Brevet FR2423915A1 — publié le 19791116

La présente invention concerne un circuit d'alimentation électrique à découpage, plus particulièrement, un circuit d'alimentation comprenant un régulateur de tension continue à découpage commandé par modulation d'impulsions. On connaît des circuits d'alimentation de ce type qui comprennent : une inductance d'accumulation connectée en série avec un étage commutateur, les bornes externes de l'inductance et de l'étage commutateur étant montées soit en parallèle sur la tension d'entrée, soit en série entre la tension d'entrée et la tension de sortie ; des moyens de commutation destinés à délivrer la tension de'sortie et constitués par un enroulement supplémentaire de l'inductance d'accumulation, ou bien par l'inductance elle-meme, et par une diode et un condensateur de charge ; ainsi qu'un étage modulateur de largeur d'impulsions permettant de convertir les différences de la tension de sortie du circuit d'alimentation par rapport à une tension nominale donnée, en différences de temps de conduction de l'étage commutateur, des diminutions.de la tension de sortie entraînant des temps de conduction plus longs tandis que des augmentations de la tension de sortie entraînent des temps de conduction plus courts Les circuits d'alimentation à découpage qui comportent un montage série de l'étage commutateur et de l'inductance d'accumulation entre la tension d'entrée et la tension de sortie, appelés d'une manière générale circuits d'alimentation à montage série, ou bien ceux qui comportent un montage en parallèle de l'inductance d'accumulation et de l'étage commutateur sur la tension d'entrée, appelés d'une manière générale circuits d'alimentation à montage parallèle, permettent de façon idéale la conversion avec une faible perte d'une tension continue d'entrée instable en une tension continue de sortie stable. Le mode de fonctionnement de ce type de circuits d'alimentation a été décrit, par exemple, dans un article publié dans la revue technique allemande 'Funkschau", 1972, NO 12, pages 339 à 341, ainsi que dans la revue technique allemande "Valvo-Entwicklungs-Mitteilungentr NO 55. L'étage de commande qui permet à la tension de sortie du circuit d'alimentation de rester constante est le modulateur de largeur d'impulsions. Dans cet étage, la tension de sortie est comparée à une tension nominale et tout écart entre les deux tensions est converti en une variation correspondante du temps de conduction de l'étage commutateur. Si l'inductance comporte plusieurs enroulements afin de permettre la production de plusieurs tensions de sortie, ces tensions, dans le cas de différences de charges, ne présentent pas la même stabilité que la tension de sortie utilisée comme base pour effectuer la comparaison entre la valeur de la tension nominale et la valeur de la tension réelle. Ceci est dû au fait que les facteurs de couplage des enroulements entre eux ne peuvent être réduits à l'unité. Par conséquent, si l'une des tensions de sortie doit présenter une grande stabilité, c'est sur cette tension de sortie que devra être effectuée la comparaison valeur nominale-valeur réelle. Un inconvénient majeur du gain de stabilité ainsi obtenu réside dans le facteur de réaction élevé d'une surcharge momentanée sur le courant de l'étage de commutation et de l'inductance pendant plusieurs périodes d'accumulation. Cette montée rapide en courant est provoquée par la prolongation immédiate du temps de conduction dans le cas d'une tension de sortie légèrement décroissante au cours de la comparaison valeur réelle-valeur nominale effectuée dans le modulateur de largeur d'impulsions. La capacitance du condensateur de charge est incapable d'absorber la montée du courant car dans le cas d'une tension de sortie à régulation constante il est impossible d'effectuer un transfert d'énergie au-delà de la durée d'une période de décharge du condensateur. I1 faut en conséquence surdimensionner à la fois l'étage commutateur et l'inducta-nce, ce qui entraîne une augmentation notable du coût du circuit d'alimentation. L'objet de la présente invention est donc de prévoir, pour un circuit d'alimentation du type précité, une solution qui, tout en assurant une grande stabilité de la tension de sortie, permette de maintenir à un faible niveau l'effet sur le courant de l'étage commutateur et de l'inductance des brèves surintensités dues à la charge connectée. Selon l'invention cet objet est atteint par le fait que des moyens de commutation sont introduits sur le circuit interconnectant la borne de tension de sortie et le modulateur de largeur d'impulsions afin de transmettre sans délai les tensions de sortie croissantes et de transmettre avec délai les tensions de sortie décroissantes. Selon un avantage de la solution offerte par l'invention, le condensateur de charge peut servir de source d'énergie car une chute de tension au niveau du condensateur de charge - résultant d'une montée du courant de charge - n'entraîne pas une prolongation immédiate du temps de conduction de l'étage commutateur. Avec un temps de conduction constant, néanmoins, 'adaptation du courant de charge à une valeur de sortie plus élevée ne peut s'effectuer que sur un grand nombre de périodes de commutation. Les groupes de commutation côté charge sont protégés par la chute de tension ainsi obtenue. Le circuit de l'invention présente également l'avantage de pouvoir fonctionner avec un interrupteur électronique de sécurité. I1 permet de fixer un point de sensibilité, ou seuil, plus bas pour le déclenehement d'un tel interrupteur ou fusible de sécurité, car les brèves surcharges ne sont plus dans ce cas capables de commander le déclenchement du fusible qui provoquerait une rupture de tension complète et, après cela, la remise en marche du circuit d'alimentation. Si on l'utilise comme fusible de régulation directionnelle du courant, le dispositif de l'invention prévient une réduction trop brusque du temps d'accumulation comme cela se produit chaque fois que le courant d'accumulation augmente considérablement d'une impulsion d'accumulation à l'autre.Les circuits RC connectés au point d'interconnexion de l'inductance d'accumulation et de l'étage commutateur pour recevoir le courant au moment ob se déconnecte l'étage commutateur n'ont pas eu le temps de se recharger pendant un temps bref d'accumulation. Donc l'étage commutateur doit recevoir le courant de déconnexion jusqu'à l'apparition de la tension inverse maximale, ce qui lui applique une charge extrêmement importante. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent : - la figure I, le diagramme général d'un circuit d'alimentation à découpage classique de type série - la figure 2, le diagramme général d'un circuit d'alimentation à découpage classique de type parallèle - la figure 3, le schéma de principe du circuit de l'invention ; - la figure 4, une variante du circuit de la figure 3. Afin de pouvoir reconnaître plus distinctement les différences existant entre le circuit de la présente invention et les circuits classiques, on va tout d'abord expliquer le fonctionnement de ces derniers en se reportant aux figures 1 et 2. Le circuit d'alimentation à découpage commandé par des impulsions de relaxation et à montage série représenté par la figure 1 est constitué par un étage de commutation 1, une diode indépendante 2, une inductance d'accumulation 3, un condensateur de charge 4, un transformateur de commande 5, un étage pilote 6, un modulateur de largeur d'impulsions 7, le générateur de tension nominale fonctionnant à l'aide de la résistance de limitation de courant 8 et de la diode Zéner 9 en série. On applique aux bornes A et B une tension continue d'entrée qui, de manière bien connue, doit être plus élevée que la tension continue apparaissant aux bornes de sortie, C et D par exemple. La charge est représentée par la résistance équivalente 10. L'étage commutateur 1 et I'inductance d'accumulation 3 sont connectés en série entre la borne d'entrée A et la borne de sortie C. fl est possible à l'aide du transformateur 5 de compenser la différence de potentiel existant entre l'étage commutateur 1 et le circuit de commande constitué par l'étage pilote 6 et le modulateur de largeur d'impulsions 7. Depuis ce dernier, une tension rectangulaire est transmise à l'étage de commutation i par l'intermédiaire de l'étage pilote 6 et du transformateur de commande 5, afin de faire passer l'étage commutateur 1 cyclîquement à l'état conducteur et à l'état non conducteur. Pendant tout le temps que dure l'état conducteur, un courant d'accumulation régulièrement croissant traverse l'inductance 3 pour venir dans le condensateurde charge 4. Dès que l'étage commutateur 1 est amené à l'état non conducteur, un courant régulièrsment décroissant à partir de la valeur finale atteinte par le courant d'accumulation circule dans le meme sens que ce dernier, à travers la diode indépendante 2. Le nouveau cycle d'accumulation repart donc à la valeur finale du courant de décharge de l'inductance. Par conséquent, au cours du temps, c'est un courant triangulaire (en delta) qui est reçu dans le condensateur de charge 4. La tension continue apparaissant sur la borne de sortie C est fonction du rapport temps de conduction/temps de non-conduction de l'étage commutateur 1. Un temps de conduction plus long entraîne une tension de sortie plus élevée et un temps de conduction plus bref, une tension de sortie plus faible. Cependant, pour obtenir un courant de plus forte intensité dans la charge 10, avec les composants idéaux 1, 2 et 3, il n'est nécessaire de prévoir aucune variation de temps déterminante pour le c-hangement d'état de l'étage de commutation 1. Naturellement, l'adaptation d'un courant de sortie plus élevé s'effectue dans le cas d'un temps de déclenchement constant uniquement sur un nombre important de cycles d'accumulation et de décharge. L'angle de montée et de chute du courant pendant le temps d'accumulation et de décharge de l'inductance est proportionnel à la tension correspondante appliquée, et un courant de charge plus important ne provoque qu'une légère différence de tension entre le temps d'accumulation et le temps de décharge au niveau de l'inductance, l'état d'équilibre entre la valeur finale du courant de décharge et la valeur initiale du courant d'accumulation n'étant atteint qu'après un grand nombre de petits bonds. Dans le cas d'un rapport d'impulsions constant, la tension de sortie varie proportionnellement à la tension d'entrée. Pour obtenir une tension de sortie constante, la tension nominale, obtenue au moyen de la combinaison de la diode Zener 9 et de la résistance de limitation de courant 8 en série, est comparée avec la tension de sortie dans le modulateur de largeur d'impulsions 7. Si la tension réelle s'avère plus faible que la tension nominale, des impulsions plus larges déterminant un temps de conduction plus long sont envoyées à l'étage commutateur 1, tandis que dans le cas d'une valeur plus élevée de la tension réelle, on envoie à ce dernier des impulsions moins larges fournissant un temps de conduction plus court. La figure 2 représente le diagramme général d'un circuit d'alimentation à découpage commandé par oscillations de relaxation, et à montage parallèle. Les éléments constitutifs ayant la même fonction que sur le diagramme de la figure 1 sont désignés par les mêmes références numériques et alphabétiques. La différence essentielle existant dans le circuit de la figure 2 par rapport à celui de la figure 1 réside dans le montage de l'inductance d'accumulation 3, de l'étage commutateur 1 et du générateur de tension de sortie comprenant l'enroulement 11 et la diode 12. Tout comme dans la figure 1, l'inductance d'accumulation 3 et l'étage commutateur 1 sont tous deux connectés en série, mais cette fois en parallèle sur les bornes d'entrée A et B.Le courant de sortie ne parvient sur le condensateur de charge 4 et la borne de tension de sortie C, par l'intermédiaire de l'enroulement supplémentaire 11 et de la diode 12, que pendant le temps que l'étage commutateur 1 se trouve à l'état non conducteur. Le courant d'accumulation présent dans l'enroulement de l'inductance d'accumulation 3 et le courant de décharge présent dans l'enroulement 11 sont soumis à la loi de transformation du courant électrique. I1 est possible de déterminer la génération d'autres tensions à l'aide d'enroulements, de diodes et de condensateurs de charge supplémentaires. Sur la figure 2, ceci est indiqué par l'enroulement 13, la diode 14 et le condensateur de charge 15. Le circuit de la présente invention est représenté par la figure 3. Entre la borne C servant de borne de tension de sortie et l'entrée de la valeur réelle dans le modulateur de largeur d'impulsions 7 sont disposés des composants 16 à 18 une diode 16, un condensateur 17 et une résistance 18. La résistance 18 peut également être constituée par la résistance d'entrée du modulateur de largeur d'impulsions 7. On applique au condensateur 17 la tension positive montante présente sur la borne de sortie C, par l'intermédiaire de la diode conductrice 16. Dès que la tension présente sur la borne de sortie C tombe pendant la durée de plusieurs périodes de commutation, la diode 16 passe à l'état non conducteur, du fait que la constante de temps du circuit RC constitué par la combinaison de la résistance 18 et du condensateur 17 a été choisie sensiblement supérieure à la durée d'une période de commutation. Ce mode de fonctionnement détermine une régulation non retardée de la largeur des impulsions dans le cas d'une élévation de la tension au niveau de la borne de sortie C, et une régulation retardée de la largeur des impulsions dans le cas d'une chute de tension brusque. Par conséquent, dans le cas d'une tension de sortie relâchée, une montée en tension au-delà de la valeur nominale est rendue impossible. Cependant, toute surcharge brusque entraîne une chute de tension. Dans l'éventualité probable de surcharges de courant de durée plus importantes côté charge, il est possible de prévoir de manière classique un fusible électronique fonctionnant sur le principe d'un blocage de l'étage commutateur pendant un grand nombre de périodes, ou bien encore une régulation directionnelle du courant par réduction du temps d'accumulation dans le circuit d'alimentation du type décrit. I1 est également possible d'utiliser à la place de la diode 16 toute autre diode, ou bien une résistance non linéaire. La figure 4 représente une variante du circuit de l'invention utilisant un étage à transistor. Dans ce circuit, le transistor 19 fonctionne en configuration de collecteur à la terre. A la base est appliquée la tension de sortie sur la borne C, à travers le diviseur de tension 20,21. Le condensateur de retard 17 est cqnnecté à l'émetteur du transistor 19. Une tension montante sur la base détermine un débit de courant depuis le collecteur vers l'émetteur et de là vers le condensateur 17. Une tension- de base chutant rapidement bloque le'transistor. La décharge du condensateur s'effectue par l'intermédiaire de la résistance de décharge 18. Dans ce cas également la résistance d'entrée du modulateur de largeur d'impulsions 7 peut remplacer la résistance de décharge 18. I1 est bien évident que la description qui précède n' a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit d'alimentation à découpage du type à régulateur de tension commandé par des impulsions modulées, comprenant une inductance d'accumulation et un étage commutateur connectés en série et dont les bornes extérieures sont connectées soit en parallèle sur la tension d'entrée, soit en série entre la tension d'entrée et la tension de sortie, des moyens de commutation délivrant la tension de sortie et constitués par un enroulement supplémentaire de l'inductance d'accumulation ou bien par l'inductance elle-même, et par une diode et un condensateur de charge ; ainsi qu'un modulateur de largeur d'impulsions permettant de convertir les différences de tension de sortie du circuit d'alimentation par rapport à une tension nominale donnée en différences de temps de conduction de l'étage commutateur, des tensions de sortie décroissantes déterminant des temps de conduction plus longs, et des tensions de sortie croissantes déterminant des temps de conduction plus courts, caractérisé par le fait que des moyens de commutation sont introduits sur le circuit interconnectant la borne de tension de sortie et le modulateur de largeur d'impulsions afin de transmettre sans délai les tensions de sortie croissantes et de transmettre avec délai les tensions de sortie décroissantes. 2. Circuit d'alimentation tel que celui de la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens de commutation introduits entre la borne de tension de sortie et le modulateur de largeur d'impulsions comprennent une diode, un condensateur et une résistance, ledit condensateur et ladite résistance étant tous deux connectés à la borne de la diode qui est située à l'opposé de la borne de tension de sortie et ladite diode étant polarisée de façon à etre rendue conductrice dans le cas d'une augmentation de la tension de sortie. 3. Circuit d'alimentation tel que décrit dans les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait d'utiliser une diode Zener à la place de la diode utilisée dans la révendication 2. 4. Circuit d'alimentation tel que celui décrit dans les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait d'utiliser une résistance non linéaire au lieu de la diode utilisée dans le circuit de la revendication 2. 5. Circuit d'alimentation tel que décrit dans la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de commutation introduits entre la borne de tension de sortie et le modulateur de largeur d'impulsions comprennent un transistor en configuration de collecteur à la terre, un condensateur de retard et une résistance, la tension de la borne de sortie, ou bien des fractions de cette tension, étant connectées à la base dudit transistor, tandis que le condensateur de retard, la résistance et le modulateur de largeur d'impulsions sont connectés à son émetteur, ledit transistor étant commuté dans son état passant dans ie cas d'une tension de sortie montante. 6. Circuit d'alimentation tel que décrit dans l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ledit transistor est monté en configuration d'émetteur à la terre, la tension de la borne de sortie ou bien des fractions de cette tension étant connectées à la base dudit transistor, et le condensateur de retard, la résistance ainsi que le modulateur de largeur d'impulsions étant connectes au collecteur dudit transistor, ce dernier étant-commuté dans son état passant dans le cas d'une tension de sortie montante.