Brevet FR2494520A1 — publié le 19820521

La présente invention concerne les onduleurs sta- tiques destinés à convertir de l'énergie électrique sous forme de courant continu en énergie électrique sous forme de courant alternatif, et elle porte plus particulièrement sur un perfectionnement des onduleurs statiques décrits dans le brevet U.S. 4 202 031. L'invention a pour but général de réaliser un ondu- leur statique perfectionné du type ci-dessus. Un but particulier de l'invention est d'incorporer dans un circuit onduleur du type ci-dessus qui comporte un élément de commutation commandé, un dispositif de commande perfectionné qui assure le blocage et le redéclenchement de la conduction de l'élément de commutation commandé. L'invention a également pour but de réaliser un circuit onduleur du type ci-dessus qui produise une tension de sortie de haute fréquence ayant une amplitude de crête pratiquement constante. L'invention a également pour but de réaliser un circuit onduleur du type ci-dessus qui évite l'apparition d'une tension excessive (dépassement transitoire) au moment de la mise sous tension. L'invention a également pour but de réaliser un circuit onduleur du type ci-dessus qui soit utilisable pour l'amorçage et le réamorçage de lampes à décharge dans un gaz à haute intensité, comme les lampes au sodium à haute pression. Compte tenu des buts ci-dessus, l'un des aspects de l'invention porte sur un onduleur statique comprenant des bornes d'entrée destinées à être connectées à une source de courant continu, des moyens inductifs comprenant un noyau en matière magnétique pratiquement linéaire qui comporte un circuit magnétique principal fermé, avec une petite ouvertu- re dans un segment du circuit magnétique qui divise la sec- tion transversale de ce dernier en deux branches et crée un circuit de flux fermé à faible réluctance, un enroulement de puissance primaire qui entoure la totalité de la section transversale du noyau de façon à générer un flux dans le cir- cuit magnétique principal, un second enroulement de puissance qui entoure la totalité de la section transversale du noyau et qui est connecté aux bornes de la source de courant conti- nu, une diode branchée en série entre le second enroulement de puissance et la source de courant continu, un enroulement de commande par réaction branché en série avec le second enroulement de puissance et qui entoure l'une des branches du circuit magnétique de façon à générer dans le circuit fer- mé à faible résistance un flux ayant la même direction que le flux principal dans l'une des branches et une direction opposée dans l'autre branche, et un élément de commutation commandé qui comporte une électrode de commande, une électro- de commune et une électrode de sortie, pour alimenter les moyens inductifs de façon intermittente à partir de la source de courant continu, l'élément de commutation commandé étant branché en série avec l'enroulement de puissance primaire, grâce à quoi l'enroulement de commande par réaction assure le blocage et le redéclenchement de l'élément de commutation commandé. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent respectivement: Figure 1: un schéma d'un onduleur statique qui emploie un circuit oscillateur correspondant à l'invention. Figure 2: une représentation schématique du transformateur qui est employé dans le circuit de la figure 1 et dans les circuits qui lui sont associés. Figure 3: un diagramme montrant les formes de signaux intervenant dans le fonctionnement du circuit oscil- lateur de la figure 1. En se reportant maintenant aux dessins, et en par- ticulier à la figure 1, on voit un onduleur statique du type décrit dans le brevet précité et, comme l'indique ce brevet, l'onduleur comprend un transistor de puissance 17, un transformateur de puissance 18 et des éléments de circuit 19, 20, 21, 22, 30 associés au démarrage et à la commande du fonctionnement du transistor 17, la combinaison fonctionnant à la manière d'un onduleur ou d'un oscillateur libre. Dans le circuit représenté, le transformateur 18 comprend un enroulement primaire 72, un enroulement démagnétisant 71, et un enroulement secondaire 73, ainsi que trois enroulements de réaction 27, 28, 29. Comme le montre la figure 2, le transformateur 18 comporte un noyau de ferrite 23 qui est formé par deux noyaux en "C" assemblés selon une configuration fermée et formant le circuit de flux magnétique principal. Un entrefer dans un côté ou dans les deux introduit une réluctance linéaire supplémentaire dans le circuit de flux principal. La structure présente une inductance de fuite notable du primaire vers le secondaire. Une ouverture rectangulaire 33 formée dans une branche d'un noyau en "C", comme représenté, divise la section transversale du noyau en deux branches localisées 34, 35. Les enroulements de réaction du transformateur, 27, 28, 29, peuvent aider à la conduction du transistor, ou s'opposer à la conduction, en fonction de la condition de saturation d'une branche au niveau de l'ouverture 33. L'en- roulement 27 est l'enroulement de réaction primaire exerçant une fonction de commande et les enroulements 28, 29 sont des enroulements de réaction secondaires. Les trois enroulements de réaction ont tous quelques spires, soit de façon caractéristique une ou deux, et chacun d'eux passe par l'ouverture 33 de façon à n'entou- rer qu'une seule branche au niveau de l'ouverture. L'enrou- lement de commande par réaction primaire 27 fait circuler un flux dans le circuit à faible réluctance qui entoure l'ou- verture 33. Lorsque ce flux est combiné avec le flux princi- pal, la branche dans laquelle les deux flux s'additionnent (branche 34) se sature pendant la phase de conduction norma- le de l'oscillateur. L'autre branche (branche 35) dans laquelle les flux sont de sens opposé ne se sature normale- ment jamais. La branche qui se sature est déterminée par le sens de l'enroulement de commande par réaction 27 et le point auquel la saturation a lieu est déterminé par le rapport des nombres de spires et par l'impédance du circuit de commande. Les enroulements de réaction 28 et 29 encerclent respective- ment les branches de noyau 34 et 35 et ils sont connectés en série pour former un chiffre huit. Cette disposition et cette interconnexion des enroulements de réaction secondaires 28 et 29 induisent des tensions de même sens lorsque le flux circule autour de l'ouverture 33. Ainsi, l'enroulement de commande primaire 27 et les enroulements de réaction 28 et 29 forment un transformateur d'intensité avec un noyau vir- tuel torique ayant un primaire à une spire et un secondaire à deux spires, ce qui fait que le courant dans l'enroulement de réaction secondaire est approximativement égal à la moitié du courant de l'enroulement de réaction primaire. Cependant, en cas de saturation de la branche 34, ou de n'importe quelle branche pour ce qui est du point considéré ici, le circuit à faible réluctance pour le flux autour de l'ouverture est pra- tiquement interrompu. Le tore virtuel est détruit et l'action de réaction du transformateur d'intensité est sus- pendue. Les enroulements de réaction 28 et 29 sont conçus de façon à induire des tensions influençant la conduction qui soient appropriées pour la commande du transistor lorsque le flux principal change dans les branches de noyau 34 et 35. Si on suppose qu'aucune des branches n'est saturée, l'aug- mentation du flux principal induit une tension dans un pre- mier sens dans l'enroulement 28 et dans le sens opposé dans l'enroulement 29, du fait que les deux enroulements sont bobinés en sens opposé. Du fait qu'ils sont interconnectés en série, les deux tensions en opposition dues au flux principal croissant peuvent pratiquement s'annuler, en par- ticulier si l'ouverture 33 est centrée et si les branches 34, sont symétriques. Si la branche 34 se sature, aucune augmentation de tension supplémentaire n'aura lieu dans l'enroulement 28. Lorsque le flux principal augmente, il n'y aura pas de tension en opposition pour toute tension supplémentaire développée dans l'autre enroulement de réaction 29. Comme on l'expliquera, les enroulements de réaction 28 et 29 sont interconnectés avec les électrodes d'entrée du transistor de puissance 17 dans un sens tel que l'action de transformateur d'intensité qui se produit lorsque le tran- sistor conduit normalement, et avant la saturation de la branche 34, produise une réaction positive ou favorisant la conduction. Une fois que la première branche (34) s'est saturée, la réaction due à l'enroulement 29 est une réaction négative ou qui s'oppose à la conduction. Ces deux mécanis- mes sont utiles pour commander efficacement le transistor 17. Les enroulements et les éléments de circuit de 1' onduleur statique sont interconnectés de la manière sui- vante: le circuit amenant à l'onduleur le courant continu d'entrée comprend l'enroulement primaire 72 du transforma- teur, l'enroulement de commande par réaction primaire 27 et le transistor 17, en série. Le collecteur du transistor 17 est relié à la borne Vcc par l'intermédiaire des enroule- ments 72, 27 connectés en série. L'émetteur du transistor 17 est connecté à la masse. Du fait de la connexion en série, l'intensité du courant primaire dépend de l'état de conduc- tion du transistor 17. Une conduction intermittente du tran- sistor 17 entraîne une circulation intermittente du courant primaire dans l'enroulement primaire 72, une variation cor- respondante du flux dans le noyau 23 et l'induction corres- pondante d'une tension alternative dans l'enroulement secon- daire 73. La base du transistor 17 est connectée à un réseau de démarrage et de commande qui est constitué par une résis- tance 30, des diodes 19 et 20, les enroulements de réaction secondaires 28, 29, une résistance 21 et un condensateur 22. La résistance 30 est connectée entre la borne Vcc et la base du transistor 17. La base du transistor est également connec- tée à la cathode de la diode 19 dont l'anode est connectée à la cathode de la diode 20. L'anode de la diode 20 est connec- tée à la masse. La résistance 21, l'enroulement secondaire 28 et l'enroulement secondaire 29 sont connectés en série dans l'ordre indiqué entre la cathode et l'anode de la diode 19. Le condensateur 22 est connecté en parallèle sur la diode 20. On peut considérer que le circuit de démarrage du transistor comprend essentiellement la résistance 30 et accessoirement les diodes 19 et 20 associées à la base du transistor 17. La résistance 30 a une valeur élevée (270.kS4 qui est choisie de façon à permettre la circulation d'un courant de 0,5 mA de la borne Vcc vers le circuit de base. Le courant circule initialement vers le condensateur 22. Lorsque le condensateur 22 est chargé jusqu'au potentiel de conduction en sens direct de la jonction base-émetteur, le courant cesse de circuler dans le condensateur et il commen- ce à circuler vers la base. Toute dérivation ultérieure de courant par rapport à la base pendant le démarrage est inter- dite par la diode 20 qui est polarisée de façon à s'opposer à la circulation du courant continu dans cette direction, et par le condensateur 22 qui interdit la circulation du cou- rant continu lorsqu'il est chargé. Le point de fonctionnement du transistor 17, et plus particulièrement son potentiel base-émetteur, sont fixés par le condensateur 22 qui fonctionne en association avec la diode 20. Après le démarrage, et en fonctionnement normal, la jonction collecteur-base du transistor 17 prend une polarisation en sens direct pendant les excursions néga- tives cycliques de la tension primaire du transformateur. Dans ces conditions, les diodes 19 et 20 absorbent un cou- rant provenant de la masse, ce qui charge négativement par rapport à la masse la borne du condensateur 22 qui n'est pas connectée à la masse. Le condensateur a une capacité suffisante pour maintenir cette charge de cycle en cycle et il applique approximativement une polarisation continue de -0,7 V à la base du transistor 17. Cette polarisation néga- tive assure De blocage du transistor pendant le retour aux conditions initiales, mais elle est souvent facultative. Des moyens passifs destinés à protéger le transis- tor 17 contre la pointe de tension élevée susceptible d'appa- raitre comprennent la diode 74 en série avec l'enroulement démagnétisant 71, ce dernier étant en couplage serré avec l'enroulement primaire 72. Le condensateur 1 est un condensateur de stockage qui est branché aux bornes de la diode 74 et qui fournit une impulsion de courant destinée à faire passer l'élément de commutation à transistor à l'état conducteur, pour assu- rer ainsi le fonctionnement de l'oscillateur en mode libre. Conformément à l'invention, le transformateur 18 comporte un enroulement de réaction supplémentaire 7 qui est branché en série avec l'enroulement démagnétisant 71 et qui passe à travers l'ouverture 33 du noyau, comme le montre la figure 2. Les buts de l'enroulement supplémentaire 7 et ses avantages sont expliqués ci-après de façon plus détaillée. Le convertisseur de la figure 1 passe par quatre phases au cours d'un cycle de fonctionnement oscillatoire normal. Les caractéristiques qui identifient ces phases sont représentées par les trois signaux de la figure 3, auxquels on se référera au fur et à mesure de l'avancement de l'ex- plication. Le début de l'oscillation présente une singularité dans la mesure o l'énergie n'est pas répartie dans les élé- ments de stockage d'énergie, et l'oscillation commence par l'établissement progressif de la conduction normale dans le transistor 17. Ceci correspond très étroitement à la phase II. Pendant la conduction normale du transistor (la jonction d'entrée est polarisée en sens direct et la tension collecteur-émetteur est suffisamment basse pour entratner la "saturation" et un gain-en courant réduit, mais le sens de la circulation du courant de collecteur est normal), corres- pondant à la phase II, le courant primaire de l'onduleur cir- cule en série par l'enroulement de transformateur 72, en sortant par la borne non marquée d'un point (voir la figure 1), et par l'enroulement de commande par réaction 27, en se dirigeant vers l'électrode de collecteur. Comme le montre la figure 2, en supposant que la circulation d'un courant dans l'enroulement primaire 72 génère un flux magnétisant primai- re en sens d'horloge dans le noyau 23 (lorsqu'on regarde la face avant du noyau), l'enroulement de commande par réaction primaire 27 qui passe dans l'ouverture 33 génère un flux en sens inverse d'horloge autour de l'ouverture 33 (lorsqu'on regarde la branche supérieure du noyau en se plaçant au-dessus d'elle). Le flux principal et le flux de commande s'additionnent dans la branche 34 du côté avant de l'ouver- ture 33 et se soustraient dans la branche 35, du côté arrière de l'ouverture, ce qui produit un flux élevé dans la branche 34 et un flux faible dans la branche 35. Comme indiqué pré- cédemment, l'enroulement secondaire 28 est placé en couplage autour de la branche 34 tandis que l'enroulement secondaire 29 est placé-en couplage autour de la branche 35. En ce qui concerne le flux principal, les tensions induites dans les enroulements 28 et 29 se soustraient et s'annulent pratique- ment mutuellement, pour donner une action résultante négli- geable. En ce qui concerne le flux de commande, les tensions induites s'additionnent et produisent l'action de réaction positive du transformateur d'intensité décrite précédemment. Pendant la durée au cours de laquelle le courant de collec- teur augmente tandis que la branche 34 n'est toujours pas saturée, un courant de réaction positive notable est appli- qué à l'électrode de base du transistor 17. Le mécanisme con- siste essentiellement en une action de transformateur d'in- tensité avec une charge à faible impédance sur l'enroulement 28, par rapport à l'impédance de source. L'enroulement de réaction secondaire 28 est branché en série avec l'enroule- ment de réaction secondaire 29 et le condensateur 22, shunté par la diode 20, entre la base et l'émetteur du tran- sistor 17. Pendant la phase II, les deux enroulements 28 et 29 sont actifs et le condensateur et la diode 20 établissent un circuit à basse impédance vers l'émetteur, pour le cou- rant qui est induit dans les enroulements 28 et 29. La pola- rité des enroulements est choisie de façon à augmenter-le courant de base lorsque le courant de collecteur augmente, ce qui produit une augmentation pratiquement linéaire du courant de collecteur. L'effet présente une réaction positive et le transistor conduit le courant primaire demandé par l'inductance du transformateur et la tension appliquée. Lorsque le flux augmente dans la branche 34, cette branche se sature et le courant de.réaction positive cesse. La cessation de la réaction positive dans l'enrou- lement 28 déclenche la phase III, à la fin de laquelle la conduction du transistor se termine. Sous l'influence de la tension appliquée, de l'inductance et de la présence d'une charge emmagasinée, le courant de collecteur continue à aug- menter au-delà de la saturation de la première branche, même après la fin de l'attaque par réaction positive. Lorsque la saturation de la branche 34 a eu lieu, le flux correspondant à l'augmentation du flux principal doit circuler dans la seconde branche 35 et une tension de réaction est induite dans l'enroulement 29 (sans opposition de la part de la ten- sion induite dans l'enroulement 28). L'enroulement 29 est connecté en série avec l'électrode de base dans un sens qui diminue le courant de base, afin de réduire la conduction correspondant au courant de collecteur et de réaliser un effet de réaction négative. Ces conditions produisent une transformation de tension entre les enroulements 72 et 27, faisant fonction de primaire, et l'enroulement 29 faisant fonction de secondaire. La saturation de la branche 34 empêche la circulation du flux autour de l'ouverture 33 et augmente la réluctance opposée au flux que crée l'enroule- ment 27. On peut normalement négliger l'effet du flux dû à l'enroulement 27, du fait que cet enroulement comporte proportionnellement peu de spires par rapport à l'enroule- ment primaire 72. Dans le cas idéal, le flux provenant de l'enroulement 27 s'additionne au flux principal dans la branche non saturée et il augmente d'une unité le nombre effectif de spires. L'enroulement 28 est toujours connecté en série avec l'enroulement 29, mais si on suppose que la branche 34 est totalement saturée, aucune tension supplémen- taire n'est induite dans l'enroulement 28, et ce dernier fait fonction de connexion à basse impédance qui applique au circuit de base du transistor 17 la tension induite dans l'enroulement 29. Lorsque l'action de transformateur de tension a lieu, la valeur de la tension de réaction négati- ve appliquée peut être commandée au moyen de la résistance 21, de faible valeur, connectée en série. Sous l'influence de l'enroulement de réaction secondaire 29, la tension d'attaque de base polarise la jonction d'entrée en sens inverse. Une fois que la charge emmagasinée a été dissipée, la conduction classique du transistor cesse. La résistance 21 détermine la rapidité du blocage. Lorsque le transistor 17 est bloqué, la phase IV, ou phase de retour aux conditions initiales du cycle,com- mence. A l'instant o le transistor 17 se bloque, le champ établi par l'enroulement 72 diminue fortement dans l'enrou- lement 71, ce qui porte la borne non marquée d'un point à un potentiel plus positif que la source de courant continu et permet de renvoyer de l'énergie vers la borne Vcc, par la diode 74 et le condensateur 1. Pendant que ce transfert d'énergie a lieu, le transistor 17 est effectivement mainte- nu dans l'état bloqué par le courant inverse qui est induit dans les enroulements de réaction 28 et 29 par le courant qui circule dans l'enroulement de commande par réaction 7. Lorsque ce champ a été réduit pratiquement à zéro, la charge emmagasinée qui est accumulée dans la diode 74 et est cou- plée à la charge présente dans le condensateur 1, s'égalise en se déchargeant par l'enroulement 71 et l'enroulement de réaction 7. Ce courant de décharge dans l'enroulement 7, qui marque le début de la phase I, applique une réaction positi- ve au transistor 17 par l'enroulement 28. Finalement, ce courant de réaction déclenche la conduction du transistor, ce qui marque le début de la phase II. La présence de l'enroulement de réaction 7, de la manière décrite, améliore le blocage et le redéclenchement de l'élément de commutation à transistor 17. En outre, l'onduleur perfectionné produit une tension de haute fréquen- ce ayant une amplitude de crête pratiquement constante et, de plus, il évite une tension excessive à la mise sous tension. L'onduleur décrit convient à l'utilisation dans des circuits destinés à l'amorçage et au réamorçage de lam- pes à décharge dans un gaz, REVENDICATIONS 1. Onduleur statique caractérisé en ce qu'il com- prend: (A) des bornes d'entrée (Vcc) assurant la connexion à une source de courant continu; (B) des moyens inductifs comprenant: (1) un noyau (23) en matière magnétique prati- quement linéaire présentant un circuit magnétique principal fermé et comportant une petite ouverture (33) dans un seg- ment de ce circuit qui divise la-section transversale du circuit magnétique principal en deux branches (34, 35) et crée un circuit de flux fermé à faible réluctance, (2) un enroulement de puissance primaire (72) qui entoure la tota- lité de la section du noyau de façon à générer un flux qui circule dans le circuit magnétique principal, (3) un second enroulement de puissance (71) qui entoure la totalité de la section du noyau et qui est branché aux bornes de la source cicourant continu, (4) une diode (74) qui est branchée en série entre le second enroulement de puissance et la source i courant continu, et (5) un enroulement de commande par réaction (7), en série avec le second enroulement de puis- sance, qui entoure l'une des branches de façon à générer un flux dans le circuit fermé à faible réluctance, ce flux ayant la même direction que le flux principal dans une pre- mière des branches et une direction opposée dans la seconde branche; et (C) un élément de commutation commandé (17) qui comporte une électrode de commande, une électrode commu- ne et une électrode de sortie, de façon à déterminer une alimentation intermittente des moyens inductifs à partir de la source à courant continu,,cet élément de commutation commandé étant branché en série avec l'enroulement de puis- sance primaire, grâce à quoi l'enroulement de commande par réaction (7) assure le blocage et le redéclenchement de l'élément de commutation commandé. 2. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un condensateur (1) est branché en parallèle sur la diode (74) pour emmagasiner de l'énergie afin de déclencher de façon cyclique la conduction de l'élément de commutation commandé. 3. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement de commande par réaction ( 7) est connecté entre le second enroulement de puissance (71) et l'une des bornes d'entrée. 4. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un second enroulement de commande-pax' réaction (27) qui entoure la première branche, un troisième enroulement de réaction (28) qui entoure la première bran- che, et un quatrième enroulement de réaction (29) qui entoure la seconde branche; et l'enroulement de puissance primaire (72), le second enroulement de réaction (27) et l'élément de commutation commandé (17) sont connectés en série entre les bornes d'entrée, tandis que le troisième enroulement de réaction (28) et le quatrième enroulement de réaction (29) sont connectés en série entre l'électrode de commande et l'électrode commune. 5. Onduleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enroulement de commande par réaction mentionné en premier (7) est disposé dans l'ouverture (33) de façon qu'un courant direct qui circule dans la diode (74) et l'enroulement de commande par réaction mentionné en premier (7) induis dans les troisième et quatrième enroulements de réaction (28, 29) un courant qui tende à bloquer l'élément de commutation commandé (17), et qu'un courant inverse qui circule dans la diode et l'enroulement de commande par réaction mentionné en premier déclenche le passage à l'état de conduction de l'élément de commutation commandé. 6. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second enroulement de puissance (71) est en couplage magnétique serré avec l'enroulement de puissance primaire.