Brevet FR2390848A1 — publié le 19781208

La présente invention concerne un convertisseur électrique recevant une tension continue. Cette tension est découpée à l'aide d'un circuit de découpage, puis elle est redressée et filtrée. La tension continue est fournie par un convertisseur alimenté par le secteur. Ce convertisseur à découpage de tension continue est utilisé dans le domaine des alimentations électriques de puissance. On sait qu'un convertisseur électrique à découpage de tension continue comprend un circuit de découpage et de redressement de la tension continue et un filtre généralement constitué par une inductance et un condensateur. Le circuit de découpage est commandé par un modulateur qui reçoit d'une part des impulsions dthorloge fixant la fréquence de découpage et d'autre part1 des signaux issus d'un amplificateur d'erreur de tension et d'un amplificateur d'erreur de courant. L'amplificateur d'erreur de tension compare la tension de sortie du convertisseur, avec un potentiel de référence ; l'amplificateur d'erreur de courant compare avec un potentiel de référence, la tension qui apparatt aux bornes d'un capteur de courant disposé à la sortie du convertisseur. La sortie du modulateur commande un transistor du circuit de découpage, en modifiant la largeur des impulsions de découpage, de manière à corriger la tension de sortie du convertisseur. On sait aussi qu'il est possible d'associer plusieurs modules identiques convertisseurs & découpage d'une tension continue. Cette association comprend généralement un module convertisseur qualifié de "Maitre" et des modules convertisseurs qualifiés d"'Esclaves". Le module convertisseur "Mattre" et les modules convertisseurs "Esclaves" sont connectés en parallèle et sont alimentés par la même source. Un tel montage a pour avantage par rapport à un convertisseur unique de répartir les contraintes au niveau de chaque module. I1 permet aussi d'adapter de façon aisée, la puissance délivrée. Généralement, des moyens sont prévus pour asservir le courant de sortie de chacun des modules "Esclaves", au courant de sortie du module Maître ou au courant total délivré par l'ensemble des modules. Chaque module "Esclave" comprend bien entendu un comparateur capable de comparer un potentiel de référence avec la tension de sortie du module, et un comparateur capable de comparer un potentiel de référence avec la tension aux bornes d'un capteur de courant. Les capteurs utilisés dans les convertisseurs à découpage sont généralement constitués soit par un Shunt, soit par un transformateur de courant. La tension qui apparaît aux bornes du shunt ou du transformateur et qui représente l'image du courant de sortie du convertisseur, est comparée avec un potentiel de référence pour corriger la tension de sortie du convertisseur. Le capteur de type shunt a pour inconvénient de dissiper une puissance assez importante, de provoquer une dégradation de la régulation de tension et de fournir une tension non isolée par rapport à la tension de sortie du convertisseur. Le capteur à transformateur de courant ne donne pas une image fidèle du courant de sortie du convertisseur. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients présentés par les convertisseurs à découpage de tension continue, dans lesquels les capteurs de courant de sortie sont, soit de type shunt, soit à transformateur de courant. L'invention a pour objet un convertisseur électrique à découpage de tension continue, comprenant - Un circuit de découpage et de redressement d'une tension d'entrée continue - Des moyens de commande du circuit de découpage et de redres sement, - Un premier comparateur capable de comparer un potentiel de référence avec la tension de sortie du convertisseur et de fournir aux moyens de commande un signal d'erreur de tension - un capteur du courant de sortie du convertisseur - Un circuit adaptateur connecté aux bornes du capteur - Un deuxième comparateur capable de comparer un potentiel de référence avec la tension aux bornes du circuit adapta teur Convertisseur caractérisé en ce qu'il comporte un filtre de sortie constitué d'une inductance avec entrefer et d'un condensa- teur, le capteur étant de type "à effet Hall et étant disposé dans l'entrefer de l'inductance. Le capteur à effet Hall est très mince, il est disposé dans l'entrefer de l'inductance du filtre de sortie du convertisseur et ne provoque aucune dissipation. De plus comme le capteur à effet Hall est très sensible aux variations de courant dans l'inductance, la régulation du courant de sortie du convertisseur est parfaite. Selon une autre variante de réalisation, l'invention a pour objet un convertisseur électrique à découpage de tension continue comprenant - un module convertisseur Maître" découpant une tension continue d'entrée et dont la sortie comporte un filtre constitué d'une inductance et d'un condensateur - Les modules convertisseurs esclaves", branchés en parallèle avec le module "maître", ces modules "esclaves" découpant aussi la tension d'entrée et comprenant chacun un filtre de sortie constitué d'une inductance et d'un condensateur - Des moyens d'asservissement du courant de sortie de chacun des modules "esclaves", à une tension proportionnelle au courant de sortie du module "maltre" ; ce convertisseur est caractérisé en ce que les moyens d'asservissement comprennent un capteur de courant à effet Hall disposé dans un entrefer de l'inductance du filtre du module "maître" et dont la sortie, est reliée à une entrée de commande de découpage de chacun des modules "esclaves", par l'intermédiaire d'un circuit adaptateur et d'un amplificateur séparateur. Dans ce convertisseur, le module matre" distribue, grâce à un capteur à effet Hall associé à un circuit adaptateur, une tension de commande proportionnelle à son propre courant de sortie. Chaque module esclave a un courant de sortie qui est asservi à cette tension de commande. De plus, le courant de sortie de chaque module "esclave" peut ëtre asservi grâce à un capteur à effet Hall associé à un circuit adaptateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 illustre le principe de fonctionnement d'un capteur à effet Hall. - la figure 2 represente un convertisseur à découpage de tension continue, utilisant un capteur à effet Hall, - la figure 5 représente le capteur de courant à effet Hall, ainsi que les différents moyens qui lui sont associés pour la régulation du courant de sortie du convertisseur. - la figure 4 représente un convertisseur à découpage de tension continue conforme à l'invention, constitué d'un module convertisseur "Maltre" utilisant un capteur à effet Hall, et de modules convertisseurs "esclaves". - la figure 5 illustre le montage précédent, de façon plus détaillée et dans lequel chaque module esclave comprend un capteur de courant à effet Hall. En référence à la figure 1, on a représenté un capteur de courant (1) à effet Hall, disposé dans l'entrefer (2) d'une induc- tance ()) à noyau magnétique (4). Le capteur à effet Hall est alimenté par une source auxiliaire (5 > . Si l'on désigne par - kH, la sensibilité du capteur exprimée en volt par ampères Tesla - Be, l'induction au milieu de l'entrefer, exprimée en Tesla. - Ic, le courant de commande du capteur, délivré par la sour ce (5). - 1o > le courant qui parcourt l'inductance, - Sel la section équivalente de l'entrefer, - L, la valeur de l'inductance. La tension de Hall VH, recueillie aux bornes du capteur, est de la forme K étant une constante égale à kH . L S Le courant de commande 1c du capteur, étant constant, il en résulte que la tension de Hall VH > est bien proportionnelle au courant Io qui parcourt le bobinage de 1'inductance ()) tant que le matériau magnétique n'est pas saturé. Comme on le verra plus loin en détail, cette inductance est celle du filtre de sortie du convertisseur et la tension de Hall VH > va permettre la régulation du courant de sortie du convertisseur. La figure 2 représente un convertisseur conforme à l'invention utilisant le capteur de courant à effet Hall décrit plus haut. Le convertisseur comprend un filtre d'entrée 6, auquel est appliquée la tension du secteur redressé à découper. Le filtre d'entrée est constitué de manière connue, par exemple, d'une inductance et d'un condensateur non représentés.La sortie du filtre est connectée à l'entrée d'un circuit de découpage et de redressement (7) de la tension continue comprenant notamment un transistor de découpage, non représenta ; ce circuit de découpage est connecté à des moyens de commande (8) comprenant - une horloge (9), qui fixe la fréquence de découpage, - un modulateur (10) qui reçoit d'une part les impulsions d'horloge et d'autre part, des signaux d'un ampllflcatelr d'erreur de tension (11) et d'un amplificateur d'erreur de courant (12 > . L'amplificateur d'erreur de tension compare la tension de sortie du conveiisseur avec une tension de référence (15). L'am plificateur d'erreur de courant compare la tension V qui apparaît aux bornes d'un circuit adaptateur 49 branché en sortie du capteur avec un potentiel de référence (14). Ce capteur est disposé dans l'entrefer (2) de l'inductance (3) du filtre de sortie du convertisseur. Ce filtre est constitué de l'inductance t3), associée à un condensateur (15). La sortie du modulateur 10 commande de manière connue, un circuit de commande de découpage (16). Ce modulateur permet de modifier la largeur des impulsions de découpage de manière à corriger la tension qui apparaît à la sortie (17) du convertisseur. En référence à la figure (3), on a représenté le capteur de Hall 1, ainsi que l'adaptateur 49 qui lui est associé et qui permet de délivrer une tension V proportionnelle à la tension VHî aux bornes du capteur 1, par rapport à un potentiel fixe de référence, M. Le capteur 1 est alimenté par la source auxiliaire 5 à travers une résistance fixe 18 et une résistance variable 19. La source 5 délivre un courant de commande Ic, nécessaire au fonctionnement du capteur est amplifiée par un amplifieateur différentiel 50, connecté au capteur par l'intermédiaire des résistances 20, 21, 22, 23, de façon connue. Cet amplificateur présente des entrées différentielles ; une résistance 24 relie la 'sortie du capteur à son entrée négative.La résistance variable 25, connectée à la sortie du capteur, assure éventuellement deux fonctions : elle permet d'une part, d'assurer une charge dradaptation linéaire du capteur, et d'autre part, de compenser la composante résiduelle chimique du capteur, elle est placée dans l'entrefer de l'inductance du filtre de sortie, et permet éventuellement de compenser la composante induite dans les conducteurs de sortie du capteur. La tension V délivrée par ce montage est l'image fidèle du courant moyen de sortie du convertisseur après filtrage. Ce montage permet en outre un asservissement précis et stable du courant de sortie du convertisseur et ne présente aucune dissipation thermique. En référence à la figure 4, le module convertisseur de l'inven tion est constitué de plusieurs modules convertisseurs à découpage de tension continue. Cette association comprend un module convertisseur "maître" 26 et des modules convertisseurs esclaves 27, 30, connectés en parallèle avec le module maître. Ces modules découpent une tension continue commune Ve Chaque module comporte un filtre de sortie constitué d'une inductance et d'un condensateur. Des moyens d'asservissement 28, dispcsés dans l'entrefer de l'ln- ductance du filtre de sortie du module maître et constitués par un capteur de courant à effet Hall et d'un circuit adaptateur, permet tent d'asservir les courants de sortie IE1, IE2 - IE(N-l) de chacun des modules esclaves, à une tension proportionnelle au courant de sortie Ims du module maître. La sortie de ce capteur commande une entrée de commande de découpage de chacun des modules esclaves par l'intermédiaire d'un circuit adaptateur. Le courant de sortie Io, que délivre ce convertisseur cons- titué par l'association d'un module maltre et de n-l modules es claves, est de la forme 10 = 1M + Ni - = NIm. On voit clai- i = l rement qu'une telle association permet, par augmentation du nombre de modules convertisseurs, d'augmenter la puissance totale délivrée. La figure 5 illustre le montage de la figure 4, de manière plus détaillée. Le module "Maître" 26, est connecté en parallèle avec les modules esclaves 27, 30, dont le nombre a été limité à deux pour une plus grande commodité de représentation. Ces modules découpent la tension continue Ve et chacun comprend un filtre de sortie constitué de l'inductance 31 et du condensateur 32, dans le module maître, et de l'inductance 33 et du condensateur 54, dans chaque module esclave tel que 27. On n'a pas représenté sur cette figure, les flltres d'entrée de chaque module. Chacun de ces modules comprend un circuit de décupage et de redressement représenté en 55 pour le module "maître", et en 49 pour les modules esclaves. Chacun de ces circuits est associé à un circuit de commande de découpage. Les circuits de commande de découpage sont schématisés en 36 et 37. L'inductance des chacun des filtres de sortie présente un entrefer dans lequel est disposé un capteur à effet Hall. Ces différents capteurs sont représentés en 38, 59 et les adaptateurs qui leur sont associés sont représentés en 40 et 41. Ces adaptateurs correspondent à ceux qui ont été décrits en 49 sur la figure 3. Le capteur 58 du module maître délivre, par l'intermédiaire des adapteurs 40 et d'un amplificateur séparateur 42, une tension de commande Vc qui est appliquée à une entrée d'un comparateur 43, pour chaque module esclave. Ce comparateur 45 reçoit en outre sur une autre entrée par l'intermédiaire des moyens 41, une tension proportionnelle au courant de sortie du module esclave correspondant. La sortie du comparateur 45 agit sur le circuit de commande de découpage 37. Ainsi, grâce à la boucle 44, le module esclave est asservi en courant. La tension de référence pour les modules "esclaves", est la tension Vc fournie par le module "maître". La boucle 45 qui relie la sortie du convertisseur au circuit de commande de découpage, assure une limitation de la tension de sortie du convertisseur. Pour le module maltre, une limitation de courant est assurée par la boucle 46, reliant la sortie des moyens 40 associés au capteur 38, avec le circuit de commande de découpage une régulation de tension est assurée par la boucle 47, relisant la sortie du module "maître" à une entrée d'un comparateur 48 auquel est appliquée, sur une autre entrée, une tension de référence Vref. L'invention permet bien d'atteindre les buts mentionnés plus haut : une meilleure régulation du courant de sortie du convertisseur et, dans le cas de l'association d'un module "maître" avec des modules "esclaves", un meilleur équilibrage des débits de chaque module. La régulation de tension statique et dynamique est équivalente à celle du module "maître" et les moyens mis en oeuvre dans le module 1,maître" et dans les modules esclaves", sont quasi identiques. Enfin, le branchement d'un module "esclave" supplémentaire peut étire réalisé très facilement. I1 est bien évident que l'invention ne se limite pas aux réalisations décrites et que de nombreuses variantes peuvent ëtre conçues, sans sortir du cadre de l'invention. REVEND IC A T IONS 1. - Convertisseur électrique à découpage de tension continue, comprenant - un circuit de découpage et de redressement d'une tension d'entrée continue ; - des moyens de commande du circuit de découpage et de redressement ; - un premier comparateur capable de comparer un potentiel de référence avec la tension de sortie du convertisseur et de fournir aux moyens de commande, un signal d'erreur de tension. - un capteur du courant de sortie du convertisseur ; - un circuit adaptateur connecté aux bornes du capteur ; - un deuxième comparateur capable de comparer un potentiel de référence avec la tension aux bornes du circuit adaptateur Convertisseur caractérisé en ce qu'il comporte un filtre de sortie constitué d'une inductance avec entrefer et d'un condensateur, le capteur qui est de type l'à effet Hall" est disposé dans l'entrefer de l'inductance du filtre. 2. - Convertisseur électrique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de courant à effet Hall est connecté au deuxième comparateur par l'intermédiaire d'un amplificateur adaptateur différentiel recevant sur ses bornes la tension qui apparaît aux bornes du capteur de Hall. 3. - Convertisseur conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur à effet Hall comprend une spire de compensation de la composante induite dans les conducteurs de sortie du capteur 4. - Convertisseur électrique à découpage de tension continue comprenant - un module convertisseur "Maître" découpant une tension continue d'entrée et dont la sortie comporte un filtre constitué d'une inductance et d'un condensateur - Des modules convertisseurs esclaves, branchés en parallèle avec le module "Maître, ces modules "esclaves" découpant aussi la tension d'entrée et comprenant chacun un filtre de sortie constitué d'une inductance et d'un condensateur - Des moyens d'asservissement du courant de sortie de chacun des modules "esclaves", à une tension proportionnelle au courant de sortie du module "maigre" ; convertisseur caractérisé en ce que les moyens d'asservissement comprennent.un capteur de courant à effet Hall disposé dans un entrefer de l'inductance du filtre du module "maître' et dont la sortie est reliée à une entrée de commande de découpage de chacun des modules esclaves par l'intermédiaire d'un circuit adaptateur et d'un amplificateur séparateur. 5. - Convertisseur conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que chacun des modules "esclaves" comprend un comparateur dont une entrée est reliée à la sortie dSun circuit adaptateur connecté aux bornes du capteur à effet Hall du module maître"1 une autre entrée de ce comparateur étant reliée à la sortie d'un autre circuit adaptateur connecté aux bornes d'un autre capteur à effet Hall situé dans un entrefer de l'inductance du module esclave considéré, la sortie de ce comparateur est reliée à une entrée de commande du module esclave considéré ; ; 6. - Convertisseur conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que la sortie du capteur à effet Hall du module maître est connectée à une entrée de chacun des comparateurs des modules esclaves par l'intermédiaire d'un amplificateur séparateur.