Brevet FR2353991A1 — publié le 19771230

Pour réaliser l'alimentation en courant d'appareils électriques avec des tensions continues stabilisées ou bien avec des courants continus constants réglés, on monte souvent entre une source de tension et un appareil d'utilisation, des convertisseurs à régulation séparée, qui peuvent être réalisés principalement sous la forme de convertisseurs de blocage ou de convertisseurs de passage.De façon connue (Voir par exemple Frequenz, 30 (1976) 1: "Die Funktion und Stabilität von impulsbreitengeregelten Sperrwandlern"), un convertisseur de blocage possède une voie caractéristique de blocage et un convertisseur de passage possède une voie caractéristique de passage, qui est constitué d'une part par un circuit série primaire formé par l'enroulement primaire d' un transformateur et la voie collecteur-émetteur par exemple d'un transistor npn, et d'autre part par un circuit série secondaire constitué par l'enroulement secondaire du transformateur, par une diode en sens direct ou passant et par un condensateur, cependant que dans une telle voie caractéristique de passage d'un convertisseur de passage, il faut insérer encore une bobine de filtrage du côté du secondaire; une voie caractéristique de blocage comporte les mêmes circuits série, mais avec la diode montée en sens inverse ou de blocage et sans insertion d'une bobine de filtrage dans le circuit série secondaire. On suppose que les enroulements primaire et secondaire du transformateur sont bobinés dans le même sens. De tels convertisseurs s'avèrent être cependant relativement onéreux, notamment en ce qui concerne des dispositions supplémentaires de protection, qui sont nécessaires pour éviter des pointes de courant et de tension. Ces inconvénients sont particulièrement importants quand il s'agit d'un convertisseur à haute tension, dont le transformateur possède une capacité de fuite trop élevée par suite du dimensionnement, nécessaire dans le cas d'utilisations à haute tension, du système d'isolement. Ces mêmes inconvénients d'un convertisseur de passage sont également présents, notamment dans le cas de rapports élevés de transformation du transformateur, dans un convertisseur de passage connu d'après le document Elec tronic Design 7, Avril 1, 1975, pages 116 à 122, qui comporte du côté entrée un organe X constitué par quatre commutateurs à semiconducteurs, et un circuit série disposé entre les bornes de sortie de l'organe X qui est constitué par l'enroule- ment primaire du transformateur et par un condensateur de séparation, un circuit de commande prévu pour réaliser la commande des commutateurs à semiconducteurs délivrant une séquence ou une suite d'impulsions parmi lesquelles respectivement d'une part les impulsions impaires rendent passant simultanément les premier et quatrième commutateurs à semiconducteurs, et les impulsions paires rendent passant simultanément les second et troisième commutateurs à semiconducteurs. Ce convertisseur de passage connu fonctionne de telle manière que lors de l'apparition d'une impulsion impaire, un courant s'écoule du pôle plus de la source de tension en direction du pôle moins de cette source par l'intermédiaire du premier commutateur à semiconducteurs, de l'enroulement primaire du transformateur, du condensateur de séparation et du quatrième commutateur à semiconducteurs, et que, lors de l'apparition d'une impulsion paire, le courant circule en passant par le second commutateur à semiconducteurs, le condensateur de séparation, l'enroulement primaire du transformateur et le troisième commutateur à semiconducteurs.Le courant alternatif s'écoulant par conséquent par l'intermédiaire de l'enroulement primaire du transformateur est transmis à l'enroulement secondaire du transformateur, muni d'une prise médiane, et est redressé dans un circuit redresseur. La présente invention a pour but d'indiquer un montage pour un convertisseur de tension, qui peut être réalisé avec un nombre moins important de composants ou bien avec un nombre moins important de composants coûteux, dans lequel des pointes de courant et de tension sont évitées dans une large mesure et qui possède un rendement particulièrement élevé en sorte qu'il soit également bien approprié pour des unités d'alimentation mobiles. L'invention concerne un montage pour un convertisseur de tension réglé par la tension ou par le courant et formant convertisseur possédant une voie/ ue passage comportant au moins un semicon- ducteur, un transistor, une diode et un condensateur. Le convertisseur de tension conforme à l'invention est caractérisé par le fait qu'il est prévu en série avec l'enroulement primaire du transformateur une bobine d'arrêt supplémentaire stockant de l'énergie magnétique et qui agit simultanément en tant qu'élément de charge pour le circuit de régulation. Un tel convertisseur de tension possède l'avantage de supprimer les pointes de tension ainsi que les pointes de courant particulièrement nuisibles. En outre, la bobine d'arrêt supplémentaire, insérée conformément à l'invention, agit à la façon d'un organe de stockage tout comme dans le cas d'un convertisseur de blocage. En outre, dans le cas d'un tel convertisseur de tension fonctionnant en soi comme un convertisseur de passage,les bobines de filtrage à inductance élevée, onéreuses, par ailleurs usuelles et branchées en série et en aval du côté secondaire, sont supprimées.La bobine -d'arrêt,insérée conformément à l'invention du côté primaire et qui peut être nettement moins onéreuse qu une bobine de filtrage, agit également comme élément de charge pour le circuit de régulation, en sorte que ce dernier possède une caractéristique appropriée, pour la régulation. Le montage conforme à l'invention peut comporter avantageusement un organe X constitué par quatre commutateurs à semiconducteurs, comnandés par un circuit de commande de au moyen d'une modulation d'impulsions en largeur, et par un circuit série disposé entre les bornes de sortie de organe X et constitué par -l'enroulement primaire du transformateur et par la bobine d'arrêt supplémentaire ainsi que, ~éventuellement, par un condensateur de séparation, l'enroulement secondaire du transformateur étant relié à un pont de diodes, en série et en aval duquel est branché un condensateur transversal. Un tel montage présente l'avantage d'être relativement peu coûteux, en particulier en ce qui concerne le transformateur qui possède un courant moyen d'aimantation nul. Le fait de brancher une inductance supplémentaire en série avec l'enroulement primaire du transformateur est assurément connu en soi, pour améliorer par exemple la commutation dans le cas de l'utilisation de tubes à décharge dans un gaz servant de commutateurs de circuits onduleurs ou convertisseurs de courant continu (Voir par exemple : S.W. Wagner "Stromversorgung" ,R.v.Decker's Verlag G.Schenk,Hambourg, 1964, pages 607-609), ou bien dans des convertisseurs de courant continu fonctionnant selon le principe de la résonance. Dans le cas de convertisseurs réglés de tension continue comportant des commutateurs à semiconducteurs, qui sont commandés par des impulsions modulées du point de vue de leur largeur, on a évité d'utiliser une telle inductance supplémentaire, d'autant que, dans le cas du raccordement et de la déconnexion de charges inductives, les semiconducteurs sont régulièrement soumis à des contraintes pendant le processus de déconnexion (Voir par exemple : Erich Gelder:"Der Transistor als Schalter", Telekosmos Verlag 1966, page 68, lignes 14-18). Néanmoins il s'est avéré que dans le dispositif conforme à l'invention, non seulement 1'inductance supplémentaire entrain les avantages indiqués plus haut, mais il s'avère qu'en outre la contrainte mentionnée précédemnent, à laquelle sont soumis les commutateurs à semiconducteurs, est également évitée. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement aux dessins annexés plusieurs formes de réalisation du dispositif suivant l'invention. La figure 1 montre la constitution de principe d'une unité d'alimentation du magnétron d'un appareil radar mobile, comportant un convertisseur de tension réglé par le courant, conforme à l'invention. La figure 2 montre un premier schéma de principe d'un tel convertisseur de tension fonctionnant en tant que convertisseur de passage. La figure 3 montre un second exemple de réalisation d'un tel convertisseur de tension. La figure 4 représente la variation des impulsions de commande et du courant primaire dans un convertisseur de tension conforme à celui de la figure 3. L'unité d'alimentation représentée sur la figure 1 comporte comme source de tension un appareil d'alimentation SA fournissant une tension continue VI et en série et en aval duquel est branché un convertisseur à haute tension HW prévu pour alimenter un générateur d'impulsions de courant PE. Des impulsions de courant produites dans le générateur d'impulsions de courant PE parviennent dans l'enroulement primaire d'un transformateur d'impulsions Tl dont ltenroule- ment secondaire est relié d'une part, par l'intermédiaire d'un diviseur de tension ST, à un potentiel de référence BP et d'autre part, par l'intermédiaire d'un circuit d'adaptation AS, à un magnétron M, une tension d'erreur fv prélevée sur le diviseur de tension ST étant utilisée pour la régulation du convertisseur à haute tension HW. L'appareil d'alimentation SA pourrait délivrer en soi une tension continue filtrée V1 pouvant cependant comporter des variations. La tension de sortie V2 du convertisseur à haute tension HW est réglée au moyen de la tension d'erreur fv de telle manière que le courant moyen prélevé du magnétron M reste constant. La figure 2 montre schématiquement un circuit de base possible i convertisseur de tension selon l'invention comportant une voie fornant convertisseur de passage . Entre deux bornes de tension d'entrée sont branchés en série un commutateur à transistor TS, une bobine d'arrêt Dr et l'enroulement primaire Trp d'un transformateur, qui constituent le côté primaire de la voie formant convertisseur de passage. L'enroulement secondaire Trs du transformateur, une diode D1 branchée dans le sens passant et un condensateur transversal CL constituent le circuit série secondaire de la voie formant convertisseur de cassage. Le circuit de la figure 2 fonctionne de la façon suivante. Lorsque le commutateur TS est fermé, c'est-à-dire est conducteur, un courant commence à s'écouler, du côté primaire, depuis la borne plus par l'intermédiaire de la bobine d'arrêt Dr et de l'enroulement primaire Trp du transformateur Tr, en direction de la borne moins. Lorsque le courant a atteint une certaine intensité, un courant commence à s'écouler, du côté secondaire, dans l'enroulement secondaire Trs, dans la diode D1 et dans la charge. A la fin de l'impulsion de courant, c'est-à-dire lorsque le commutateur TS est ouvert, (c'est-à-dire devient non conducteur) le courant primaire atteint une valeur maximale. Ensuite l'énergie magnétique est stockée dans la bobine d'arrêt Dr et dissipée; alors le courant passe dans une diode transversale D2, dans la bobine d'arrêt Dr et dans l'enroulement primaire Trp jusqu'à ce que le courant devienne nul.Ce courant induit en outre, du côté secondaire, un courant utile en sorte que le rendement de l'ensemble du convertisseur de tension est accru de façon correspondante. La régulation du commutateur TS est réalisée au moyen d'un circuit de commande SS qui peut être découplé par exemple, du point de vue de la tension continue, par l'intermédiaire de transformateurs de séparation ou bien d'optocoupleurs, en utilisant comme grandeur de réglage la tension aux bornes du condensateur CL ou bien un signal fv introduit de l'extérieur. Une telle introduction ou insertion d'un signal à partir de 1' extérieur est indiquée par une ligne formée de tirets sur la figure 2, la liaison du circuit de commande SS avec le condensateur transversal CL étant alors supprimée. Le circuit de commande SS convertit les grandeurs de réglage, qui lui sont envoyées, en impulsions modulées en largeur qui sont envoyées à l'entrée de commande du commutateur TS; simultanément le circuit de commande SS peut provoquer, par exemple par l'intermédiaire de transformateurs de séparation ou d'optocoupleurs, un découplage, du point de vue de la tension continue, de 1' en- trée de commande vis-à-vis du transmetteur de valeurs de réglage. Une charge, qui est formée par la bobine Dr dans le montage conforme à l'invention, est nécessaire pour le circuit de réglage. Le convertisseur de tension HW de la figure 3 comporte une bobine d'arrêt L1 qui est branchée en série avec l'enroulement primaire Pr2 d'un transformateur T2 et avec un condensateur de séparation C2, l'extrémité E de ce circuit série étant reliée d'une part par l'intermédiaire d'un commutateur à semiconducteurs Sl au pôle +V1 et d'autre part par l'intermédiaire d'un commutateur à semiconducteurs S3 au pôle -V1 de l'appareil d'alimentation (SA sur la figure 1). L'autre extrémité A du circuit série est également reliée par l'intermédiaire d'un commutateur à semiconducteurs S2 au pôle plus et par l'intermédiaire d'un commutateur à semiconducteurs S4 au pôle moins de l'appareil d'alimentation (SA sur la figure 1).Les commutateurs à semiconducteurs S1, S2, S3 et S4 forment donc un organe X XG comportant comme bornes de sortie les bornes E et A. Les commutateurs à semiconducteurs S1, S2, S3 et S4, qui peuvent être constitués respectivement par un montage et en parallèle d'une diode/d'au moins un transistor, sont commandés au moyen d'une suite d'impulsions de commande modulées du point de vue de leur largeur et produites dans le cir cuit de commande SS, les commutateurs à semiconducteurs S1 et S4 n'étant commandés que par les impulsions impaires de commande UI, tandis que les commutateurs à semiconducteurs S2 et S3 ne sont commandés que par des impulsions de commande paires de cette suite d'impulsions.A l'enroulement secondaire Sk2 du transformateur T2 est relié un circuit redres seur GS constitué sous la forme d'un pont de Craetz (G5, G6, G7, G8) en série et en aval duquel est branché un organe de filtrage C3, L2, C4,comportant un condensateur transversal C4. Les différents composants du convertisseur à haute tension de la figure 3 peuvent posséder par exemple les va leurs suivantes L1 = 120 e Pr2 = 2 bis 3 mH; facteur de transformation 1:30; C2 = 7,8 M C4 = 0,5 r (sur la figure 1 : C1 = pF). Dans le cas d'une tension d'entrée de par exemple 250V, on obtient, selon la largeur des impulsions de commande, une tension de sortie d'environ 4 à 5 kV pour un rendement d'environ 94%, la puissance nominale du convertisseur étant de 1,5 kW. La tension de sortie comporte un bruit de parasitage de 1 O/oo pour L2 = 40 mH et C3 = 2,2 nF pour des valeurs L2 = O et C3 = O, le bruit de parasitage ne dépasse pas 1,5 /oe- Le circuit de la figure 3 fonctionne de la façon suivante. Pendant la durée des impulsions impaires de commande UI (figure 4), seuls les commutateurs à semiconducteurs S1 et S4 sont fermés, c'est-à-dire sont conducteurs, et un courant Ipr (figure 4) commence à s'écouler, côté primaire,depuis la borne E par l'intermédiaire de la bobine d'arrêt L1, de l'enroulement primaire Pr2 et du condensateur de séparation C2, en direction de la borne A. Lorsque le courant Ipr a atteint une certaine valeur (G sur la figure 4), un courant commence à circuler, du côté secondaire, dans l'enroulement secondaire Sk2, dans la diode G8, dans la charge et dans la diode G5. La fin de l'impulsion de commande (instant M sur la figure 4), c'est-à-dire lorsque les commutateurs à semiconducteurs S1 et S4 s'ouvrent (deviennent bloqués ou non conducteurs), le courant Ipr atteint une valeur maximale (H sur la figure 4). Ensuite l'énergie magnétique stockée dans la bobine L1 est dissipée. Alprs le courant Ipr circule dans la diode G3, dans la bobine d'arrêt L1, dans l'enroulement primaire Pr2 du transformateur T2, dans le condensateur de séparation C2 et dans la diode G2, jusqu'à ce que ce courant Tpr s'annule à l'instant K. Ce courant induit en outre, du côté secondaire, un courant actif en sorte que le rendement de l'ensemble du convertisseur de tension est accru de fa çon correspondante.Pendant la durée des impulsions de commande paires (GI sur la figure 4), impulsions non en recouvrement ou en cotncidence avec les impulsions impaires de commande), seuls les commutateurs à semiconducteurs S2 et S3 sont fermés (conducteurs) et un courant s'écoule alors du côté primaire en sens inverse, c'est-à-dire de la borne A à la borne E; par ailleurs, les processus se déroulent de façon analogue à ceux entrant en jeu dans le cas considéré précédemment des impulsions de commande impaires. I1 apparait dans l'enroulement primaire Pr2 du transformateur T2 un courant alternatif pulsatoire de façon stable qui, conformément au facteur de transformation du transformateur T2, fournit une tension alternative stable de façon correspondante dans l'enroulement secondaire Sk2. La tension continue, redressée à partir de cette tension alternative éventuellement élevée dans le circuit redresseur GS, sert alors à alimenter le générateur dtimpulsions de courant PE, raccordé à la suite. Dans le montage conforme à 11 invention, le convertisseur à haute tension HW peut être commandé en fonction d'une grandeur d'erreur fv (figure 1), qui peut être prélevée de préférence par l'intermédiaire d'un diviseur de tension ST, sur le côté secondaire du transformateur T1 (figure 1), ou bien peut être prélevée à la sortie du convertisseur à haute tension HW lui-même (figure 2). La grandeur d'erreur peut être proportionnelle à une tension ou à un courant selon que l'on considère une régulation par une tension ou par un courant. Enfin on notera encore que dans le cas du convertisseur de tension conforme à l'invention, avantageusement des pointes de courant sont évitées du côté entrée et si multanément une stabilité élevée du circuit de régulation est également assurée même dans le cas de rapports de transformation très différents, les valeurs différentes de la capacité de fuite et de l'inductance de fuite du transformateur T2, dans le cas d'une fabrication en série, n'étant pas critiques, cependant que le système est résistant aux courtscircuits dans le cas d'une conception adéquate, étant donné que la bobine L1 agit en outre de façon à limiter le courant. En outre l'inductance de la bobine d'arrêt L2 branchée habituellement du côté secondaire du transformateur T2, peut être fortement réduite à un ordre de grandeur de par exemple quelques henrys, ou même être supprimée. REVENDICATIONS 1 - Montage pour un convertisseur de tension réglé par la tension ou par le courant et comportant une voie formant convertisseur de passage comportant au moins un commutateur à seniconducteurs , un transformateur, une diode et un condensateur, caractérisé par le fait qu'en série avec l'enroulement primaire (Trp) du transformateur (Tr) est branchée une bobine d'arrêt supplémentaire (Dr) stockant de l'énergie magnétique et qui sert simultanément d'élément de charge pour le circuit de régulation. 2 - Montage suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est prévu un organe X (XG) constitué par quatre commutateurs à semiconducteurs (S1, S2, S3, S4) commandés par un circuit de commande (SS) au moyen d'une modulation d'impulsions en largeur, et par un circuit série situé entre les bornes de sortie (E, A) de l'organe X (XG) et formé par l'enroulement primaire (Pr2) du transformateur (T2) et par la bobine d'arrêt supplémentaire (L1) ainsi qu'éventuellement par un condensateur de séparation (C2), l'enroulement secondaire (Sk2) du transformateur (T2) étant relié à un pont de diodes (GS) en série et en aval duquel est branché un condensateur transversal (C4). 3 - Utilisation d'un convertisseur de tension suivant l'une des revendications 1 ou 2 dans un dispositif pour réaliser la conversion à haute tension, notamment pour l'alimentation du magnétron d'un appareil radar mobile, comportant un appareil d'alimentation, un générateur d'impulsions de courant et un transformateur d'impulsions, caractérisée par le fait que le convertisseur de tension (HW) est commandé en fonction d'une grandeur d'erreur (fv) qui est obtenue à partir d'un circuit diviseur de tension (ST) qui est branché en série avec l'enroulement secondaire du transformateur d'impulsions (T1), chargé par le convertisseur de tension (HW) par l'in- termédiaire du générateur d'impulsions de courant (PE), avec un circuit d'adaptation (AS) et avec le magnétron (M).