Brevet FR2479589A1 — publié le 19811002

La présente invention concerne les alimentations à découpage et plus particulièrement leur protection contre les pointes de courant consécutives à la mise en service de ces alimentations. La protection contre de telles pointes de courant est assurée selon 1'invention par des résistances S coefficient de température négatif, couramment appelées CTN de conception et de composition spéciale, à base d'oxyde de vanadium. Les alimentations à découpage sont de plus en plus utilises dans les systèmes informatiques ou vidéo et de façon générale dans les ensembles électroniques com plexus en raison des avantages présentés par la structure de ces alimentations sans transformateur sur le circuit d'entrée. Une alimentation à découpage se compose essentiellement, à partir de l'alimentation sec tueurs d'un pont de redressement composé de diodes ou de thyristors et d fun organe de découpage ou hacheur, qui est fréquemment soit un transistor soit un thyris tor. Le hacheur est commandé extérieurement par des impulsions ou par un circuit déphaseur et le courant qui en sort sert en partie à charger un condensateur tampon. Ce condensateur, de valeur élevée sert de filtre simple de la tension de sortie, et définit5 en liaison avec la charge du circuit, la valeur nominale de la tension de sortie. Pour un filtrage efficace de la composante alternative, la valeur du condensateur doit entre élevée, cgest--àire compte tenu des tensions utilisées dans les systèmes électroniques à base de transistors et de circuits intégrés, de ltordre de 1000 microfarads pour des alimentations de 5 volts. A la mise sous tension de l'alimentation à découpage, le circuit équivalent, vu du secteur, peut etre schématisé par une résistance série r et une capacité C. La résistance r traduit l'ensemble des résistances série du circuit telles que par exemple des résistances passantes du pont de redressement, la résistance du transistor ou du thyristor dans l'état conducteur ; donc r est faible et de l'ordre de quelques ohms. La capacité C représente la capacité de filtrage de sortie de 1 'alimentation. Après la mise sous tepsion de l'alimentation, le cburant transmis à travers la résistance r se traduit par un courant maximal égal à la tension d'alimentation divisé par la résistance r ; ce courant de charge de la capacité décroît ensuite exponentionnelliement, avec une constante de temps égalera rC. Ce système présente un inconvénient certain : le condensateur étant déchargé avant la mise sous tension, on mesure dans le circuit d'alimentation, dds la mise sous tension, un important pic de courant pouvant dépasser 10 fois la valeur du courant d'utilisation moyen. L'organisation de l'alimentation à découpage selon l'invention prévoit de monter entre le pont redresseur et le hacheur une résistance à coefficient de température négatif, donc de valeur élevée lorsqu'elle est froide, à la mise sous tension, et de valeur faible après qu'elle soit échauffée par effet Joule. De tels ensembles sont déjà connus de lthomme de l'art, mais dans le cas présent, la résistance à coefficient de température négatif CTN présente la particularité d'etre composée d'oxyde de vanadium polycristallin, de degré d'oxydation 4 : VO2. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de protection de limitation des surintensités de démarrage d'une alimentation à découpage, alimentée directement par la tension du secteur, à travers un pont redresseur, comportant un organe de découpage (T) un condensateur (C) de valeur élevée à l'origine d'un pic de courant à la mise sous tension, lorsque le condensateur (C) se charge,et et un limiteur (L) monté en série avec l'organe de découpage (T), caractérisé en ce que-ce limiteur (L) est constitué par une résistance à coefficient de température négatif (CTN) dont-le matériau est à base de dioxyde de vanadium V02, polycristallin, lequel présente dans une plage étroite (+ 10 C) de température une variation de résistance supérieure à 3 ordres de grandeur. L'invention sera mieux comprise par la description qui va en suivre, laquelle s'appuie sur des figures qui représentent : - figure 1 : le schéma de principe d'une alimentation à découpage dans son aspect général - figure 2 : la forme du courant après la mise sous tension, dans un premier cas d'alimentation à découpage selon l'art connu ; - figure 3 : la caractéristique de résistance en fonction de la température d'une CTN normale ; - figure 4 : la forme du courant après la mise sous tension, dans un second cas d'alimentation découpage selon l'art connu ; - figure 5 : les caractéristiques comparées de résistance en fonction de la température de trois CTN, normale, à oxyde de vanadium polycristallin et à oxyde de vanadium mono cristallin ; - figure 6 : la forme du courant après la mise sous tension, à la sortie d'une alimentation à décou- page protégée par une CSi monocristalline en V02 ; - figure 7 : la forme du courant à la sortie d'une alimentation à découpage selon l'invention, pro tégée par une CTN polycristalline en VO2 - figure 8 : un premier modèle de CTN selon l'invention ; - figure 9 : un second mcdèle de -CTN selon l'invention ; - figure 10 : un exemple d'adaptation de CTN selon l'invention aux circuits hybrides. La figure 1 représente le schéma de principe très simplifié d'une alimentation à découpage. Ce- schéma est propre à toutes les alimentations selon l'art connu ou selon l'invention. A partir d'une alimentation de secteur, un pont redresseur fournit une tension qui est appliquée d'une part au commun de l'alimentation et du circuit, d'autre part à un organe hacheur appelé T qui est un transistor, un thyristor ou un triac, lequel est commandé soit par des impulsions soit par un circuit déphaseur. Le courant étant prélevé a partir du courant redressé par le pont, c'est- -dire qu'il présente des demi-sinusoldes en double alternance, il est sommairement filtré par un condensateur C de forte valeur qui délivre sur la sortie S de l'alimentation une tension correspondant aux besoins des circuits alimentés. Sur le schéma est représenté un dispositif supplémentaire appelé L car il constitue un limiteur : ce dispositif est destiné comme son nom l'indique, à limiter l'appel de courant après la mise sous tension. Une premièré forme de limiteur selon l'art connu a consisté à mettre en série avec le hacheur une résistance R de valeur nettement plus importante que la résistance équivalente r de l'alimentation. Ainsi est efficacement diminuée la valeur de crête de la surintensité mais au prix d'une dissipation élevée. La figure 2 représente la forme du courant en fonction du temps dans une telle alimentation à découpage, lorsque le limiteur est une résistance R. A la mise sous tension d l'instant t1, il y a un appel de courant qui forme un pic encore tres élevé mais moins que s'il n'y avait aucun limiteur. Fuis au fur et à mesure que le condensateur C se charge, cet appel de courant diminue et l'intensité tend vers l'intensité nominale IN, avec une constante de temps égale à (R + r)C. L'incçnvénient principal réside en la dissipation élevée par la résistance R en régime continu, dissipation-d'énergie n'ayant aucune utilité ultérieure. Pour diminuer ce courant d'appel d'une façon simple, la solution actuellement pratiquée réside en l'utilisation d'une résistance de type CTbi à la place de la résistance R. Pour des raisons de simplification et d'éclaircis- sement du texte on appellera par la suite par le sigle CTN la résistance à coefficient de température négatif. Cette résistance est monte en série avec le hacheur c'est-S-dire que sur la figure 1, le limiteur est donc selon cette seconde forme d'art connu, une CTN. La protection est basée sur la caractéristique de résis- tance en fonction de la température d'une -CTN. La figure 3 donne un exemple d'une telle caractE- ristique entre la température ambiante et 100Q C. Cette variation est exprimée à l'aide de la relation suivante R = Ro exp B/T dans laquelle est le eoefSicient thermique du matériau exprimé en degrés Kelvin ou en degrés absolus. A titre d'exemple, B est compris entre 2500 et 5000. Ro est une constante, exprimée en ohms correspondant à la résistance de la CTN à 04 C. Une autre caractéristique donnée pour définir une CTN est sa résistance à 250 C R25 d'après la relation R25 -R0 exp B/298. R25 peut être choisi entre 10 ohms et 100 000 ohms environ. Pour un coefficient moyen B de 4000, la résistance varie entre 200 et 800 dans un rapport de 10 environ et pour un coefficient B de 5000 cette variation est de 18 ; c'est donc une variation limitée. Lors de la mise sous tension de l'alimentation à découpage, la CTN est à 250, température prise comme étant la température ambiante, et présente donc une valeur de résistance élevée. Comme la résistance de l'organe découpeur, transistor ou thyristor, et du pont de redresseur est faible, le courant de démarrage qui traverse l'alimentation et la CT1J est donné par l'expression 220 = 220 /R25 si la tension d'alimentation est 220 volts. La puissance dissipée par la CTN échauffe celle-ci et diminue par conséquent sa résistance. Le régime d'équilibre correspond à une température de la CTN telle que les pertes thermiques équilibrent la puissance électrique absorbée. Pour limiter la dissipation, on a intérêt à prendre des résistances de valeurs aussi petites que possible. Ceci implique un coefficient de température B aussi élevé que possible ce qui est en général incompatible avec des valeurs faibles de la résistance. Aussi choisit-on un compromis entre ces deux conditions. Le résultat est actuellement, selon l'art connu, une protection limitée contre les surintensités. Pour des réalisations courantes, le choix de la CTN conduit d des limitations en courant, telles que l'intensité maxi rale présente après la mise sous tension de l'alimentation à découpage ne dépasse pas une valeur continue de l'ordre de trois fois la valeur du courant en régime d'équilibre. La figure 4 représente la forme de la surintensité au cours de la mise sous tension d'une alimentation à découpage munie d'une CTN selon l'art connu. Le temps t étant donné en abscisse et l'intensité I en ordonnée, on voit que cette intensité dé croit assez rapidement mais qu'elle a cependant au temps t, où l'alimentation est mise en service, une valeur encore assez importante. La présente invention se propose de remédier à cet inconvénient en utilisant une CTN constituée d'un matériau composite à base de dioxide de vanadium. La figure 5 représente les courbes comparées de résistances en fonction de la température dans la zone de 200 C à 1000 C de trois types de CTN. La courbe 1 correspond à une CTN classique ; la courbe 2 à une CTN en dioxide de vanadium polycristallin et la courbe 3 à une CTN à dioxyde de vanadium monocristallin. Le dioxide de vanadium présente aux environs de 650 C, et dans une fourchette de temps rature de l'ordre de plus ou moins 2 ou 30 seulement, une transition isolant/métal qui se traduit pour des échantillons monocristallins par un saut de résistivité de cinq ordres de grandeur.L'amplitude du saut est plus faible pour des échantillons polycristallins mais est toujours supérieure à 3 ordres de grandeur. L'avantage de l'oxyde de vanadium polycristallin est que la courbe est légèrement plus arrondie et pré- sente une transition plus graduelle, ce quia comme on le verra ultérieurement, est intéressant pour les alimentations à découpage. La caractéristique résistance/température d'un échantillon polycristallin à base de dioxide de vanadium permet de comprendre l'avantage de cette solution par rapport à la protection par une CTN normale. Disposer d'une dynamique de résistance plus élevée est intéressant pour l'utilisation dans une alimentation à découpage mais la caractéristique de fonction nement de ces alimentations dépend également du changement de résistance rapide, c'est-à-dire la transition isolant ou semiconducteur-métal de la résistance. Si l'on considère d'abord le cas d'un changement de phase et donc de résistance franc comme il est observé dans un monocristal de dioxide de vanadium, -courbe 3 de la figure 5- la réponse du circuit de l'alimentation à découpage présente alors un point de discontinuité brutale qui est illustré en figure 6. Sur la figure 6, est portée l'intensité I en ordonnée en fonction du temps t. A la mise en service de l'alimentation, lorsque la CTN est encore froide, et donc de valeur élevée, un courant initial lo traverse le circuit, il décroît au fur et à mesure que la CTN s'échauffe et, lorsque celle-ci atteint une température de 650, et change brusquement de valeur, il passe alors par un maximum IM avant d'atteindre l'in- tensité nominale . La figure 6 représente donc le courant de charge du condensateur C de l'alimentation à découpage et le pic supplémentaire de courant va à l'encontre de l'effet recherché, ce qui explique entre autres raisons qu'il n'y ait pas intérêt à utiliser des CTN en dioxide de vanadium sous forme monocristalline. Par contre, lorsque la transition de phase est lente et contrôlée, cet effet est favorable à l'utilisation de CTN à dioxide de vanadium sous la forme polycristalline -courbe 2 de la figure 5-. Cet étalement dans le temps de la surtension d'allumage, joint à la fixation d'un niveau maximum de courant IN aussi bas que possible S la mise sous tension, ou d'un niveau aussi voisin que possible du niveau d'alimentation continue IN de l'alimentation en service, conduit à la caractéristique de réponse de la figure 7. La figure 7 illustre donc la forme du courant I en fonction du temps t à la mise en service d'une alimentation à découpage protégée par une CTN au dioxide de vanadium polycristallin, dans laquelle IO représente l'intensité à la mise en service, IN ltintensité nominale de service, et 1M l'intensité maximale ou pic de surcharge à la mise sous tension : le pic de surcharge est étalé dans le temps et ne présente pas de discontinuité brutale.Cet étalement est obtenu d'une part par la nature polycristalline du matériau, mais également, d'autre part, par la réalisation d'un gradient de composition obtenu en ajoutant à oxyde de vanadium des éléments qui déplacent sa température de transition ces éléments peuvent être par exemple le molybdène ou le tungstène. De plus, le le contrôle par la géométrie des échantillons du changement de phase intervient dans le contrôle du pic de courant. Les figures 8 et 9 représentent deux formes possibles pour la réalisation de CTN à dioxyde de vanadium ; la figure 8 correspondant à une forme axiale et la figure 9 à une forme radiale. A la transition, la variation de résistance de ces deux CTN se traduit par la nucléation d'une zone ou d'un filement dont la conduction est du type métallique qui s'étend progressivement à toute la CTN. Si l'on appelle 4 et 5 les deux connexions de prise de contact réunies au corps 6 de la C par l'intermédiaire de 2 plaques ou de 2 capuchons mEtalliques, la CTN, qu'elle soit selon la configuration de la figure 8 ou selon celle de la figure 9, est à l'origine composée d'un matériau isolant ou semiconducteur noté SC ; lorsque la température du corps 6 de la CTN s'elève, une zone métallique notée M se développe et peu à peu comprend la totalité du corps de la CTN ; à ce moment, la CTN perd la plus grande partie de sa résistance initiale et elle a atteint sa température de transition. Dans la configuration de la figure 8, les résistances SC c'est-à-dire les deux zones semiconductrices qui se trouvent de part et d'autre de la zone métallique, se trouvent en série et la résistance globale passe progressivement de la résistance du corps à son état semiconducteur à-la résistance du corps à son état métallique.Par contre, dans la configuration de la figure 9, la conduction élevée de la CTN est établie plus rapidement car la zone métallique notée M réunit, dès que la température atteint la température de transition, les deux électrodes 4 et 5. I1 est évident pour l'homme de l'art que la réalisation de CTN telles que décrites ne se limite pas aux formes des figures 8 et 9 qui sont bien connues de lthomme de l'art. La figure 10 représente un exemple de CTN à dioxide de vanadium destinée à un circuit en technologie hybride. Sur un substrat 7, est déposée une mé- tallisation de prise de contact 8 puis est rapporté par tout moyen approprié le corps 10 de la cTN recouvert par une secondemétallisation 9. La zone métallique conductrice se développe à l'interface entre le corps 10 de la C et son électrode inférieure, et a une limite supérieure parallèle à cet interface qui dépend de la conductivité thermique du support selon qu'il fonctionne plus ou moins comme radiateur de la CTN. L'utilisation d'une CTN à oxyde de vanadium dans -une alimentation à découpage peut selon les caractéristiques de l'alimentation et sa conception d'origine, présenter un aspect critique : lorsque la CTN a atteint par effet Joule sa température de transition, sa résistance passante diminue fortement et l'effet Joule étant lié à la puissance 2 de l'intensité, la CTN peut alors ne plus etre suffisamment échauffée par le passage du courant, sa température baisse et elle franchit en sens inverse sa température de transition. Si l'alimentation à découpage est conçue de telle façon que la CTN puisse franchir à nouveau sa température de transition, il va s'ensuivre un phénomène permanent d'oscillation, la CTN franchissant dans un sens puis dans l'autre, sa température de transition. Pour remédier à cet inconvénient, il suffit d'avoir un bon contact thermique entre la CTN de protection de l'organe hacheur, transistor ou thyristor, et cet organe lui-même qui est très généralement monté sur un radiateur. Pour ce faire, la CTN est fixée sur le radiateur et le contact thermique est assuré par des moyens classiques tels qu'enrobage, ou contact par l'intermédiaire d'une graisse de silicone par exemple. Les avantages des CTN à dioxyde de vanadium V02 polycristallin, telles cue décrites selon l'invention sont les suivants - faible résistance due à la région conductrice de V02 polycristallin à des températures moyennement élevées (70 à800 C) et siultanément résistance élevée à la température ambiante - suppression efficace du pic de courant et charge progressive du condensateur ce qui limite les surintensités à la mise en service de l'alimentation à découpage ; - puissance dissipée en régime permanent plus faible que dans le cas des CTN classiques, du fait de la très faible résistance en regime continu des CTN selon l'invention ; - température d'équilibre en fonctionnement continu choisie légèrement supérieure à la température de transition. Ceci permet à l'alimentation à découpage d'etre plus rapidement disponible après une interruption de secteur ou une mise hors circuit rapide. En effet, le temps de refroidissement limité conduit à choisir la températu- re du composant légèrement inférieure à sa température de transition qu'il a donc rapidement atteinte au cours d'une remise en service. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection de limitation des surintensités de démarrage d'une alimentation à découpage, alimentée directement par la tension du secteur, à travers un pont redresseur, comportant un organe de découpage (T), un condensateur (C) de valeur élevée, à l'origine d'un pic de courant à la mise sous tension, lorsque le condensateur (C) se charge et un limiteur (L) monté en série avec l'organe de découpage (T), caractérisé en ce que ce limiteur (L) est constitué par une résistance à coefficient de température négatif (CTN) dont le matériau est à baside dioxyde de vanadium V02, polycristallin, lequel présente dans une plage étroite (+ 10 C) de température une variation de résistance supérieure à 3 ordres de grandeur. 2. Dispositif de. protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que du molybdène ou du tungstène, ajoutés sous formes d'oxydes à l'oxyde de vananium, déplacent sa température de transition,et créent dans la résistance CTN du.limiteur un gradient de composition qui diminue d'autant le pic de courant à la mise sous tension. 3. Dispositif de protection selon les revendications 1 ou 2, caractérise en ce que le limiteur (L) est monté en couplage thermique avec l'organe de découpage (T), ce qui le maintient en température et supprime les oscillations autour de sa température de transition.