Brevet FR2360204A1 — publié le 19780224

La présente invention concerne des perfectionnements aux circuits convertissant la tension d'une source d'alimentation en courant continu en une ou plusieurs tensions continues difrentes, circuits que l'on désignera simplement dans ce qui suit par ltexpression "convertisseurs continus", et, plus particulierement un circuit de co nande pour deux transistors d'un étage de sortie push-pull d'un convertisseur continu. Les systèmes de cosunication et de sécurité sont généralement altBentés par une batterie car on exige une grande fiabilité ; la charge maximale de la batterie est conservée d'une façon presque constante car elle est dispersée en batterie-tampon. Dans ce cas, le système est alimente pendant un certain temps, cependant limité, en cas de défaillance du réseau public d'alimentation. Le fonctionnement de certains dispositifs et systèmes logiques exige des tensions très stables et ces tensions diffèrent, dans une large resttre, de la tension de batterie. Ces tensions doivent souvent entre flottantes. Pour obtenir de telles tensions, on utilise des convertisseurs continus. Dans un tel convertisseur, la tension d'alimentation est découpée d'une façon connue - ce qui a donné le nom de "hacheur" - et la tension découpée agissant carre une tension alternative est amenée au niveau nécessaire au moyen d'un transiDr ateur, puis, sur le côté secondaire du transformateur, est redressée pour fournir la tension continue désirée comme tension de sortie du convertis- seur. Cette tension peut etre maintenue constante à la valeur désirée au moyen d'un transistor de régulation série. Cette méthode connue de conversion et de stabilisation de la tension n'a que peu d'efficacité, car elle entraîne des pertes importantes. Pour cette raison, les convertisseurs continus pour tensiorsplus élevées ont été récemment réalisés sous la forme de convertisseurs commandes par la largeur d'impulsions auxiliaires, c'est-à-dire comportant deux transistors de puissance qui ne sont chacun conducteurs que pendant une fraction de la piriode d'un signal rectangulaire de commande, fraction qui a toujours la weee dures'. Les impulsions de largeur correspondante fournies par les transistors sont redressées et on utilise un filtre de lissage pour dériver leur tension moyenne. Cette tension moyenne est utilisable comme tension de sortie ou d'alimentation.La grandeur de cette tension de sortie est fonction du rapport de la largeur d'impulsion et de la période du signal rectangulaire, c 'est-à-dire de la fraction pendant laquelle les transistors de puissance conduisent, et dépend de la tension de sortie du transformateur et de la résistance de charge. Pour que la dépense entraînée par le filtre de lissage reste dans des limites raisonnables, les convertisseurs sont commandés en pratique par un signal de fréquence relativement élevée,de l'ordre d'environ 20 kHz. Dans les convertisseurs continus du type décrit, les transistors de puissance et leur circuit de commande doivent répondre à certaines exigences qui sont, dans une certaine mesure, mutuellement incompatibles. Par exemple, les temps de déblocage et de blocage des transistors de puissance doivent etre courts par rapport à la période du signal de commande, de façon que les pertes dues à la commutation restent dans une étroite limite admissible. Une faible polarisation directe est souhaitable pour réduire les pertes de courant de conduction. En outre, le temps d'emmagasinage (temps du à l'effet de capacité d'emmagasinage) des transistors de puissance doit etre réduit, pour que le signal de commande soit utilisé par la logique avec un minimum d'erreur. Si les transistors de puissance fonctionnent en état non saturé, leurs temps de déblocage et de blocage peuvent etre rendus courts par rapport à la période du signal de commande mais dépendent encore, dans une certaine mesure, de leurs courants de collecteur. Un courant de collecteur plus élevé prolongera légèrement le temps d'emmagasinage. Dans un circuit push-pull, la différence des courants de collecteur des deux transistors de sortie dépend essentiellement du temps de conduction. Même de légères différences entre les temps de conduction des deux transistors de puissance, par exemple de l'ordre de 1%, occasionnent un déséquilibre très important des courants de collecteur, d'environ 20%.Puisque, comme dit ci-dessus, un courant de collecteur plus élevé procure un temps d'emmagasinage plus long lorsque les transistors de puissance fonctionnent en état non saturé, l'augmentation consécutive des temps de conduction cause une nouvelle augmentation du courant de collecteur. Pour cette raison, le circuit est dans un état de fonctionnement instable, puisque des déséquilibres, qui étaient minimes à l'origine, peuvent devenir importants. Le déséquilibre des courants de collecteur produit des élévations de température différentes des deux transistors de puissance, une importante pointe de surtension sur le collecteur pendant leur blocage, et une tension d'interférence de sortie plus importante ; pour ces raisons, ce déséquilibre est donc très indésirable. Pour réduire ces inconvénients, certains convertisseurs de ce type ont été munis d'un contrôleur d'équilibre indépendant, qui compare les courants de collecteur et contrôle la largeur d'impulsion du signal logique de chaque voie selon le résultat de la comparaison, de façon que la largeur d'impulsion varie pour compenser les différences entre les courants de collecteur. De tels circuits sont beaucoup plus onéreux. Quand les transistors de puissance fonctionnent en état saturé, ils sont alimentés par un courant de base qui est plus élevé que celui qui correspond au gain en courant. En conséquence, les transistors atteignent très rapidement l'état de conduction et la tension de saturation est extrêmement réduite. D'autre part, le temps d'emmagasinage et le temps de coupure sont considrables et doivent être réduits par un courant d'appauvrissement de la base en porteurs de charge. Ce circuit est auto-stabilisant au point de vue de ltéquilibre des courants de collecteur car en cas de courant de base et de courant d'appauvrissement constants, une augmentation du courant de collecteur causerait un temps d'emmagasinage plus réduit. La présente invention a pour objet un circuit palliant les inconvénients des convertisseurs de tension continue connus, réduisant les pertes inévitables, réduisant les temps nécessaires aux transistors de puissance pour changer d'état et réduisant le coût des circuits. Ce but est atteint par le fait que le circuit de commande comprend, pour chacun des deux transistors de puissance, un transformateur de commande ayant un rapport de transforeation élevé, l'enroulement à basse tension de chaque transformateur étant relié d'un côté à l'électrode de base et de l'autre côté à l'électrode d'émetteur du transistor de puissance associé, l'enroulement à haute tension de chaque transfor ateur étant relié à une extrémité, par un condensateur se'rie, a un Pontage à deux transistors constituant des sources de courant distinctes et agissant corme des comsutateurs commandes en mode push-pull et, à l'autre extre ité, au point de jonction de l'enroulement à basse tension du transfornateur de commande et de ltélectrode d'émetteur du transistor de puissance associé, et par le fait qu'une de ces sources de courant fournit le courant de base direct, et que l'autre source de courant fournit le courant d'appauvrissement de base au transistor de puissance associé. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui representent - la figure 1, un circuit de convertisseur continu du type classique ; - la figure 2, le circuit de commande du convertisseur continu conforme à d l'invention. Dans la figure 1, l'enroulement primaire d'un transformateur Tr se compose de deux parties identiques Wl, W1' et est commandé par un circuit logique LS par l'interEédiaire de deux transistors T1, T2, afin d'être parcouru par des impulsions tantôt dans un sens, tantt dans le sens inverse. L'enroulement secondaire du transformateur Tr, composé de deux parties identiques W2, W2', fournit une tension de sortie qui est redressée par deux diodes Dl, D2 et qui est filtrée par un réseau L-C pour produire la tension continue de sortie désirée et nécessaire pour le fonctionnement de la charge Rk La figure 2 représente la partie d'un circuit de commande conforme à l'invention prévue pour un des deux transistors T1 ou T2 du circuit de la figure 1, plus précisément le transistor Tl. La figure 2 représente donc la moitié d'un circuit de commande pour convertisseur continu ; l'autre moitié, non représentée, est symétrique. La partie principale du circuit de commande conforme à l'invention est le transformateur de commande StTr dont l'enroulement primaire W3 est relié par un condensateur série C1 à deux circuits à transistors constituaùt des sources de courant. L'enroulement secondaire W4 du transformateur de commande StTr a une extrémité connectée a' à ltélectrode de base du transistor de puissance T1 associé et l'autre extrtimité connectée au conducteur d'alimentation O (masse) auquel l'enroulement primaire W3 du transformateur de commande StTr est également relié. Chacune des deux sources de tension mentionnées ci-dessus comprend un transistor T3 ou T4.La tension rectangulaire est appliquée par une résistance série R1 à ltélectrode de base du transistor T3. L'électrode de base du transistor T4 est reliée par une résistance série R2 à la borne positive +UB de la source de tension d'entrée et est reliée directement au collecteur du transistor T3. Le collecteur du transistor T3 est relié, par une diode D3, à ltémetteur du transistor T4 et au condensateur C1. Le collecteur du transistor T4 est directement relié à la borne positive +UB de la source de tension d'entrée. L'émetteur du transistor T3 est relié, par une résistance série R3, au conducteur d'alimentation 0. Deux diodes D3, D4 sont reliées en série dans le meme sens et sont montées en parallèle sur la connexion en série constituée par la jonction base-émetteur du transistor T3 et la résistance R3. Dans le circuit décrit, le transformateur de commande StTr assure une adaptation d'impédance entre l'entrée du transistor de puissance T1 et l'étage de commande constitué par le circuit qui comprend les deux transistors T3 et T4, parce que l'enroulement W3 du transformateur StTr a un grand nombre de spires et son enroulement W4 a un petit nombre de spires ; ainsi, ce transformateur a un rapport de transformation élevé : W4/W3. On peut ainsi fournir au transistor de puissance T1 des courants directs de base et des courants d'appauvrissement élevés ; par contre, les transistors T3 et T4 ne demandent que de faibles courants de commande. Le transistor T3 fournit le courant de base au transistor de puissance T1. Le circuit qui comprend le transistor T3, les deux diodes D3 et D4 et la resistance R3 constitue une source de courant commandée, de façon que le courant de collecteur du transistor T3 et aussi le courant de base du transistor de puissance T1 sont indépendants de la largeur d'impulsion et de la tension de batterie. Lorsque le transistor T3 est bloqué, le transistor T4 devient ff diatement conducteur par l'intermédiaire de la résistance R2 et une impulsion de courant passe par le condensateur C1 et l'enroulement W3 du transformateur de commande StTr. Une tension est alors introduite dans l'enroulement secondaire W4 du transformateur de commande StTr et il s'ensuit un courant par lequel les porteurs de charge résiduelle sont éliminés de la zone de base du transistor de puissance T1 ; ce dernier est donc bloqué très rapide ent. Il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée qu'a titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent etre envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. KEVENDICATION Circuit de commande pour deux transistors d'un étage de sortie push-pull d'un convertisseur de tension continue en une autre tension continue, caractérisé par le fait qutil comprend, pour chacun des deux transistors de puissance, un transformateur de commande ayant un rapport de transformation élevé, que l'enroulement à basse tension de chaque transformateur est relié d'un cté à l'électrode de base et de l'autre côtd à ltélectrohde d'émetteur du transistor de puissance associé, que l'enroulement à haute tension de chaque transformateur est relié à une extrémité, par l'intermédiaire d'un condensateur série, à un montage à deux transistors qui constituent des sources de courant distinctes et agissent comme des commutateurs commandés en mode push-pull et, à l'autre extrémité, au point de jonction de l'enroulement à basse tension du transformateur et de l'électrode d'émetteur du transistor de puissance associé, qu'une desdites sources de courant fournit le courant direct de base et que l'autre source de courant fournit le courant d'appauvrissement de base dudit transistor de puissance associé.