Brevet FR2310647A1 — publié le 19761203

La présente invention se rapporte aux systèmes d'alimentation en énergie électrique connus sous le nom d'alimentations l,à décou page", et a pour objet un dispositif de protection de tels sgptèmes contre les surcharges. Dans leur principe, ces alimentations effectuent, sur une tension continue, obtenue, après redressement, à partir de la tension alternative du secteur électrique , un découpage à une fréquence élevée devant celle du secteur, de l'ordre de 20 kRz ; cette tension découpée est appliquée au primaire d'un transformateur, au secondaire duquel est connectée la charge ohmique d'utilisation, soit directement, soit à travers un second dispositif redresseur.L'intérêt d'un tel arrangement réside dans la possibilité de régulation de la tension ou du courant délivrés, apportée par la présence du dispositif interrupteur assurant le découpage, qui se prête à un asservissement en fonction d'un signal de commande lié à une valeur désirée, maximale ou minimale, de la tension ou du courant délivrés.Cet asservissement peut porter sur la fréquence de découpage, mais le plus souvent, il agit, à fréquence constante, sur la durée de la fermeture de l'interrupteur pendant un cycle. Mais le choix d'une fréquence de découpage élevée, avantageuse par la réduction de volume et de poids dont elle permet de bénéficier pour les composants de type réactif, a pour conséquence d'excéder les possibilités d'un interrupteur mécanique à contacts. On fait alors habituellement appel à un interrupteur à état solide du type transistor, dont l'espace enetteur-collecteur est connecté en série avec le primaire du transformateur, et la base est commandée par un circuit oscillateur déterminant le découpage et ses caractéristiques de durée. Cependant, un transistor ne présente pas les qualités de robustesse des interrupteurs mécaniques, et peut dtre mis hors d'usage lors de surtensions ou de surintensités électriques. Ces surtensions sont inhérentes au principe même des alimentations à découpage à transformateur, et les surintensités sont essentiellement liées aux conditions d'utilisation,soit par débit excessif dans la charge utile, soit plus particulièrement par court-circuit total. La présente invention a pour objet un dispositif de protection pour un transistor faisant partie d'une alimentation à découpage, circuit assurant la fonction de limitation simultanée des tensions et des courants appliqués au transistor interrupteur. Ce dispositif de protection, selon un mode de réalisation préféré, assure de plus une fonction de récupération de l'énergie en excès relative, aux valeurs ainsi limitées, en la renvoyant aux bornes de la source d'énergie électrique continue. Plus précisément, la présente invention se rapporte à un dispositif de protection pour système d'alimentation électrique à découpage, ledit système étant connecté aux bornes d'une source d'énergie électrique continue, et comprenant un interrupteur dont l'ouverture et la fermeture périodiques sont commandées par un circuit de découpage, et un transformateur principal dont le primaire est connecté en série avec l'interrupteur et le secondaire est fermé sur un élément de charge utile, caractérisé en ce qu'il comprend un élément doté d'auto-inductance connecté en série avec ledit transformateur, et un élément assurant le déclenchement de l'ouverture dudit interrupteur en cas de surintensité. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ciaprès, en s'appuyant sur les figures annexées, où - la figure I représente un premier mode de réalisation duldisposi- tif selon l'invention - la figure 2 représente un diagramme explicatif - la figure 3 représente un deuxième mode de réalisation - la figure 4 représente un troisième mode de réalisation - la figure 5 représente un quatrième made de réalisation. La figure 1 représente un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, inclus dans un système d'alimentation à découpage. Ce système comprend essentiellement, connectés en série entre les deux bornes d'une source d'énergie électrique continue, un interrupteur, constitué par un transistor E, qui y est inséré par son espace émetteur-collectellr, et une industance L1, repr*- sentant l'enroulement primaire d'un transformateur principal T, dont le secondaire L2 est connecté à la résistance R représentant la charge du système d'alimentation. La conduction et la nonconduction du transistor est déterminée par un signal de commande, appliqué sur la base du transistor, provenant du générateur de découpage G. Deux éléments dans le système de l'invention assurent la protection du transistor. D'une part, l'enroulement L3 , connecté en série avec le transformateur principal T , et doté d'inductance ; d'autre part, une resistance r , insérée en série avec le transistor interrupteur et par conséquent traversée par le même courant que lui ; les extrémités de cette résistance sont électriquement reliées au générateur de découpage. Le fonctionnement du système d'alimentation ainsi équipé est le suivant : Lorsque, après avoir appliqué la tension continue utile aux bornes d'entrée 1 et 2 de l'alimentation, est mis en service le générateur de découpage, le transistor interrompt et rétablit périodiquement le passage d'un courant primaire dans l'inductance L1 l'inductance L2 constituant le secondaire du transformateur principal, détermine le passage d'un courant alternatif dans la résistance de charge utile R. Il est cependant nécessaire que le courant reste limité à une valeur telle que le courant primaire qui lui donne naissance n'excè* pas la valeur-limite pour laquelle le transistor a été conçu, au des de laquelle celui-ci peut être détruit.' Cette surintensité peut se produire notamment dans deux circonstances La première lors d'un court-circuit accidentel au niveau des bornes de sortie 3 et 4 ; la seconde lorsque la valeur de la résistance de charge utile varie notablement en fonction du temps. Un cas important en pratique en est représenté par la résistance variable d'une lampe électrique à incandescence, à courant élevée, lors de son allumage. On sait en effet que lorsque le filament d'une telle lampe est froid, sa résistance est beaucoup plus faible que lorsqu'il a atteint son régime de fonctionnement permanent. il est donc certain qutun transistor de caractéristiques prévues pour ce régime permanent, sera détruit par surintensité lors de la mise en service de la lampe. Sous une tension appliquée V , la vitesse de croissance dt dt du courant dans le transistor n'est limitée que par l'inductance propre L des enroulements connectés en série avec lui, suivant la relation : di V dt L C'est la fonction des deux éléments de protection décrits plus haut, de s'opposer à la mise hors service du transistor dans les deux circonstances indiquées ci-dessus. Le premier élément est constitué par la résistance r, traversée par le courant primaire. La surintensité néfaste crée une chute de tension entre les connexions 5 et 6, qui, appliquée à un circuit amplificateur convenable faisant partie du générateur de découpage, détermine la nonconduction, ou "blocage" du transistor par application d'une tension de blocage sur sa base. Cependant, la protection du transistor ainsi obtenue est en général insuffisante, le blocage n'étant pas instantanément réalisé dès l'application de la tension sur la base. il subsiste en effet temporairement des charges électriques stockées dans le transistor, qui reste conducteur jusqu'à leur disparition totale. Le transistor ne sera alors protégé qu'à condition que la croissance du courant primaire lors de la surintensité soit suffisamment lente pour que la valeur maximale atteinte par le courant au moment où la conduction supplémentaire cesse soit inférieure à la valeur limite déterminant la mise hors service du transistor. La réalisation de cette condition entraine, ainsi que la relation donnée plus haut le montre, que le circuit primaire soit doté d'une di inductance L suffisante pour que la. variation du courant dt reste inférieure à une valeur donnée. Il est possible d'obtenir une telle inductance en augmentant les dimensions du transformateur Ti qui y sont liées. Cette solution conduit à un système d'alimentation encombrant, lourd, et très coûteux. Selon la présente invention, l'inductance nécessaire est obtenue par l'insertion dans le circuit primaire, d'un enroulement d'auto-inductance L3 , dont l'inductance s'ajoute à celle de 1' enroulement primaire Il du transformateur. Par un choix convenable de la valeur de L3, il est aisé d'adapter avec précision la loi de variation du courant di pour supprimer toute surintensité dt néfaste pour le transistor. La valeur de l'impédance de l'inductance de L3 doit d'autre part, tout en restant élevée devant celle de l'inductance du transformateur T, rester, pour un bon rendement énergétique, modérée devant l'impédance de charge représentée par la résistance R, ramenée au primaire de ce transformateur. La figure 2 représente un diagramme explicatif du fonctionnement du dispositif de protection représenté figure 1. Dans des axes rectangulaires portant en abscisses le temps et en ordonnées le courant traversant le transistor interrupteur, sont figurées les variations de ce courant lors d'un court-circuit, dans deux cas de fonctionnement, respectivement en (a) sans bobine d'inductance, et en (b) avec bobine d'inductance. Le dispositif de découpage débloque le transistor périodiquement, pour des durées t, représentées en pointillés, pendant chacune desquelles le courant s'établit progressivement et passe de la valeur 0 à une valeur située sur l'arc de courbe F représentant la loi de variation de l'établissement d'un courant dans un circuit doté d'inductance. Sur les deux diagrammes sont figurés en Io la valeur limite du courant admissible par le transistor avant destruction, en ID la valeur du courant, plus faible pour des raisons de sécurité, pour laquelle la résistance R de protection repré sentée figure 1 a été réglée pour commander le blocage du transistor, et en d le délai ou retard, lié au transistor, suivant lequel celui-ci continue d'être conducteur malgré la commande de blocage, par suite du phénomène déjà indiqué de rémanence des charges. Le diagramme (a) correspond au cas où seule l'inductance du transformateur principal limite la croissance du courant de courtcircuit. La courbe de courant a une pente très raide et la valeurlimite admissible Io est notablement dépassée en 1M lorsque, après coupure du circuit principal pour la valeur ID, le délai de rémanence d se termine, et met fin à la conduction du transistor. La surintensité i entrain la destruction de celui-ci. Le diagramme (b) correspond au cas où s'ajoute une seconde inductance, réalisée par l'enroulement L3 , en série avec celle du transformateur T. Pour un choix convenable de cette inductance additionnelle, la courbe de croissance du courant peut être rendue beaucoup moins raide ; lorsqu'intervient la fin du délai d de rémanence, le courant 1M conserve une valeur inférieure à la valeur-limite admissible Io, et lè transistor est effectivement protégé. La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation du circuit selon l'invention. Suivant ce mode, l'enroulement d'inductance L3 constitue le primaire d'un transformateur dont le secondaire L4 est relié à travers une diode D, aux bornes d'une résistance R'. L'addition d'un tel secondaire T4 chargé par une résistance a pour fonction de limiter le phénomène de surtension à la coupure, éventuellement néfaste pour le transistor, lié à la présence de l'enroulement d'auto-inductance L3 . interruption ou coupure brusque du circuit à la fin de chaque cycle de découpage détermine en effet l'apparition d'une pointe de tension de courte durée, mais de valeur élevée, qui, appliquée à l'espace émetteur-collecteur du transistor, peut le mettre hors service. La présence d'un enroulement secondaire chargé par une résistance assure une avantageuse limitation de cette surtension, dont l'énergie correspondante est dissipée dans la résistance R'. Il est cependant nécessaire que l'application de cette énergie à la résistance n'ait lieu, pour chaque cycle de découpage, que lors de la surtension de coupure, à la fin de chaque cycle, et, non lors de 1 'application de la tension utile au début de chaque cycle. C'est la fonction de la diode D d'assurer un tel résultat, en autorisant le passage du courant seulement dans le sens correspondant à cette condition ; la diode a ainsi.sa cathode connectée à l'extrémité du secondaire du transformateur qui est positive lors de la surtension de coupure. La figure 4 représente un troisième mode de réalisation du dispositif de protection selon l'invention. Suivant ce mode, il est prévu l'adjonction au dispositif d'un condensateur C connecté en parallèle ssr la résistance R' . Ce condensateur se charge lors de la surtension de coupure, en rédui sant ainsi notablement la valeur maximale de celle-ci ; il se décharge ensuite dans la résistance R' . la limitation obtenue pour la surtension est ainsi beaucoup plus énergique. La figure 5 représente un quatrième mode de réalisation du dispositif de protection selon l'invention. Suivant ce mode, il est prévu un moyen supplémentaire assurant la récupération de l'énergie électrique correspondant à la 3urten- sion, et qui était dissipée en chaleur dans le dispositif du deuxième mode de réalisation. Pour atteindre ce but, le secondaire du transformateur T' est connecté à travers la diode D, dont la fonction est la même que précédemment, directement aux bornes de la source d'énergie électrique continue 1 et 2. Le rendement énergétique du système d'alimentation à découpage est ainsi notablement amélioré, particulièrement dans le cas où cette source d'énergie électrique est constituée par un dispositif à redressement à partir d'un secteur alternatif, dans lequel le condensateur de filtrage de sortie peut emmagasiner l'énergie récupérée. Il serait possible de réaliser l'enroulement L4 sans La directement sur les deux enroulements Li et B2 du transformateur principal T ; mais cette solution à trois enroulements présenterait d'importants inconvénients, tels que le poids, l'encombrement et le prix élevés de ce transformateur unique. D'autre part, elle laisserait en pratique subsister inévitablement une inductance de fuite ramenée au primaire élevée ; or, c'est cette inductance qui est responsable de surtensions de coupure. La protection du transistor interrupteur serait moins bien assurée contre ces surtensions. Le dispositif de protection faisant l'objet de l'invention se prête au contraire à une réalisation industrielle rationnelle et économique. Dans un cas pratique donné à titre d'exemple, pour une alimentation à découpage réalisée suivant la figure 5, et pour une puissance de sortie de 100 watts sous une tension alternative de 12 volts, le poids de l'ensemble des deux transformateurs T1 et T2 n'excède pas 0,4 kg., alors que le transformateur unique dont l'impédance propre assurerait le résultat équivalent pèserait 0,9 kg. environ. On doit noter que, bien que l'invention ait été décrite sur un exemple mettant en oeuvre, comme élément de charge, un transformateur T, il est compris dans le cadre de l'invention son utilisation avec tout élément doté d'auto-inductance,tel qu'un moteur électrique. On doit noter enfin que le dispositif de protection de l'invention, bien que décrit dans une utilisation mettant en oeuvre un système d'alimentation électrique à découpage, est constitué et se comporte comme un dispositif disjoneteur à maxima. Il conserve cette caractéristique même sans son association avec un tel système, les tensions créées par la résistance r étant alors directement utilisées à la commande du transistor interrupteur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection pour système d'alimentation électrique à découpage, ledit système étant connecté aux bornes d'une source d'énergie électrique continue, et comprenant un interrupteur dont l'ouverture et la fermeture périodiques sont commandées par un circuit de découpage, et un transformateur principal dont le primaire est connecté en série avec l'interrupteur et le secondaire est fermé sur un élément de charge utile, caractérisé en ce qu'il comprend un élément doté d'auto-inductance.connecté en série avec ledit primaire et un élément assurant le déclenchement de l'ouverture dudit interrupteur en cas de surintensité. 2. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément doté d'auto-inductance constitue l'enroulement primaire d'un second transformateur de protection, dont le secondaire est fermé sur un circuit de charge auxiliaire. 3. Dispositif de protection selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit circuit de charge auxiliaire comprend une diode connectée en série avec une résistance. 4. Dispositif de protection selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit de charge auxiliaire comprend un condensateur connecté en parallèle sur ladite résistance. 5. Dispositif de protection selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit condensateur fait partie du circuit de filtrage de sortie de ladite source d'énergie électrique continue. 6. Dispositif de protection selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit de charge auxiliaire est inséré en parallèle aux bornes de sortie de ladite source électrique continue. 7. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit interrupteur est un composant actif à état solide, 8. Dispositif de protection selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit transformateur de protection a une inductance assurant, en association avec celle du transformateur principal, la limitation, en fonction du temps, de la croissance du courant, à une valeur inférieure, avantvladite ouverture, à la valeurlimite du courant admissible par le transistor. 9. Système d'alimentation électrique à découpage, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications précédentes.