Brevet FR2463535A1 — publié le 19810220

La présente invention concerne un onduleur à faibles pertes destiné principalement à des applications de faible puissance. Dans le cadre du développement désormais inéluctable de l'utilisation de l'énergie solaire, il présente un intérêt tout particulier, puisqu'il constitue dans ce cas un convertisseur à la fois souple et efficace entre ltéquipement de génération d'énergie (capteurs photovoltaiques et éléments de stockage de tension continue) et les nombreux appareils à usage domestique conçus pour une alimentation par courant alternatif et dont il permet l'utilisation sans aucune modification. A ce jour il existe d'assez nombreuses versions de dispositifs de conversion courant continu/courant alternatif, mais caractérisées pour la plupart par des pertes notables (à vide surtout) et un rendement médiocre. Dans le domaine assez voisin des convertisseurs de tension continue, on peut également citer des dispositifs dont la structure s'apparente à celle de l'ondu- leur selon l'invention, et notamment le convertisseur de tension continue décrit dans le brevet français NO 1 287 239 déposé par la société N.V. PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN ; mais là, ni la forme, ni la fréquence du signal alternatif intermédiaire ne sont commandées comme le permet l'onduleur selon la présente invention. Le but de l'invention est de proposer un onduleur dans lequel une utilisation plus rationnelle de l'énergie permet d'obtenir un dispositif dont le rendement est élevé à sa puissance nominale et dont les pertes à vide sont faibles. L'invention concerne à cet effet un onduleur monophasé destiné notamment à des applications de faible puissance, comprenant une structure symétrique composée de deux commutateurs de puissance à conduction non simultanée, à deux électrodes principales et une électrode de commande, et d'un transformateur de sortie avant un enroulement primaire constitué par deux parties dont chacune est insérée dans le circuit des deux électrodes principales de l'un des commutateurs de puissance et un enroulement secondaire de sortie, caractérisé en ce que cet enroulement secondaire est en série avec l'électrode de commande des commutateurs de puissance et avec le circuit d'utilisation de l'onduleur de façon que le courant de commande des commutateurs soit le courant traversant ce circuit d'utilisation, et en ce que l'onduleur comprend deux commutateurs supplémentaires, à deux électrodes principales et une électrode de commande, dont le circuit des deux électrodes principales est aussi en série avec l'électrode de commande du commutateur de puissance correspondant et avec l'enroulement secondaire de sortie, ces commutateurs supplémentaires étant destinés à commander à tour de rôle la conduction du commutateur de puissance correspondant selon une séquence de commutation définie par un circuit de commande pour obtenir une tension de sortie à trois paliers sur l'excursion d'amplitude complète de cette tension, des diodes auxiliaires étant prévues pour assurer le retour du courant de commande des commutateurs de puissance, et des résistances étant placées en série respectivement avec ces diodes pour assurer le démarrage de la conversion courant continu/courant alternatif.Elle concerne également tout onduleur polyphasé associant plusieurs onduleurs monophasés de ce type : les commutateurs utilisés sont de préférence des transistors. L'onduleur correspondant à de telles caractéristiques permet de générer une tension alternative à forme d'onde carrée si la séquence de commutation est prévue pour que la durée de nonconduction (correspondant à une valeur de tension de sortie nulle) séparant la durée de conduction d'un des commutateurs de puissance de la durée de conduction de l'autre soit très faible ; si au contraire la durée de non-conduction (correspondant toujours au palier de tension de sortie nulle) est voisine de 600 grâce à un choix approprié de la séquence de commutation, on obtient la suppression ou une atténuation très sensible de l'harmonique de rang 3 dans la tension alternative de sortie. On sait en effet que la présence de cette harmonique dans un signal de forme carrée peut être problématique lorsque le circuit d'utilisation est par exemple un moteur (échauffement, vibrations, résonance).Enfin, en asservissant la séquence de commutation, on peut obtenir une regulation de la tension de sortie de l'onduleur, par exemple une ré- gulation de la valeur efficace de cette tension. A ces caractéristiques essentielles de l'onduleur selon l'invention s'ajoutent de nombreux autres avantages, et l'on peut remarquer notamment que - les courants de commande des commutateurs de puissance sont récupérés dans le circuit d'utilisation, ce qui stabilise a valeur du rendement même lorsque la puissance de sortie diminue - les tensions de commande n'entraînent que des pertes très faibles, puisque ces tensions de faible valeur se retranchent d'une tension de sortie beaucoup plus élevée ;; - les pertes correspondant à la tension collecteurémetteur VCE des transistors de puissance en saturation sont faibles sur une large plage de puissances, car le rapport courant collecteur/courant base étant sensiblement constant quelle que soit la puissance de sortie (et environ régal au rapport tension de sortie/tension d'entrée), les transistors de puissance peuvent être choisis de façon que cette tension VCE qui se retranche de la tension d'entrée soit faible dans ces conditions à la puissance nominale - la présence des deux commutateurs supplémentaires interdit la conduction simultanée des deux commutateurs de puissance (ce qui est souvent une cause de pertes dans le cas de signaux à forme d'onde strictement carrée) - la commande des périodes de conduction à l'aide d'un circuit indépendant agissant sur les commutateurs supplémentaires facilite l'obtention d'un signal à fréquence constante, ou au contraire la programmation ou l'asservissement de cette fréquence (dans les limites, bien entendu, des caractéristiques du trans- formateur) - lorsque le circuit d'utilisation placé en sortie de l'onduleur présente une composante inductive, l'addition d'un circuit de récupération de courants inductifs réduit sensiblement la distorsion de la tension de sortie en renvoyant dans la batterie qui constitue le circuit d'entrée de onduleur les courants inductifs parcourant alternativement l'une ou l'autre partie de l'enroulement primaire ; ce circuit comprend deux diodes reliées respectivement à chacune des parties de l'enroulement primaire et un commutateur auxiliaire rendu passant pendant les périodes de non-conduction simultanée des deux commutateurs de puissance. Les particularités et avantages de la présente invention apparaîtront également dans la description détaillée qui suit, ainsi que sur les figures annexées à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquelles - la figure 1 montre un mode de réalisation de l'ondu- leur selon l'invention - la figure 2-sUt une représentation des signaux présents aux points A, B, C, D de la figure 1 - la figure 3 représente une variante de réalisation des commutateurs de puissance présents dans le mode de réalisation de la figure i - la figure 4 représente des circuits annexes améliorant le fonctionnement du mode de réalisation de la figure 1 : la partie supérieure de cette figure représente un circuit de récupération des courants inductifs, la partie inférieure de cette même figure représente un circuit de limitation du courant de sortie de l'onduleur, et la partie en pointillés insérée entre ces parties supérieure et inférieure est un rappel de la figure l, destiné à illustrer le branchement des deux circuits annexes sur le mode de réalisation représenté sur cette figure 1 ; et - la figure 5 est la représentation d'un circuit annexe qui permet d'asservir les périodes de conduction des commutateurs de puissance de façon à rendre la valeur efficace de la tension de sortie de l'onduleur peu sensible aux variations de la tension d'entrée et aux variations de la charge à la sortie. Une convention de langage a été adoptée dans la présente description ainsi que dans les revendications, qui est la suivante - l'expression commutateurs de puissance désigne les composants 1 et 2, ou la et 2a - l'expression commutateurs supplémentaires" désigne les compo sants 8 et 9 - l'expression "commutateur auxiliaire" désigne le composant 14 - ltexpression "commutateur intermédiaire" désigne le composant 18 - l'expression "commutateun associé' désigne les composants lb et 2b. L'onduleur représenté sur la figure 1 comprend une paire de commutateurs de puissance 1 et 2 (ici des transistors de puissance) conducteurs à tour de roule (l'expression à tour de rouez est simplement destinée à exprimer le fait que les commu tateurs 1 et 2 ne conduisent jamais simultanément et n'exclut pas, bien entendu, la possibilité que ces commutateurs soient l'un et l'autre non-conducteurs simultanément), un transformateur de sortie ont l'enroulement primaire comprend deux parties 3 et 4 inserées chacune dans le circuit collecteur-émetteur de l'un des commutateurs 1 et 2 respectivement et dont l'enroulement secon daine de sortie 5 est en série avec un circuit d'utilisation 6 (sur la figure 1, on peut de façon équivalente remplacer le mon taure en série de l'enroulement 5 et du circuit 6 par un montage symétrique comprenant successivement et en série une première partie 5a d'enroulement secondaire, le circuit d'utilisation 6 et une deuxième partie 5b d'enroulement secondaire), et un circuit électronique de commande 7 destiné à fixer la séquence de commutation des commutateurs de puissance 1 et 2 à l'aide de deux commutateurs supplémentaires 8 et 9 (également des transistors dans l'exemple ici décrit). Les circuits émetteur-collecteur des commutateurs supplémentaires 8 et 9 sont respectivement en série avec la base du commutateur de puissance correspondant 1 ou 2, ainsi qu'avec l'enroulement secondaire 5 et le circuit d'utilisation 6, des diodes auxiliaires 10 et 11 étant prévues pour asgu- rer le retour du courant de commande des commutateurs de puissance 1 et 2, de même que des résistances 12 et 13 étant prévues pour assurer le démarrage de la conversion courant continu/courant alternatif. Le circuit de commande 7 génère un signal de fréquence 100 hertz, à partir duquel on obtient, après division de la fréquence par deux, deux signaux A et B identiques (à la fréquence 50 hertz) mais déphasés de 1800 (voir la figure 2) qui sont envoyés chacun vers un des commutateurs supplémentaires 8 et 9 pour commander alternativement la conduction du commutateur 1 ou du commutateur 2. La durée de non-conduction séparant les deux durées de conduction alternative ainsi définies peut être fixée à une valeur nulle, ou pratiquement négligeable, si l'on veut disposer en sortie de l'onduleur d'un signal à forme d'onde carrée pour lequel le rendement est excellent.Dans l'exemple ici décrit, on a choisi de fixer cette durée de non-conduction à une valeur de 600 (voir la figure 2, lignes C et D) afin d'assurer une suppression quasi-totale de l'harmonique de rang 3 et de rendre aussi faible que possible la distorsion en sortie de l'onduleur (avec un signal à forme d'onde carrée pour lequel la durée de nonconduction entre les deux durées de conduction est pratiquement nulle, cette harmonique de rang 3 a une amplitude voisine du tiers de celle du signal à la fréquence fondamentale, alors que les harmoniques de rang impair supérieur, également présentes, ont une amplitude nettement plus faible et ne sont pas nuisibles au bon fonctionnement d'équipements tels que les moteurs).On peut également, dans une variante de réalisation du circuit de commande 7, prévoir un asservissement de la séquence de commutation (modulation de la durée de conduction) afin d'obtenir par exemple une régulation de la valeur efficace de la tension de sortie de l'onduleur et ceci par des moyens connus ; en effet, à l'aide par exemple d'un circuit intégré (tel que le AD 536 AJH fabriqué à ce jour par la société Analog Devices) convertissant la valeur efficace d'un signal alternatif en un signal continu, on peut moduler la durée des impulsions A et B qui font conduire alternativement les paires de commutateurs (8,1) et (9,2) : diminution des durées des périodes de conduction de (8,1) et de (9,2) quand il y a augmentation de la valeur efficace de la tension de sortie, et ré- ciproquement. Cet onduleur1 qui se prête tout particulièrement à la fourniture d'une alimentation électrique alternative à partir d'un dispositif de capture de l'énergie solaire délivrant une tension continue E présente entre les pôles d'entrée U+ et U-, vise donc essentiellement les applications où la tension d'entrée est relativement faible (par exemple 6, 12 ou 24 volts) et correspond à un nombre limité de modules photovoltaiques associés à une batte rie-tampon, mais où les petites stations d'alimentation ainsi constituées suffisent pour satisfaire l'utilisateur dans l'activité qu'il envisage (activité artisanale, pompage d'eau, éclairage par tubes fluorescents, commande d'engins tels que scies ou perceuses etc...). Le rapport de transformation du transformateur de l'on- duleur est de préférence compris entre 7 et 30 environ. Afin d'atteindre un bon rendement de l'onduleur pour des tensions d'entrée aussi faibles que celles citées ci-dessus, il était souhaitable que les commutateurs de puissance aient une faible tension de déchet à la conduction. La solution originale conforme à l'invention, à savoir la mise en place des commutateur supplémentaires (les transistors 8 et 9) permettant d'interrompre périodiquement, et de façon alternative pour constituer un oscillateur, le passage du courant de sortie de l'onduleur à travers les jonctions base-émetteur des commutateurs de puissance (les transistors 1 et 2), le tout sous la gestion d'un circuit de commande 7 pouvant être réalisé avantageusement en CMOS, peut être concrétisée par l'exemple de réalisation suivant - tension de la batterie (tension d'entrée) : 12 volts - tension de sortie : 220 volts (valeur efficace), - fréquence du signal de sortie : 50 hertz, - intervalle de conduction (sur une période complète de 3600) de l'un des commutateurs de puissance : entre 0 et 1200, - intervalle de conduction de l'autre commutateur de puissance : entre i800 et 3000, - intervalles de non-conduction simultanée des deux commutateurs de puissance : entre 1200 et 1800 et entre 3000 et 3600 (la tension d'entrée n'est donc appliquée au transformateur que pendant les deux tiers d'une période complète, ce qui correspond à une tension d'entrée efficace d'environ 9 volts si l'on tient compte de usant dont la valeur est voisine de 1 volt), - rapport d'élévation de tension du transformateur à la puissance nominale : 220 volts/9 volts = 24,4 (et donc rapport d'abaissement du courant du primaire au secondaire : 1/24,4). - commutateurs de puissance : choix de deux transistor de puissance 1 et 2 ayant atteint la saturation pour un rapport I collecteur/l base voisin de 24,4 (de cette façon, le rendement de conversion de l'onduleur est excellent à puissance nominale et quand la puissance de sortie demandée est plus faible que cette valeur nominale, le courant de base, qui est dans le cas général un facteur de pertes, diminue de manière sensiblement proportionnelle, ce qui maintient le rendement de conversion à une valeur très bonne sur une assez grande plage de puissances de sortie). L'onduleur décrit, dont on vient de préciser un mode de réalisation, conduit à un rendement voisin de 90 % et peut s'adapter aisément à une large gamme de tensions standard (par exemple tensions continues d'entrée égales à 6, 12, ou 24 volts et tensions alternatives de sortie égales à 110 ou 220 volts), et ce à des fréquences très stables (par exemple 50 ou 60 hertz) et pour des puissances de l'ordre de quelques centaines de watts de préférence. De nombreuses activités ou installations (telles que caravanes, bateaux, postes électriques d'alimentation de secours, etc...) peuvent bénéficier du haut rendement de cet onduleur, qui en outre augmente l'autonomie de fonctionnement de la batterie de stockage sur laquelle on le branche et conduit d'une façon générale à une importante économie d'énergie. Bien entendu, la présente invention ntest pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté, à partir duquel d'autres formes équivalentes de réalisation peuvent être prévues sans pour cela sortir du cadre de l'invention. On peut par exemple augmenter le gain de chaque commutateur de puissance en rempla çant le transistor 1 ou 2 par une association de deux transistors (la, lb) et (2a, 2b) branchés comme indiqué sur la figure 3, association dans laquelle le collecteur du transistor lb ou 2b associé est relié à un enroulement auxiliaire ou, plus simplement, à une fraction (quelques spires) de la partie 3 ou 4 d'enroulement primaire associée.On peut aussi, dans le cas où le circuit d'utilisation 6 est une charge présentant une composante inductive, prévoir un circuit de récupération de courants inductifs agissant exclusivement lorsqu'aucun commutateur de puissance n'est conducteur (entre 1200 et 1800 et entre 3000 et'3600 dans l'exemple donné plus haut) et que l'impédance de sortie de l'onduleur est donc élevée : ce circuit représenté sur la partie supérieure de la figure 4 et commandé par le signal D généré par le circuit 7 (voir les figures l et 2) constitue pendant ces périodes de non-conduction un trajet à faible impédance (à travers l'une des deux diodes auxiliaires 15 ou 16 et un commutateur auxiliaire 14 rendu alors conducteur), ce qui réinjecte des courants inductifs dans la batterie à laquelle est reliée l'entrée de l'onduleur. Le fonctionnement du circuit de la partie supérieure de la figure i repose sur le fait que, quand la charge est inductive, en l'absence du commutateur auxiliaire 14, au début de la période de non-conduction simultanée des paires de commutateurs (8.1) et (9,2), l'un des potentiels Fou G est égal à deux fois le potentiel de la ligne positive U de la batterie : en présence du commutateur auxiliaire 14, rendu conducteur à ce moment par le signal présent en D (qui était resté inutilisé dans la version simplifiée de la figure 1), les potentiels de F et G ne peuvent plus, cette fois, que dépasser très légèrement le potentiel U (aux chutes de tension près aux bornes des éléments conducteurs, c'est-â-dire le commutateur 14 et soit la diode 15, soit la diode 16).Ainsi, pendant toute la durée d'une période de 3600, l'im tendance de sortie de l'onduleur reste basse : pendant 1200 par la conduction dii commutateur 1, pendant 600 par la conduction du commutateur 14 et de la diode 15, pendant un autre intervalle de 1200 par la conduction du commutateur 2, et, enfin, pendant un autre intervalle de 600 par la conduction du commutateur 14 et de la diode 16. On peut enfin associer à l'onduleur d'autres circuits annexes, tels qu'un circuit de limitation de son courant de sortie, représenté sur la partie inférieure de la figure 4 (bien que la saturation du transformateur puisse déjà dans une certaine mesure effectuer cette limitation), ou un circuit de régulation de la tension de sortie, utilisant par exemple le circuit intégré AD 536 AJH fabriqué par la société Analog Devices. Le fonctionnement du circuit de limitation du courant de sortie de l'onduleur, représenté sur la partie inférieure de la figure 4, repose sur le fait que, si le courant de sortie (qui traverse aussi la résistance shunt 17) a tendance à devenir trop élevé, la tension résultante développée aux bornes de cette ré- distance 17 finit par rendre conducteur le commutateur intermé diaire 18 (un transistor NPN monté en base commune), auquel est associée une résistance 19 limitant son courant de base à une valeur tolérable , ce qui entraine une diminution de tension aux bornes du condensateur 20 : à travers les diodes 21 et 22, les points A et B sont alors ramenés à des potentiels suffisamment faibles pour empêcher les paires de commutateurs (8,1) et (9,2) d'autoriser une augmentation encore plus forte du courant de sortie de l'onduleur. La figure 5 expose un circuit très simple permettant une assez bonne régulation de la tension efficace de sortie sans utiliser un circuit intégré aussi performant que le circuit AD 536 AJH déjà cité. il est conçu autour d'un dispositif bidirectionnel 24 ayant deux tensions de claquage symétriques (positive et négative) telles qu'à faible différence de potentiel appliquée à ses bornes il est normalement bloqué, qu'il passe a l'état de conduction quand la difference de potentiel excède la tension de claquage (après quoi il y a une brusque chute de tension a ses bornes) et qu'il revient à l'état de blocage quand le courant qui le traverse tombe en-dessous d'un certain seuil (le courant minimal de maintien).Ce dispositif 24 peut être un diac par exemple, ou encore un tube à néon comme représenté ici ; dans ce dernier cas, il peut en même temps servir de lampe témoin de fonctionnement de l'onduleur. Entre la tension alternative à réguler (point C) et le dispositif 24 est prévu un circuit atténuateur/limiteur de courant composé de résistances 25 et 26 en série avec un condensateur 27. Le signal issu de ce circuit atténuateur/limiteur est filtré par un condensateur 29 placé en série avec une résistance de limitation de courant 28.Les valeurs de ces différents éléments ont été choisies de façon que le dispositif 24 conduise pendant une portion de chaque alternance du signal présent en D : la tension aux bornes de la résistance 30 devient négative (et fait conduire le transistor NPN 31 monté en base commune) au cours de l'alternance négative, tandis qu'elle devient positive (et fait conduire le transistor NPN 32 monté en émetteur commun) au cours de l'alternance positive.Chaque fois que le dispositif 24 conduit, l'un de ces deux transistors 31 et 32 est conducteur et la tension du point de réunion de leurs collecteurs descend alors à la masse : ce potentiel bas, appliqué au circuit de commande 7, entraîne donc la diminution des signaux présents en A et B vers U, , ce qui bloque les commutateurs de puis- sance 1 et 2, en meme temps qu'il entratne la montée du signal présent en D au-dessus de U+ , ce qui rend conducteur le commutateur auxiliaire 14. I1 est à signaler que l'action du néon 24 sur ltéleetronique de commande 7 peut aussi se faire par élément photosensible ; dans ce cas les résistances 26, 28 et 30 peuvent être raccordées au point H (au lieu du pôle U ), et le condensateur 27 peut être remplacé par un court-circuit. Quelle que soit la réalisation adoptée, le résultat est le suivant : plus rapide retombée à zéro des excursions du signal présent en C au fur et a mesure que la tension efficace en C a tendance à monter, et ceci en raison du plus rapide amorçage du dispositif 24. Une plus forte amplitude reste donc appliquée moins longtemps à la charge, d'où l'effet de régulation recherché. il est possible, enfin, d'associer plusieurs onduleurs identiques conformes à la description précédente, avec un circuit de commande commun assurant une synchronisation appropriée des différents signaux, afin de reconstituer des tensions alternatives polyphasés. REVENDICATIONS 1. Onduleur monophasé destiné notamment à des applications de faible puissance, comprenant une structure symétrique composée de deux commutateurs de puissance à conduction non simultanée, à deux électrodes principales et une électrode de commande, et d'un transformateur de sortie ayant un enroulement primaire constitué par deux parties dont chacune est insérée dans le circuit des deux électrodes principales de l'un des commutateurs de puissance et un enroulement secondaire de sortie, caractérisé en ce que cet enroulement secondaire est en série avec l'élec- trode de commande des commutateurs de puissance et avec le circuit d'utilisation de l'onduleur de façon que le courant de commande des commutateurs soit le courant traversant ce circuit d'utilisation, et en ce que l'onduleur comprend deux commutateurs supplémentaires, à deux électrodes principales et une électrode de commande, dont le circuit des deux électrodes principales est aussi en série avec l'électrode de commande du commutateur de puissance correspondant et avec l'enroulement secondaire de sortie, ces commutateurs supplémentaires étant destinés à commander à tour de rôle la conduction du commutateur de puissance correspondant selon une séquence de commutation définie par un circuit de commande pour obtenir une tension de sortie à trois paliers sur l'excursion d'amplitude complète de cette tension, des diodes auxiliaires étant prévues pour assurer le retour du courant de commande des commutateurs de puissance, et des résistances étant placées en série respectivement avec ces diodes pour assurer le démarrage de la conversion courant continu/courant alternatif. 2. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la séquence de commutation est prévue pour que la durée de n > n-conduction séparant la durée de conduction d'un des commutateurs de puissance de la durée de conduction de l'autre soit très faible afin de permettre la reconstitution d'une tension alter native de forme carrée. 3. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la séquence de commutation est prévue pour que la durée de non-conduction séparant la durée de conduction d'un des commuta teursde puissance de la durée de conduction de l'autre soit, sur une période de 3600, voisine de 600 afin de permettre la suppres sion de ltharmonique de rang 3. 4. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la séquence de commutation est asservie afin d'obtenir une régulation de la tension de sortie de l'onduleur par modulation de la durée de conduction. 5. Onduleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de récupération des courants inductifs dûs à la composante inductive du circuit d'utilisation de l'onduleur. 6. Onduleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de limitation de son courant de sortie. 7. Onduleur polyphasé caractérisé en ce qu'il comprend un nombre quelconque d'onduleurs selon l'une des revendications 1 à 6, un circuit de commande commun à ces onduleurs étant prévu pour permettre une reconstitution de la tension alternative polyphasée souhaitée.