Brevet FR2478392A1 — publié le 19810918

La présente invention concerne un chargeur, no- tamment un chargeur de bord, pour la charge de batteries de traction d'un véhicule électrique à partir du secteur al- ternatif, se composant d'un convertisseur de tension con- tinue de blocage (ou à oscillateur bloqué), qui comporte un transistor de puissance commandé, un circuit de déchar- ge à la coupure et un transformateur de puissance dont l'enroulement secondaire est placé en série avec une dio- de redresseuse, un condensateur de filtrage étant branché en parallèle avec ce circuit-série. Habituellement, dans des chargeurs transmettant des puissances assez élevées, des convertisseurs d'alimen- tation sont reliés directement au secteur à tension alter- natif de 50 Hz, ces appareils présentant un rapport rela- tivement élevé entre d'une part la grosseur et le poids et d'autre part la puissance. Un cas particulier d'application est constitué par le chargeur de bord d'un véhicule électrique, qui a pour fonction d'assurer la charge des batteries de trac- tion à partir du secteur alternatif. Dans des chargeurs de bord pour véhicules élec- triques, le poids, la grosseur et la puissance perdue doi- vent être aussi faibles que possible. Ces impératifs ne peuvent cependant être satisfaits que lorsque la trans- mission de puissance et l'adaptation de tension entre le secteur alternatif à 220 V et la tension de batterie ne sont plus assurées à l'aide d'un transformateur transmet- tant le courant de 50 Hz mais par l'intermédiaire d'un convertisseur de tension continue. La tension du secteur qui a été redressé est appliquée au convertisseur de ten- sion continue sous la forme d'une tension d'entrée, qui est convertie à l'aide de valves redresseuses commandées (transistors ou thyristors) en une tension alternative de fréquence supérieure, cette fréquence étant dans la plu- part des cas supérieure à la limite d'audibilité de 20 kHz. Grâce à cette tension alternative de fréquence accrue, il est possible de transmettre la même puissance avec un transformateur bien plus petit et bien plus léger. La tension alternative transmise du c8té du secondaire est redressée, filtrée, et appliquée à l'appareil de consom- mation. Pour pouvoir tirer la puissance active maximale du secteur, il faut que le courant d'entrée ait un profil aussi sinusoïdal que possible et soit en phase avec la tension d'entrée. Un convertisseur de tension continue, qui est en mesure de remplir les conditions définies ci-dessus, constitue un appareil connu, appelé convertisseur de blo- cage et qui a été représenté sur la figure 1. Il s'agit dans ce cas d'un convertisseur de blocage dont le nombre d'éléments constituants tels qu'un transformateur de puissance 14, un transistor de commande 12 pourvu d'une dérivation de coupure 13, une diode redresseuse 15 et un condensateur de filtrage placé à la sortie, est réduit au minimum. Un autre avantage de ce type de convertisseur consiste en ce qu'il peut être utilisé aussi bien comme un transformateur sulvolteur que comme un transformateur dévolteur, c'est-à-dire que sa tension maximale de sortie n'est pas limitée, comme dans le cas d'un transformateur de transmission, par le rapport entre les nombres de spires. A l'aide du schéma de la figure 1, on va expliquer les fonctions et les problèmes qui se posent dans le cas d'un convertisseur de blocage. Après enclenchement du transistor de puissance 12, le courant passant dans l'enrou- lement primaire 14a croit de façon linéaire, c'est-à-dire en forme de rampe. Alors que l'enclenchement du transis- tor ne pose absolument pas de difficulté, du fait que l'en- roulement inductif du convertisseur de blocage est branché dans le circuit primaire, les problèmes se posent - prin- cipalement dans le cas de grandes tensions d'entrée et de sortie - en ce qui concerne la coupure du transistor de puissance. Après la coupure du transistor de puissance, le courant ne peut pas varier brusquement dans l'enroulement primaire 14a, ce qui signifie que, en l'absence du circuit de décharge à la coupure RCD 13 et en cas de coupure rapi- de, la tension au transistor prend rapidement une valeur élevée incontrôlée et le transistor peut être détruit. DU fait que, lors d'un raccourcissement du temps de coupure du transistor, la puissance perdue est également réduite, c'est-à-dire que le rendement global est augmenté, on a tendance à réduire autant qu'il est possible les temps de commande. Pour les raisons précitées,il est nécessaire d'utiliser un circuit de décharge à la coupure, tel que le circuit RCD 13 représenté sur la figure 1, qui absorbe, pendant le processus de coupure, la majeure partie du cou- rant primaire et qui limite ainsi les pointes de la ten- sion de coupure. Les inconvénients rencontrés avec ce circuit de protection sont les suivants: 1. L'énergie déchargée dans le condensateur 13a n'est plus disponible pour la transmission au côté secondaire et ne constitue ainsi plus une énergie utilisable. A cet égard, plus le degré de décharge à la coupure est choisi à une valeur élevée, plus la capacité du condensateur 13a doit être augmentée, mais également plus l'énergie magnétique qui n'est plus transmissible devient grande. 2. La grosseur du condensateur augmente également le temps mort, c'est-àdire l'intervalle de temps s'écoulant entre l'instant de la coupure du transistor de puissance 12 et l'instant o le flux subsistant dans la coupure magnétique est complètement absorbé par l'enroulement secondaire 14b. La transmission de courant par l'enroulement secondaire 14b commence seulement lorsque la tension collecteur-émet- teur UCE du transistor de puissance 12 satisfait à la re- lation suivante UCE > UE + (w1/w2) UA o UE = tension d'entrée, UA = tension de sortie, w, = nombre de spires de l'enroulement primaire (1fa) w2 = nombre de spires de l'enroulement secondaire (14b). Il en résulte que la vitesse de croissance du courant du côté secondaire est fonction des inductances de fuite et parasite du côté primaire et du côté secon- daire et également de la vitesse de croissance de la ten- sion dans l'enroulement primaire, qui varie elle-même en raison inverse de la grosseur du condensateur 13. 3. Un inconvénient important du circuit de décharge à la coupure RCD 13 consiste en ce que l'énergie emmagasi- née dans le condensateur 13a est convertie en chaleur perdue par l'intermédiaire de la résistance ohmique 13c. Un circuit qui ne présente pas cet inconvé- nient a été représenté par exemple dans le document "TRW Power Semiconductor", numéro 120 (1/75), page 10, figure 25. Il constitue un circuit de décharge à la coupure qui est en principe exempt de pertes et qui présente en ou- tre l'avantage que le courant croit au départ à partir de zéro lors de l'enclenchement du transistor et ne passe pas brusquement à la valeur ic = U(13a)/R(13c)* Les deux premiers inconvénients du circuit de décharge à la coupure qui est prévu du côté primaire s'ap- pliquent cependant également à ces circuits de décharge qui sont en principe exempts de perte de puissance car, également dans ce cas, l'augmentation de grosseur du con- densateur se traduit par une augmentation du temps mort et par une diminution de l'énergie utilisable dans le transformateur de puissance 14. On rencontre en outre les autres inconvénients, à savoir que le transformateur de puissance 14 doit avoir de plus grandes dimensions et que la puissance perdue est augmentée du fait du plus grand courant efficace passant dans le circuit primaire. L'invention a en conséquence pour but de fournir un chargeur qui remédie aux inconvénients mentionnés ci- dessus, c'est-à-dire qui présente un faible volume, un faible poids et un grand rendement. Ce problème est résolu selon l'invention en ce qu'il est prévu Ln module de convertisseur, qui se compose de deux convertisseurs de blocage de tension continue dont les transistors de puissance sont excités par un circuit d'excitation avec un déphasage de 1800, en ce que les côtés secondaires, branchés en parallèle, des deux cons vertisseurs de blocage sont agencés de manière que l'un des enroulements secondaires soit relié d'un côté à la borne négative de sortie et de l'autre côté, par l'inter- médiaire d'une diode redresseuse, avec la borne positive de sortie, en ce que l'autre enroulement secondaire est relié d'un côté à la borne positive de sortie et de l'au- tre côté, par l'intermédiaire de l'autre diode redresseu- se, avec la borne négative de sortie, en ce qu'il est pré- vu, comme circuit de décharge côté secondaire entre le point de jonction d'un des enroulements secondaires avec l'une des diodes redresseuses, une première diode abou- tissant à un point B, à partir de ce point une seconde diode branchée en série avec un self aboutissant au point de jonction de l'autre enroulement secondaire avec l'autre diode redresseuse, toutes les diodes situées du côté se- condaire étant polarisées de manière qu'elles laissent passer le courant d'un des enroulements secondaires vers l'autre enroulement secondaire, en ce qu'il est prévu un condensateur respectivement entre le point B et la borne positive de sortie et entre le point C et la borne néga- tive de sortie et en ce qu'il est prévu un condensateur commun de filtrage entre les bornes de sortie. Le circuit de décharge à la coupure est ainsi disposé en majeure partie entre le côté primaire et le côté secondaire du transformateur du convertisseur de blocage et, au début du processus de coupure et de l'aug- mentation de tension, un flux de courant est établi dans le côté secondaire, de manière à pouvoir très rapidement absorber le flux de courant passant dans le côté primaire et correspondant àÈ l = i1.w1 (après absorption du courant passant dans le côté secondaire et pour i1 = , on obtient de façon idéale: A A A 0i2 = (D1 = i2e2) D'autres avantages et caractéristiques de l'in- vention seront mis en évidence dans la suite de la descrip- tion, donnée à titre d'exemples non limitatifs, en réfé- rence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un convertisseur de bloca- ge de tension continue de type connue, et la figure 2 représente le circuit du module con- vertisseur selon l'invention. Le convertisseur de blocage 1, de type connu et déjà décrit ci-dessus, a été représenté sur la figure 1. Le module convertisseur représenté sur la figure 2 et conforme à la présente invention se compose en prin- cipe de deux convertisseurs de blocage 1, 2 de types con- nus, qui sont branchés en parallèle du côté primaire et du côté secondaire, ces convertisseurs étant commandés par un 2C appareil commun A de façon périodique et avec déphasage de 1800 et comportant un condensateur de filtrage commun placé du côté secondaire. En outre, l'un des enroulements secondaires 14b est relié d'un côté à la borne négative de sortie -UA et de l'autre côté, par l'intermédiaire d'une des diodes re- dresseuses 15, avec la borne positive de sortie +UA. L'au- tre enroulement secondaire 24b est relié d'un côté à la bor- ne positive de sortie +UA et de l'autre côté, par l'inter- médiaire de l'autre diode redresseuse 25, à la borne néga- tive de sortie. Il est prévu une première diode 30 qui est branchée entre le point de jonction d'un des enroulements secondaires 14b avec une des diodes redresseuses 15 et un point B, une seconde diode 35 qui est branchée entre ce point B et un point C en série avec une self 36 et une troisième diore 40 qui est branchée entre le point C et le point de 7 2478392 jonction de l'autre enroulement secondaire 24b avec l'au- tre diode redresseuse 25. Toutes les diodes sont polari- sées de manière à laisser passer le courant depuis un des enroulements secondaires 14b jusqu'à l'autre enroulement secondaire 24b. Entre le point B et la borne positive de sortie +UA, ainsi qu'entre le point B et la borne positi- ve de sortie -UA, il est prévu respectivement un condensa- teur 32, 42. On peut obtenir une légère amélioration de la décharge à la coupure du côté secondaire lorsqu'on pré- voit un condensateur supplémentaire 31, 41 respectivement entre le point B et la borne négative de sortie ainsi qu'entre le point C et la borne positive de sortie. Pendant que de l'énergie est emmagasinée par l'in- termédiaire de l'enroulement primaire 14a lorsque le tran- sistor de puissance est enclenché, les condensateurs 31 et 32 sont chargés par l'intermédiaire de la diode 35 et de l'inductance 36 jusqu'à ce que la tension U31 au condensa- teur 31 soit égale à la tension induite dans l'enroulement secondaire 14b. Au cas o la tension de condensateur tom- be en dessous de la tension secondaire, une partie du flux de courant passant dans le transformateur 15 est absorbée par l'enroulement secondaire. On va maintenant décrire le processus de coupure ou de blocage du transistor de puissance: Lors de la coupure du transistor 12, la tension à l'enroulement primaire 14a, et par conséquent également la tension à l'enroulement secondaire 14b, augmente. Aus- sitôt que la tension à l'enroulement secondaire 14b dépasse le potentiel des condensateurs 31 et 32, un courant com- mence à passer du transformateur du convertisseur de blo- cage vers les condensateurs 31 et 32. Alors que la trans- mission du courant par l'intermédiaire du condensateur 31 s'effectue très rapidement, la vitesse de montée du cou- rant passant dans le condensateur 32 et le condensateur de filtrage 16 est légèrement retardée du fait de la plus grande inductance des conducteurs. Lorsque le flux de cou- rant a été complètement absorbé par l'enroulement secon- daire, la tension à cet enroulement secondaire 14b croit pendant une période de durée T = 2 7T VL4b(C3l+ C32) jus- qu'à ce qu'elle atteigne le niveau de la tension de sortie. Ensuite la diode redresseuse 15 absorbe très rapidement presque tout le courant de l'enroulement secondaire. Un courant croissant de profil sinusoïdal passe maintenant, par l'intermédiaire de la diode 35 et de la self 36, dans les condensateurs 41 et 42. La tension au condensateur 42 augmente - au cas o aucune énergie n'est plus emmagasinée dans l'enroulement secondaire 24b - jus- qu'à la tension UA. L'énergie encore emmegasinée dans la self 36 peut faire monter, après enclenchement du transistor de puissance 22, la tension au condensateur 42 jusqu'à la valeur U42 = UA + (w2/wl).UE. Lorsque le tran- sistor de puissance 22 est déclenché après l'emmagasinage d'énergie, le processus de commutation est aussitÈt amorcé par l'intermédiaire des condensateurs 41 et 42 - corres- pondant aux condensateurs 31 et 32 du convertisseur de blocage 1 - et le flux de courant primaire est absorbé. Le temps mort se produisant dans le mode de réa- lisation de la figure 1 est évité avec le convertisseur de blocage selon l'invention représenté sur la figure 2 en ce que la commutation est amorcée et arrêtée déjà pendant la montée de la tension. L'invention permet également d'é- liminer les inconvénients associés, à savoir: - une surtension appliquée au transistor - une faible transmission d'énergie utile - de plus grandes intensités efficaces, de sorte que l'auxiliaire de coupure prévu du côté primaire n'est nécessaire que dans le cas de transistors à commande très rapide. Pour ces transistors, il suffit cependant d'u- tiliser déjà de très petits condensateurs 13a et 23a. On va maintenant décrire le processus d'enclenche- ment du transistor de puissance 12: Lors de l'enclenchement ou amorçage du transistor 12, la tension dans l'enroulement secondaire 14b passe à la valeur U14b = -UE.w2/wl, de sorte que la tension aux condensateurs 31 et 32 peut les charger à cette valeur par l'intermédiaire de la diode 35 et de linductance 36. La période et l'énergie de commutation du circuit auxi- liaire de commutation sont choisies de telle sorte que, pour la tension maximale d'entrée UE, on soit assuré d'une charge complète des condensateurs. Notamment dans le cas d'une fréquence de comman- de variable, il est avantageux que la seconde diode 35 soit remplacée par un thyristor commandé par le circuit A. Lorsque le chargeur doit fournir différentes tensions, on peut prévoir d'autres enroulements secondaires associés à des diodes redresseuses et à des condensateurs de filtrage mais qui ne nécessitent cependant aucun cir- cuit de décharge. Pour l'augmentation de la puissance de sortie, on peut brancher en parallèle plusieurs (n) modules con- vertisseurs du côté primaire et/ou du côté secondaire. A cet égard, il est avantageux qu'ils soient commandés par un circuit commun A périodiquement avec un déphasage mu- tuel de 3600/2n, car l'ondulation du courant et par con- séquent la dépense en éléments de filtrage peuvent être fortement réduites. On peut également envisager de contrôler la tension collecteur-émetteur des transistors de puissance dans la condition enclenchée et assurer la coupure des transistors de puissance lors du dépassement d'une valeur limite UcElimite. On peut obtenir une autre amélioration légère en branchant en parallèle une résistance respective avec la première et la troisième diodes 30, 40. On peut en outre appliquer au chargeur une ten- sion alternative redressée et non filtrée, qui est prise au secteur sous la forme d'un courant ayant un profil sinusoldal. 2478392 Un autre avantage de l'invention consiste en ce que - à la différence des réalisations connues qui font intervenir des convertisseurs de blocage présentant une limite de puissance d'environ 300 watts pour des tensions supérieures à 100 volts car au delà le dimension- nement devient compliqué et il faut prévoir d'autres ty- pes de convertisseurs - on peut élargir les plages de puissance utilisées habituellement d'environ 10 à 50 fois. L'invention n'a été décrite qu'à titre d'exem- ple en référence à des chargeurs et elle n'est absolument pas limitée à cette application. On peut l'utiliser dans tous les cas o on fait intervenir également des conver- tisseurs de tension continue connus. REVENDICATIONS 1) Chargeur de bord pour la charge de batteries de traction d'un véhicule électrique à partir du secteur alternatif, se composant d'un convertisseur de blocage de tension continue, qui comporte un transistor de puis- sance commandé, un circuit de décharge à la coupure et un transformateur de puissance, dont l'enroulement secondai- re est relié en série avec une diode redresseuse, un con- densateur de filtrage étant branché en parallèle avec ce circuit-série, caractérisé en ce qu'il est prévu un module de convertisseur, qui se compose de deux convertisseurs de blocage de tension continue (1, 2) dont les transis- tors de puissance (12, 22) sont excités par un circuit d'excitation avec un déphasage de 180 , en ce que les cô- tés secondaires, branchés en parallèle, des deux conver- tisseurs de blocage sont agencés de manière que l'un des enroulements secondaires (14b) soit relié d'un côté à la borne négative de sortie (-VA) et de l'autre côté, par l'intermédiaire d'une diode redresseuse (15), avec la borne positive de sortie (+VA), en ce que l'autre enrou- lement secondaire (24b) est relié d'un côté à la borne positive de sortie et de l'autre côté, par l'intermédiai- re de l'autre diode redresseuse (25), avec la borne néga- tive de sortie, en ce qu'il est prévu, comme circuit de décharge côté secondaire entre le point de jonction d'un des enroulements secondaires avec l'une des diodes re- dresseuses, une première diode (30) aboutissant à un point B, à partir de ce point une seconde diode (35) bran- chée en série avec une self (36) aboutissant en un point C et, à partir de ce point, une troisième diode (40) aboutis- sant au point de jonction de l'autre enroulement secondai- re (24b) avec l'autre diode redresseuse (25), toutes les diodes situées du côté secondaire étant polarisées de ma- nière qu'elles laissent passer le courant d'un des enrou- lements secondaires (14b) vers l'autre enroulement secon- daire (24b), en ce qu'il est prévu un condensateur (32,42) respectivement entre le point B et la borne positive de sortie et entre le point C et la borne négative de sortie et en ce qu'il est prévu un condensateur commun de filtra- ge (16) entre les bornes de sortie. 2) Chargeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un condensateur supplémentaire (31, 41) respectivement entre le point B et la borne négative de sortie ainsi qu'entre le point C et la borne positive de sortie. 3) Chargeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la seconde diode (35) est remplacée par un thyristor commandé par le circuit d'excitation (A). 4) Chargeur selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins un transfor- mateur de puissance (14, 24) comporte au moins un autre enroulement secondaire, sans circuit de décharge branché en série du cOté secondaire. ) Chargeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce qu'il est prévu plusieurs (n) mo- dules convertisseurs, qui fonctionnent avec des tensions d'entrée et de sortie différentes ou identiques et sont commandés périodiquement par un circuit commun de commande (A) avec un déphasage relatif de 3600/2n. 6) Chargeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une tension alternative re- dressée et non filtrée est appliquée aux bornes d'entrée de chaque module convertisseur.