Brevet FR2417212A1 — publié le 19790907

La présente invention est relative au; convertisseurs de ension ou onduleurs destinés à la transformation d'une tension continue en une tension alternative de forme sinusoïdale De tels convertisseurs sont utilisés par exemple en tant que groupe d'alimentation auxiliaire destiné à supplanter le secteur en cas de défaillance de celui-ci, la source d'énergie étant constituée par une batterie d'accumulateurs. Un convertisseur de ce type déjà connu comporte un transformateur dont le primaire est monté en série avec des éléments de commutation à semiconducteurs et avec une source de tension continue et dont le secondaire est raccordé àune charge à alimenter, les éléments de commutation étant commandés par un montage comportant un premier générateur engendrant un signal de consigne ayant la forme et la fréquence de la tension à obtenir au secondaire du transformateur, un second générateur engendrant un signal pilote à haute fréquence et une boucle de réglage capable d'appliquer aux bornes de commande des éléments de commutation des impulsions dont la fréquence est égale à celle du signal pilote à haute fréquence et dont le rapport cyclioue varie en fonction de l'écart existant entre la forme du signal d sortie du premier générateur et celle de la tension au secondaire du transformateur L'inconvénient d'un tel convertisseur réside dans le fait que lorsque la tension de sortie présente des variations très rapides c'est-à-dire plus rapides que la fréquence propre du signal pilote, la boucle de réglage provoque la commande des éléments de commutation à un rythme plus rapide qu'imposé par le signal pilote ce qui conduit à un rendement plus faible de l'ensemble du convertisseur, étant entendu qu'il est toujours souhaitable de réduire le nombre de commutation à un niveau aussi faible que possible. Il est à noter à cet égard que la fréquence du signal pilote est choisi en général aussi faible que possible, mais que pour des raisons d'acoustique elle ne doit pas être inférieure à 20 kHz ce qui est une valeur imposée notamment par les Services de Télécommunications qui utilisent fréquemrnent ce genre de convertisseurs pour l'alimentation des centraux téléphoniques. L'inventicn a pour but de fournir un convertisseur dépourvu de cet inconvénient. Elle a donc pour objet un convertisseur d type défini ci-dessus, caractérisé en ce que ladite boucle de réglage comprend un premier circuit de comparaison destiné à engendrer un signal d'erreur représentant ledit écart1 un second circuit de comparaison destiné à engendrer un signal pulsé dont les transitions sont déterminées par les instants d'égalité entre ledit signal d'erreur et ledit signal pilote, et un circuit de mémorisation raccordé àla sortie du second comparateur pour ne transmettre pendant chaque demi-période du signal pilote que la première transition du signal issu du second comparateur. Grâce à ces caractéristiques, les éléments de commutation du convertisseur sont toujours commandés au rythme du signal pilote, meme si le signal d'erreur comporte des variations très rapides provoquant une égalité entre l-e signal d'erreur et le signal pilote à plusieurs instants au cours des demi-périodes de ce dernier. Suivant une autre caractéristique de l'invention, ladite boucle de réglage comporte en outre un circuit pour engendrer un signal représentant le courant circulant dans chaque élément de commutation du convertisseur, un circuit pour comparer ce signal à un signal de référence de courant et un circuit de blocage pour interdire la transmission du signal de sortie dudit circuit de mémoire auxdits éléments de commutation, lorsque le courant dans ceux-ci dépasse une valeur prédéterminée. Cette caractéristique permet d'obtenir d'une façon simple, une limitation de courant en amont du transformateur d'où résulte une protection efficace du convertisseur contre les surcharges. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - les Fig. 1A et lB.représentent un schéma simplifié d'un convertisseur suivant l'invention, et' - la Fig. 2 montre un diagramme dont les courbes représentent les signaux de sortie de plusieurs circuits dH convertisseur. L'onduleur ou convertisseur représenté sur la Fig. I à titre d'exemple de réalisation de l'invention, est destiné à former, à partir d'une tension continue de 48 v par exemple fourni par une batterie 1, une tension sinusoidale à une charge 2,cette tension ayant par exemple une valeur de 220 V et une fréquence de 50 Hz Le convertisseur comporte un transformateur 3 ayant un circuit magnétique 4, quatre enroulements primaires 5a à 5d, un enroulement secondaire 6 et un enroulement de mesure 7. La batterie 1 est connectée à un circuit de filtrage 8 comportant une self 9 de filtrage des hautes fréquences et une self 10 de filtrage des basses fréquences ainsi que trois condensateurs 11, 12 et 13. Sur les bornes de sortie 14 et 15 du circuit de filtrage 8 sont connectés en parallèle quatre circuits série comportant chacun l'un des primaires 5a à 5d du transformateur 3, un élément de commutation à semi-conducteurs 14a à 14d, en l'occurence un transistor de puissance, une résistance 15a à 15d de mesure de courant et un enroulement 16a à 16d formant respectivement partie de deux bobines dites d'André utilisées habituellement dans ce genre de montages et associées respectivement aux paires de primaires correspondantes 5a, 5b et 5c, 5d du transformateur 3. L'enroulement secondaire 6 de ce dernier est connecté en parallèle à la charge 2 et à un condensateur de filtrage 17. Le convertisseur comporte également un générateur 18 d'un signal de référence sinusoidal de meme forme que celle du courant à obtenir dans la charge 2 et apparaissant sur la borne 19 ainsi qu'un générateur 20 de signaux à haute fréquence fournissan d'une part sur la borne 21 un signal triangulaire (courbe B, Fig. 2) et vautre part, sur la borne 22 un signal d'impulsions carrées {courbe A, Fig.2). Dans l'exemple décrit la fréquence du signal fourni par le générateur 10 est de 50Hz tandis que celle des signaux du générateur 20 est de 20 BIz. La borne de sortie 19 du générateur 18 est connectée à une première entrée 23 d'un comparateur 24 dont l'autre entrée 25 est reliée par des conducteurs 26 et 27 à l'enroulement de mesure 7 du transformateur 3. Le comparateur comporte un amplificateur opérationnel 28dont la sortie fournit un signal d'erreur sur la borne 29 ayant par exemple la forme de la courbe Cde la Fig. 2. La borne 29 constitue l'une des entrées d'un second comparateur 30 dont l'autre entre 31 est reliée à la borne de sortie 21 du générateur 20. Ce comparateur comporte un amplificateur opérationnel 31 fournissant sur sa sortie 33 un signal d'impulsions de la forme de la courbe D de la Fig. 2, ce signal étant appliqué à un circuit de mémorisation 34. Ce dernier comprend une bascule de type R-S 35 dont une première entrée 36 est reliée à la sortie d'une porte OU 37. L'une 38 des entrées de cette dernière est reliée à la sortie 22 du générateur à haute fréquence 20, tandis que son autre entrée 39 est connectée par l'intermédiaire d'un inverseur 40 à la sortie 33 du comparateur 30. La seconde entrée 41 de la bascule 35 est reliée à la sortie d'une porte OU 42 dont une entrée 43 est reliée à cette même sortie du comparateur 30, tandis que son autre entrée 44 est connectée par l'intermédiai- re d'un inverseur 44 à la sortie 22 du générateur 20. Le circuit de mémorisation 34 comporte deux sorties 46 et 47 qui sont respectivement raccordées à des entrées 48 et 49 de deux portes NON-ET 50 et 51 dont les sorties sont reliées à des circuits de commande respectifs 52 et 53 des éléments de commutation 14a à 14d. Un circuit 54 de limitation de courant comprend un diviseur de tension 55 dont un point de jonction est connecté à une première entrée d'un amplificateur opérationnel 56 dont l'autre entrée est reliée au point de jonction d'un groupe de résistances 57a à 57d connectées respectivement aux résistances d'émetteur des éléments de commutation 14a à 14d, et d'une résistance série 58. La sortie de l'amplificateur 56 est reliée à un circuit de temporisation 59 dont la sortie est appliquée en parallèle aux entrées 60 et 61 des portes NON-ET 48 et 49. Le montage comprend également un circuit d'équilibrage 62 destiné à surveiller les amplitudes des deux alternances des courants circulant dans les primaires respectifs 5a, 5b et 5c,5d du transformateur 3. En d'autres termes, ce circuit surveille la symétrie du courant de part et d'autre de sa valeur nulle. Le circuit d'équilibrage comporte deux réseaux de résistances 63 et 64 auxquels sont raccordés respectivement les résistances d'émetteur 15c et 15d des éléments de commutation 14a et 14b. Les deux réseaux sont respectivement connectés aux entrées 65et 66 d'un amplificateur différentiel 67 dont la sortie est reliée, par l'intermédiaire d'un circuit de filtrage 68 à une entrée de "centrage" 69 du générateur à basse fréquence 18; Le fonctionnement de ce montage est le suivant. L'image des tensions aux bornes des primaires 5a à 5d du transformateur 3 est mesuréé par l'enroulement de mesure 7 qui l'envoie dans le premier comparateur 24 où elle est compa rée au signal de consigne fourni par le aérateur à basse fréquence 18. I1 en résulte un signa' d'erreur ayant par exemple la forme de la courbe C de la Fig.2. On voit que ce signal d'erreur est affecté de variations très rapides c'est-à-dire supérieures à la fréquence du signal pilote fourni par le générateur à haute fréquence 20. Le signal d'erreur de la courbe C est comparé à son tour dans le deuxième comparateur 30 au signal pilote fourni par le générateur 20 et ayant la forme de la courbe B de la Fig.2. Comme le montrentles courbes B et C le signal d'erreur provoque, pendant plusieurs périodes du signal pilote, plus d'une transition du signal de sortie du comparateur 30 ce qui se passe, chaque fois que le signal d'erreur présente de telles variations rapides. Si le signal de sortie du comparateur 30 était appliqué, après amplification, mais sans autre traitement aux éléments de commutation 14a à 14d il en résulterait plusieurs commutations pendant les montées ou les descentes du signal pilote triangulaire. Ainsi, le signal de commande commanderait les éléments de commutation 14a à 14d de façon à provoquer la production de tensions aux primaires 5a à 5d du transformateur 3 à une frquence qui serait p:1Us h fréquence qui serait plus élevée que celle pour laquelle le mon- tage est prévu. Ces commutations inutiles provoqueraient des pertes supplémentaires ce qui nécessiterait un surdimensionnement des éléments de commutation et entraînerait une baisse du rendement du montage.Or, grâce à la présence du circuit de mémorisation 34, seule la première transition dechaque demipériode du signal de sortie dn comparateur 30 est transmise aux éléments de commutation, toutes.les autres transitions d'une même alternance étant bloqués. La bascule R-S 35 du circuit de mémorisation 34 ne change d'état que lorsqu'un signal de niveau bas est appliqué soit à son entrée 36, soit à son entrée 41. Lorsque la première égalité entre le signal d'erreur (courbe C) et le signal pilote (courbe B) se présente et que par ailleurs, le signal carré de la courbe A est au niveau haut, un signal de niveau bastes appliqué à l'entrée 36 de la bascule 9 dont l'état change; cependant elle conserve ce état tant qu'un signal de niveau bas n'est pas appliqué à l'entrée 41.Ceci ne peut se plro--uire que pendant l'alternance suivante du signal pilote c'est-à-dire lorsque le complément du signal de sortie du comparateur 30 apparait simultanément à un niveau bas du signal carré (courbe A) aux deux entrées 38 et 43 du circuit de mémorisation. La bascule 35 est alors verrouillée dans son second état jusqu'à ce que pendant une nouvelle alternance une première égalité se produise entre le signal d'erreur et le signal pilote. Le signal de sortie du montage est donc celui représenté sur la courbe E, ce signal apparaissant, par exemple sur la sortie 46 et son complément sur la sortie 47. Ce signal de sortie présente une largeur d'impulsion variable en fonction des variations du signal d'erreur.La transmission du signal de sortie des bornes 46 et 47 du circuit de mémorisation aux éléments de commutation 14a- à 14d peut être bloquée par les portes 50 et 51 dont les entrées res pectives 49 et 60 sont commandes par le signal de sortie du circuit de limitation de courant 54. Ce dernier reçoit l'information sur l'intensité du courant dans les primaires du transformateur 3 par l'intermédiaire des résistances 57a à 57d qui sont reliées aux points de jonction. respectifs des résistances 15a à 15d et des éléments de co:mmu tation 5a à 15d. Lorsque l'intensité du courant dépasse une valeur prédéterminée dans l'un des quatre circuits de primaire, l'amplificateur 56 bascule par comparaison avec une référence fixée par le réseau de résistances 55. En basculant l'amplificateur 56 déclenche le circuit de temporisation 59 qui applique, pendant une période prédéterminée, un signal d'interdiction aux entrées 49 et 61 des portes 50 et 51. I1 en résulte la réduction de la largeur de quelques impulsions de commande par période du courant de sortie du montage ce qui en diminue l'intensité. Cette solution particulière présente l'avantage de ne pas modifier l'amplitude du signal de réference engendrée par le générateur à basse fréquence, 18 (comme c'est le cas habituellement dans les montages classiques dans lesquels la limitation du courant est réalisée en abaissant l'amplitude de la référence) nn obtient ainsi une meilleure f;réclslon de l'amplitude de la tension de sortie de l'onduleur ainsi qu'une réduction des pertes pendant une période de limitation de courant,puisqu'on diminue la largeur des impulsions de commande donc l'énergie transmise dans le primaire du transformateur. L'information des courants circulant dans deux éléments de commutation associés 14c, 14d (c'est-à-dire assurant ensemble la formation de la totalité de la sinusoide du courant de sortie est transmise au circuit d'équilibrage 62. Ce circuit est destin à remédier aux défauts de symétrie pouvant exister de part et d'autre de la ligne de zéro du signal sinusoidal de référence (sortie 19) ou pouvant être provoqué par une disparité des caractéristiques des éléments de commutation associés. En d'autres termes, ce circuit assure "le centrage" du signal et fait en sorte que les alternances positives soient de forme identique à celle des alternances négatives. Un tel équilibrage est souhaitable pour éviter la saturation dans un sens positif ou négatif du transformateur 3 ainsi qu'une augmentation du courant qui pourrait en résulter. Lorsqu'une différence se manifeste dans les courants circulant dans les éléments de commutation 14c et 14d, l'amplificateur 67 réagit et un signal après filtrage dans l'amplificateur 68 est applique à l'entrée de réglage 69 du générateur à basse fréquence 18 qui modifie la ligne de zéro du signal sinusoidal de référence de telle manière-que cette diffèrence soit supprimée. Le montage permet de réduire les pertes également par le fait que deux ci cuits parrallèles sont utilisés au niveau des primaires du transformateur 3 et des éléments de commutation Ainsi, on peut utiliser au mieux les composants disponibles et éviter la nécessité de bobiner sur le transformateur 3 des fils de grosse section qui augmenteraient les pertes du fait que ces fils sont parcourus par des courants à haute fréquence, or plus le fil est gros et plus l'effet de peau dans les fils se fait sentir. REVENDICATIONS 1 - Convertisseur de tension ou ondul.eur pour convertir une tension continue en un courant de forme sinusoidale Comportant un transformateur dont le primaire est monté en série avec des eléments de commutation à semi-conducteurs et avec une source de tension continue et dont le secondaire est raccordé à une charge à alimenter, les éléments de commutation étant commandés par un montage comportant un premier générateur engendrant un signal de consigne ayant la forme et la fréquence de la tension à obtenir àu secondaire du transformateur, un second générateur engendrant un signal pilote à haute fréquence et une boucle de réglage capable d'appliquer aux bornes de commande des éléments de commutation des impulsions dont la fréquence est é gale a celle du signal pilote à haute fréquence et dont le rapport cyclique varie en fonction-de l'écart existant entre la forme du signal de sortie du premier générateur et celle de la tension au secondaire du transformateur, ce convertisseur étant caractérisé en ce que ladite boucle de réglage comprend un premier circuit de comparaison (24) destiné à engendrer un signal d'erreur (C) représentant ledit écart, un second circuit de comparaison (30) destiné à engendrer un signal pulsé (D) dont les transitions sont déterminées par les instants d'égalité entre ledit signal d'erreur (C) et ledit signal pilote (B), et un circuit de mémorisation (34) raccordé à la sortie du second comparateur (30) pour ne transmettre pendant chaque demi-période du signal pilote (B) que la première transition du signal (D) issu du second comparateur (30). 2 - Convertisseur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que ledit circuit de mémorisation (34) comprend une bascule bistable (35) qui est vérouillée dans un état déterminé pendant chaque demi-alternance dudit signal pilote (B) et amené dans cet état à l'instant auquel une première légalité entre ce signal pilote (B) et ledit signal d'erreur (C) est constatée, par ledit second comparateur (30) pendant cette alternance considérée. 3 - Convertisseur suivant la revendication 2 caractérisé en en ce que ledit si- 1 pilote (B) est de forme triangulaire et en ce que ledit générateur à haute fréquence (20) fournit en outre un signal de commande de forme carre (A) de même fréquence que le signal pilote (B) et appliqué à entrée dudit circuit de mémorisation (34). 4 - Convertisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de limitation de courant (54) auquel est appliqué une information relative aux courants circulant dans chacun des dits élements de commutation (14a à 14d) et qui comprend un circuit de comparaison (55, 56, 58) pour comparer cette information à une valeur de référence ainsi qu'un circuit de temporisation (59) déclenché par ce circuit de comparaison (55 ,56, 58) et raccordé à la soxtie:dudit circuit de mémorisation pour bloquer la transmisson du signal de commande aux éléments de commutation (14a à 14d) pendant un temps prédéterminé après le dépassement de l'intensité du courant dans l'un quelconque des éléments de commutation (14a à 14d). 5 - Convertisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit d'équilibrage t62) dont l'entrée reçoit tne information relative aux courants circulant dans une paire d'éléments de commutation (14c, 14d) affectés respectivement à une alternance positive et à une alternance négative du courant circulant dans les primaires (5c, 5d) dudit transformateur (3), et qui comprend un circuit differentiel (63, 67) suivi d'un circuit de filtrage (68) dont la sortie est raccordée à une entrée de régulation (69) dudit générateur à basse fréquence (18) pour modifier la position de la ligne de zéro du signal de référence engendrée par ce générateur (18) en fonction de la différence constatée des courants circulants dans les éléments de commutation (14c, 14d) considérés. 6 - Convertisseur suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux circuits de puissance en parallèle comportant chacun deux éléments de commutation (14 a 4b et ldc, 14d) et deux primaires respectifs (5a, 5D et c, 5d) dudit transformateur (3).