la conduction du transistor-interrupteur, suivie d'une rampe descendante après le blocage du transistor. La pente de la rampe montante est donnée par le rapport (VE - VS)/L. Elle est supérieure à celle de la rampe descendante, égale à VS/i seulement, car la tension drentrée VE est généralement grande devant la tension de sortie VS pour ce type de cellule. Toutes les cellules élémentaires étant couplées en parallèle, les courants moyens débités par chacune d'elles s'ajoutent pour constituer le courant moyen total IS. De ce fait la valeur maximum du courant que doit fournir chaque cellule est bien inférieure au courant total IS que doit délivrer l'alimentation. Le courant moyen pour chaque cellule est égal au courant moyen total divisé par le nombre de cellules. le courant croissant débité par une cellule s'ajoute à plusieurs cou rants décroissants débités par d'autres cellules. A titre d'exemple, une alimentation comprenant quatre cellules devra débiter dix ampères moyens par cellule pour fournir en sortie 40 ampères moyens. L'intensité crête débitée par chaque cellule ne dépassera pas 15 à 20 ampères. La commande du transistor commutateur est realisée par le circuit de commande 40 (figure 1) via le circuit amplificateur Ai. e dernier a pour but de fournir à la base du transistor, pendant la période de conduction un courant suffisant pour que la résistance émetteur-collecteur soit minimale. le circuit amplificateur Ai est également capable de provoquer la saturation et le blocage avec une rapidité maximale pour limiter les pertes pendant les transitoires de commutation La configuration des cellules élémentaires Zi n' est pas limitée à celle qui est représentée sur la figure 2 Les figures 3, 4 et 5 représentent d'autres types de cellules élémentaires utilisables dans une alimentation à découpage suivant l'invention. Sur la figure 3, la self Li est connecté en série avec la diode DRi entre la borne 1 qui reçoit la tension VE non régulée et la borne 2 qui délivre la tension VS régulée. Le transistor Ti est connecté entre le point commun de la self et de la diode, qui est ici l'anode de celle-ci et la masse (borne 4). Sur la figure 4, le transistor commutateur T1 est connecté en série avec la diode DRI dont l'anode constitue la borne négative (borne 2) pour la tension de sortie VS. La self Li est connectée entre la cathode de la diode et les bornes 4 et 5 qui constituent respectivement la borne négative pour la tension d'entrée et la borne positive pour la tension de sortie. Le sens de branchement du condensateur C2 de sortie est l'inverse des autres cas. Sur la figure 5, les éléments sont disposés de la même manière que sur la figure 4, excepté le fait que la self Li est couplée à un enroulement L'i sur un même circuit magnétique. Les deux enroulements sont isolés l'un de l'autre ce qui présente l'avantage des connexions de masse différentes pour les tensions drentrée et de sortie et isolées électriquement. Dans tous les cas le transistor interrupteur Ti reçoit le courant de commande par l'intermédiaire d'un amplificateur Ai. Le fonctionnement de ces différentes variantes reste basé sur le même principe : Pendant la conduction du transistor commutateur Ti le courant croit dans la self. A la fin de la période de conduction, le courant continue de circuler dans la self en décroissant (self L'i pour la figure 5), à travers un circuit fermé qui contient la diode et la capacité C2, ce courant étant dû à l'énergie emmagasinée dans la self.Cependant, dans ces trois variantes, la recharge du condensateur de sortie C2 ne-s'effectue qu'au cours de la période de blocage du transistor Ti, et, de plus, chaque type de cellule présente une caractéristique particulière : La cellule de la figure 3 délivre une tension de sortie VS supérieure à la tension d'entrée VE, tandis que dans le cas de.-la figure 2, la tension de sortie est inférieure à-la tension dtentrée et dans le cas des figures 4 et 5 la tension de- sortie peut être aussi bien inférieure ou supérieure à la tension d'entrée. Bien que le schéma de la figure 1 ne soit valable que pour les types de cellules élémentaires des figures 2, 3 et, à la rigueur, 5 (en réunissant les bornes 4 et 5), les modifications à apporter pour adapter des cellules du type de celles de la figure 4 est à la portée de l'homme de l'art. Les figures 6, 7 et 8 représentent en détail différentes versions du circuit de commande 40. La figure 6 représente un circuit de commande délivrant des impulsions de période de répétition fixe et de durée variable à chaque cellule élémentaire. Les positions dans le temps de signaux de commande des cellules élémentaires sont définies par une horloge 60. Celle-ci délivre un signal rectangulaire ou des impulsions avec une fréquence de répétition élevée. Le signal de sortie de l'horloge sert à commander les ouvertures et fermetures de n portes t' "E" 62 à deux entrées, l'une après l'autre. Un circuit 61 sert à répartir entre ces portes "ET" des signaux de commande. Ce circuit peut être un diviseur par n associé à un décodeur à n sorties. Le circuit 61 peut aussi être constitué par un simple registre à décalage à n positions dont la sortie est connectée à l'entrée. Les signaux d'horloge commandent le décalage d'un signal de commande des portes '1ET". Ce signal est appliqué successivement à la première porte "ET", puis à la seconde, puis la nième et à nouveau la première, etc... Les instants d'ouverture et de fermeture de chaque transistors interrupteurs sont déterminés par un circuit 63 de formation d'impulsions de largeur variable. La période de répétition des signaux de commande des cellules élémentaires est donc constante, seule est variable la durée de ces signaux de commande. Les impulsions de durée variable sont appliquées simultanément à toutes les portes DST". Seule, la porte qui reçoit un signal de commande du circuit61, pourra délivrer sur sa sortie un signal de commande à la cellule élémbntaire à laquelle elle est connectée. Les portes 62 sont donc reliés aux cellules de découpage ZI, Z2, ...Zi, ... Zn comme indiqué sur les figures. Des impulsions- de durée variable sont produites régulièrement avec la même fréquence de répétition que le signal de sortie de l'horloge 60 et sont appliquées à la deuxième entrée de chaque porte "ET". Pour réaliser cette synchronisation l'horloge est connectée au circuit 63. Le signal de l'horloge détermine les instants de départ des impulsions de durée variable. La durée est fonction de ltécart entrera tension de sortie et la tension de référence. Elle est commandée par le signal de sortie de l'amplificateur-correcteur 50. Le circuit 63 est constitué, par exemple, par une bascule monostable. La bascule est déclenchée par l'horloge en synchronisme avec elle. La durée de basculement est déterminée par le signal de sortie du circuit 50. Le circuit 63 peut encore, suivant un autre exemple, être constitué par un transformateur à circuit magnétique saturable. Il s'agit généralement d'un tore en matériau magnétique autour duquel sont disposés plusieurs enroulements. Un enroulement, recevant un courant qui est fonction de la différence entre la tension de sortie VS de l'ali- mentation et la tension de référence VRef, sert à polariser le noyau magnétique. Un enroulement d'excitation recevant les impulsions d'horloge est couplé sur le noyau magnétique à un enroulement d'autoentretien et induit dans un enroulement de sortie des impulsions synchronisées avec les impulsions d'horloge et dont la durée est fonction du courant dans l'enroulement de polarisation. Les impulsions de durée variable sont ensuite amplifiées et appliquées aux portes "ET". Ce type de circuit de commande ne permet pas d'obtenir un recouvrement des périodes de conduction des transistors interrupteurs. L'horloge qui réalise la synchronisation de l'ensemble, détermine la fréquence de fonctionnement de l'alimentation. Une commande ou un réglage de la fréquence de l'horloge est généralement prévu, bien qu'il ne soit pas indiqué sur la figure. Cette commande permet de synchroniser la fréquence de l'horloge avec celle d'une autre horloge contenue dans le circuit de charge de l'alimentation par exemple. La fréquence de fonctionnement de l'horloge est n fois supérieure à la fréquence de fonctionnement de chaque cellule élémentaire puisque les cellules participent les unes après les autres à la four niture du courant total. Il est donc possible d'atteindre des fréquences de découpage pour ltensemble des cellules élémentaires qui sont nettement supérieures à celles des alimentations conventionnelles. Un avantage de l'invention est donc de pouvoir réaliser un filtrage plus efficace de l'ondulation résiduelle et des parasites de commutation renvoyés vers la source d'énergie non régulée, avec des composants plus réduits puisque les fréquencesà éliminer sont plus élevées. Un autre avantage de l'invention est de proeurer un facteur de régulation élevé dans une plage de fréquences de variations du courant débité plus large. in effet, la limite de la plage de fréquences dans laquelle la régulation s'effectue correctement-et rapidement est liée principalement à la fréquence de découpage. En~augmentant, dans un rapport égal au nombre de cellules élémentaires, la fréquence de découpage, la plage de fréquences dans laquelle agit la régulation est étendue sensiblement dans le même rapport. Le rôle du circuit 50 d'amplification etoecorrection en fréquence devient alors plus important puisque le domaine de fréquences de fonctionnement de la boucle de régulation est plus vaste. La figure 7 représente un autre exemple de circuit de commande présentant les mêmes avantages que l'exemple précédent. Une horloge 70 délivre un signal de synchronisation de fréquence constante à un registre à décalage ou un diviseur par n 71. les n sorties du circuit 71 sont connectées à n circuits identiques 72 formateurs d ' impulsions de largeur variable. La durée des impulsions produites est déterminée par le signal de sortie du circuit amplificateur-correcteur 50. Chaque circuit 72 est de même nature que le circuit 63 de la figure 6. le fonctionnement du circuit de commande 40 est le même que dans le cas précédent. La combinaison d'un circuit formateur d'impulsions variables et n portes "ETn est équivalent à un ensemble de n circuits formateurs d'impulsions variables. Toutefois la disposition de la figure 6 est moins onéreuse et de mise au point plus aisée que celle de la figure 7 dans le cas ou' le nombre de cellules à découpage est grand. Par contre, le montage de la figure 7 permet d'obtenir un chevauchement des périodes de conduction des cellules élémentaires alors que celui de la figure 6 ne le peut pas. La figure 8 représente un circuit de commande délivrant des impulsions de commande, aux cellules élémentaires, avec une durée constante mais une fréquence de répétition variable. Il comporte un circuit multivibrateur 80 à fréquence variable, ayant une entrée de commande de fréquence. Cette entrée est connectée à la sortie du circuit amplificateur correcteur 50. La sortie du multivibrateur attaque alors un registre à décalage 81 ou des diviseurs par n. Les n sorties du circuit 81 sont connectées à autant de bascules monostables qui délivrent des impulsions de même durée constante aux cellules élémentaires Z1 à Zn. Pour ce type de montage, il est encore possible d'obtenir un recouvrement des périodes de conductions des cellules élémentaires. La figure 9 représente les signaux en divers points des circuits Elle se rapporte indifféremment aux cas des figures 6, 7 et 8. le signal (a) est le signal de sortie de lthorloge 60 (figure 6) ou 70 (figure 7)-ou du multivibrateur 80 (figure 8). Ce signal est appliqué au circuit diviseur ou au registre à décalage qui délivre des signaux décalés les uns par rapport aux autres (b), (c), (d) et (e). Le nombre de cellules à découpage a été fixé ici à quatre pour mieux comprendre, par un exemple concret, le fonctionnement de l'alimentation. Dans le cas de la figure 6, spécialement, le signal (f) représente le signal de sortie du circuit de formation dtimpulsions de durée variable 63. Ce signal est appliqué aux portes "ET" 62 qui reçoivent également les signaux (b), (c), (d) et (e) et délivrent les signaux (g), (h), (j) et (k) respectivement. Chacun d'eux représentent la période dé conduction d'une cellule élémentaire. Dans le cas des circuits des figures 7 et 8 les signaux (g), (h), (j) et (k) sont obtenus directement à partir des signaux (b), (c), (d) et (e). En (1) sont représentés les courants débités par les cellules élémentaires. Le courant débité par la cellule recevant le signal de commande (g) a été spécialement représenté en trait épais. Ce courant est croissant pendant la période de conduction du transistor, puis décroissant ensuite jusqu'à la période de conduction suivante. Les courants débités par les autres cellules ont été représentés en trait fin. La somme de ces courants est représentée en (m) par la courbe en dents de scie. Ce courant est rendu continu (trait rectiligne) par l'action du condensateur C2 qui se charge et se décharge alternativement et compense l'ondulation du courant débité. L'ondulation avant le condensateur n'est d'ailleurs qu'unie faible fraction de l'amplitude du courant IS, ce qui permet d'utiliser un condensateur C2 de capacité réduite. Dans le cas où les périodes de conduction sont jointives, l'ondulation du courant est meme nulle. L'ondulation résiduelle en tension reste donc toujours très faible. La fréquence est élevée donc facile a' atténuer avec un filtre passe-bas simple. L'invention s'applique aux matériels électroniques de puissance et notamment à ceux qui nécessitent la fourniture d'un courant important sous une tension stabilisée. REVENDICATIONS 1. Alimentation stabilisée à découpage comportant plusieurs cellules élémentaires à découpage connectées en parallèle entre une source d'énergie continue variable et un circuit d'utilisation, chaque cellule élémentaire comportant un transistor interrupteur, une self et une diode de récupération connectés entre eux de manière connue, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens de comparaisont de la tension de sortie de l'alimentation à une tension de référence, un système de commande des interrupteurs rendant ceux-ci périodiquement conducteurs et non-conducteurs avec un décalage de temps de l'un à l'autre, et des moyens d'amplification et de correction en fréquence connectés entre les moyens de comparaison et le système de commande. 2. Alimentation stabilisée suivant la revendication 1 comportant n cellules élémentaires, caractérisée en ce que ledit système de commande comporte une horloge délivrant un signal impulsionnel de fréquence de répétition fixe, des moyens de division du signal d'horloge pour délivrer successivement sur n sorties distinctes des impulsions présentant entre elles un décalage de temps, un circuit de formation d'impulsions de durée variable synchronisées avec le signal d 'hor- loge et dont la durée est fonction de l'amplitude du signal délivré par les moyens d'amplification et de correction, et n circuits "E2" connectés par une entrée respectivement aux n sorties des moyens de division, recevant sur une autre entrée lesdites impulsions de largeur variable et délivrant des signaux de commande des n cellules élémentaires. 3. Alimentation stabilisée suivant la revendication 1, comportant n cellules élémentaires, caractérisée en ce que ledit système de commande comporte une horloge délivrant un signal impulsionnel de fréquence de répétition fixe, des moyens de division du signal a'horloge pour délivrer successivement sur n sorties distinctes des impulsions présentant entre elles un décalage de temps et n circuits de formation d'impulsions de durée variable connectés respectivement aux n sorties des moyens de division et ayant chacun une entrée de commande de la durée des impulsions produites connectée aux moyens d'amplification et de correction. 4. alimentation suivant l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le circuit de formation d'impulsions de durée variable comportent une bascule monostable ayant une entrée de commande de durée. 5. Alimentation suivant l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le circuit de formation - d 'impulsions de durée variable comportent un circuit transformateur d'impulsions ayant un enroulement de polarisation du circuit magnétique connecté aux moyens d'amplifi- cation et de correction. 6. Alimentation stabilisée suivant la revendication 1 comportant n cellules élémentaires, caractérisée en ce que ledit système de commande comporte un circuit générateur d'impulsions de fréquence de répétition variable, ayant une entrée de commande connectée aux moyens d'amplification et de correction2 et des moyens de division des impulsions produites pour délivrer successivement sur n sorties distinctes, connectées respectivement aux cellules élémentaires, des impulsions de durée fixe et présentant entre elles un décalage de temps. 7. Alimentation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens de division comportent un registre à décalage à n sorties et n bascules monostables connectées respectivement aux sorties du registre. 8. Alimentation suivant la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de division comportent un diviseur par n en série avec un décodeur à n sorties et n bascules monostables connectées respectivement aux sorties du décodeur.