Brevet FR2497421A1 — publié le 19820702

CIRCUIT REGULATEUR A DECOUPAGE NON INVERSEUR DE TENSION La présente invention concerne un circuit régulateur à découpage non inverseur de tension et qui peut jouer le rôle d'abaisseur ou d'élévateur de tension. Pour effectuer une transformation conLinue/continue il est connu de procéder par découpage du courant dans une inductance, ou par découpage du courant dans le primaire d'un transformateur. L)n s'intéresse ici à la première catégorie de ces circuits qui peuvent se présenter sous trois formes différentes: montage convertisseur direct (abaisseur) et montages convertisseurs à accumulation (élévateur, inverseur de polarité). Ces montages constituent trois circuits de base respectivement abaisseur, élévateur et inverseur, et qui utilisent les mêmes composants à savoir une inductance, un commutateur qui peut être constitué par un transistor, une diode d'arrêt et une capacité réservoir en sortie. L'énergie est emmagasinée dans l'inductance et dans la capacité de sortie.Un circuit de commande contrôle les variations de la tension de sortie en fonction des variations de la tension d'entrée et des besoins de la charge et élabore un signal de commande du commutateur pour modifier le cycle de découpage de manière à stabiliser la tension de sortie. Le rapport entre le temps de fermeture du commutateur et la période de découpage est égal au facteur de forme qui par définition peut varier de O à 1. Le but de l'invention est de réaliser un circuit régulateur à découpage non inverseur qui accepte une tension d'entrée qui peut être plus faible, égale ou supérieure à la tension de sortie régulée, alors que la tension minimale d'entrée envisageable doit être plus élevée que celle prévue en sortie dans le cas d'un circuit abaisseur et que la tension maximale d'entrée envisageable doit être plus faible que celle prévue en sortie dans la cas d'un circuit élévateur. Suivant un objet de Minvention en @@lles um @@@it @égulateur par la conexion en série de deux circule on bans un circuit élévateur suivi d'un mirsud absisseur et par @@@ ande en 3) prbronisone des comm@@iseurs équipanis @@ circu@@ Suivant un a@@re mode préféremdiai es re@@@@ le circuit réguloreur non inverseur el formé par un @@@et @@@@ précédé d'un circuit composé d'un commulateur en sér's avec une élede conneciéc entre les lornes recevant la lension @@@irés, la diode élent conneutés par ailieurs aux bornes d'entrse du @@@ élévateur en aval, les deux circuits cormuteleurs étant également commandés en synchronisme. Les particularités de l'Invention apparaîtrol dant $également comtion qui suit donnee à titre d'exemple non limitatif, a l'aide des figures anexées qui représentent.: Fig l. un premier mode de réalisation d'un circuit régulateur conforme à la présente invention Fig 2, un deuxième mode constituant 52 ande préféré de réalisation d'un circuit régulateur selon l'invention ; et - Fig. 3, un disgramme relatif aux circuit de connmende des commutateurs. Le circuit régulateur à découpage non inverseur de tension de la Fig. 1 est constitué de deux circuits convertisseurs de base connectés en cascade, un circuls élévateur de tendon 1 suivi d'un circuit abaisseur de isodon 2, l'ersemble ayant le propriété d'accepter une tension d'enirée E intérieue, égale ou superieure à la tension de sortie Urégulée prévue pour l'exploitation. Les commutateurs 51 et 52 ent commandés simultanément à l'ouverture et à la fermeiure par un circuit de commande 3 qui agit sur les paramètres de découpage pour maintenir constante la tension de sortie U en fonction des besolas de la charge RC raccordée en sortie et en fonction des variations de la tension d'alimentation E. Cette dernière est élaborée par une alimentation annexe SC connectée à l'entrée el. I'on conslobrera à priori la tension E est continue. La tension continue intermédiaire U1 est procurée par le circuit élévateur 1 et sa valeur et supérieure à la tension d'entrée E. La tension continue régulée U en sortie procurée par le circuit abaisseur 2 est inférieure à la valeur intermédiaire U1. Le fonctionnement de chacun de ces circuits de base 1 eL 2 est rappelé ci-après. Dans le circuit régulateur à découpage 1 lorsque le commutateur S1 se ferme, la tension VS1 à ses bornes Lombe pratiquement à zéro et; la différence de tension E - VSI apparaît aux bornes de l'inductance L1 entraînant un courant croissant IL1 dans cet élément. Comme la tension VS1 est inférieure à la tension de sortie U1, la diode D1 se trouve polarisée en inverse et le courant ne peut circuler vers la sortie c'est-à-dire vers le circuit 2. Lorsque le commutateur S1 s'ouvre à nouveau, le courant IL1 dans l'inductance L1 ne pouvant changer instantanément, la tension VS1 devient égale à la somme de la tension de sortie U1 et de celle VD1 aux bornes de la diode D1 dans le sens passant.Le courant peut maintenant circuler vers la sortie et vers le condensateur C1. Ce courant décroît suivant une loi qui peut être assimilée à une variation linéaire avec une pente sensiblement égale à (U1 + VDI - E)/L1, pour des éléments L1 et C1 choisis de valeur suffisamment élevée. La durée et la période des impulsions de découpage IT émises par le circuit de commande 3, sont réglées en sorte que le courant moyen circulant dans la diode D1 est égal au courant de sortie IS1. Le facteur de forme du montage a pour expression: tl = U1 + UDI - E U1 + VD1 - VS1 Dans le circuit abaisseur 2 lorsque le commutateur 52 se ferme, la tension aux bornes de la diode D2 monte vers la valeur d'entrée U1 diminuée de la chute VS2 dans le commutateur 52. La diode D2 se bloque et la différence de tension U1- VS2 - U apparaît aux bornes de l'inductance L2 donnant naissance à un courant IL2 croissant et qui circule vers la charge RC et vers la capacité C2.Si le courant instantané IL2 est inférieur au courant IS absorbé par la charge, la capacité C2 fournit le courant manquant ce qui a pour effet de faire chuter légèrement la tension de sortie U. Par contre, si le courant instantané IL2 est supérieur à IS, la capacité C2 absorbe le surplus et la tension de sortie U s'accroil. Lorsque le commutateur 52 s'ouvre, la tension aux bornes de la diode D2 change de signe et correspond à la faible valeur VD2 qu'elle présente dans le sens passant ; la diode D2 se trouve en effet débloquée et permet de refermer le circuit pour l'énergie emmagasinée dans l1inductance L2 dont le courant IL2 ne peut changer instantanément.A ne moment, la tension aux bornes de l'inductance est égale à - QU + VD2) et le courant IL2 décroît linéairement avec une pente égale à - (U + VD2)/L2 jusquà ce qu'il devienne nul ou que le commanduteur 52 23 referme et le cycle recommence. Comme prêcédement je cycle de découpage piloté par le circuit 3 est déterminé pour que le courant moyen dans l'inductance équilibre celui de sortie 15 vers la charge dans ces conditions le courant moyen de la capacités de sertie C2 est nul et la tension U reste constante.Le facteur de forme du montage a pour expression : 12 = U+VD2 ---------------- U1 - US2 + VD2 Les interrupteurs 51 et 52 étant commandés simultanément le facteurs de formes t1 et T 2 sont égaux el; en posant VD = VD1 = VD2 et VS = VS1 = VS2, on obtient les relations: t = U + VD pour le facteur de forme U + VD + E - VS et U1 = U + E pour la valeur intermédiaire Ul. Le cycle de découpage est piloté par le circuit de commande 3 en sorte que le courant moyen dans l'inductance L2 est égal au courant d'utilisation IS. En utilisant des inductances L1 et L2 de valeur élevée le régulateur présente l'intérêt de réduire le courant crête traversant Jes interrupteurs. On remarque que la tension intermédiaire est égal à E + U et le rôle de l'élévateur 1 s'avère inutile à partir du moment où la tension d'entrée E est égale ou supérieure à la tension régulée U en sortie. Pour y remédier il peut être prévu un circuit de commande complémentaire 4 qui a pour effet de maintenir ouvert l'interrupteur S1 lorsque les conditions pécitées de la tension d'entrée E se produisent. Le deuxième mode de réalisation représenté sur la Fig. 2 comporte cornme précédemment un montage élévateur 1 connecté côté sortie à la charge RC et précédé côté entrée par un circuit correspondant aux éléments d'entrée du montage abaisseur 2 de la Fig. 1 à savoir, l'interrupteur 52 et la diode D2. Ce montage comporte moins d'éléments que la version précédente et constitue une réalisation préférentielle. De même que précédemment, les commutateurs S1 et 52 sont commandés en synchronisme par le cicuit de commande 3. Lorsque les commutateurs S1 et 52 sont commandés à la fermeture, la tension intermédiaire U2 aux bornes de la diode D2- monte vers la tension d'entrée E moins la chute faible de tension V52 aux bornes du commutateur S2.Une différence de tension E - VSl - V52,VS1 étant la tension aux bornes du commutateur S1, apparaît donc aux bornes de l'inductance L1 donnant naissance à un courant IL1. Ce courant croit linéairement avec une pente égale à (E - VS1- VS2)/L1 jusqu'au moment où les interrupteurs s'ouvrent. A ce moment, comme le courant dans l'inductance ne peut changer instantanément, la tension U2 chute à VD2 (tension aux bornes de la diode D2 dans le sens passant) et la tension aux bornes de S1 monte à la valeur U + VD1 VDI tension aux bornes de la diode D1 dans le sens passant) ; les diodes D1 eL D2 sont conductrices et referment le circuit pour l'énergie emmagasinée dans l'inductance L1.Au moment de l'ouverture, la tension aux bornes de l'inductance est égale à - (U + VD1 + VD2) et le courant IL1 diminue avec une pente égale à - (U + VD1 + VD2)/L1 jusqu'à ce qu'il devienne nul, ou que les commutateurs S1 et 52 se ferment à nouveau et que le cycle recommence.La commande par le circuit 3 des commutateurs est faite en sorte que le courant moyen dans la diode D1 est égal au courant de sortie IS. Le facteur de forme a pour valeur: T= U + VD1 + VD2 ---------------------------------- U + VD1 + VD2 + t - VS1 - 152 La tension de sorte U peut étre enoisi de @@ @@@ indépendante de la tension d'antrée AE, c'est-à-dire phs prande en plus potite, sans discontinuité pour la valeur U = E. @@@@ de la tension U étant identique à celle de la tension co@@@ 5.Comme précédemment un circuit additional de con@@@ à peut être prévu pour nautaliser esetion du meniage 5 en @@@@ inrsque le tension d'enirée E est unférieura ou égale à la lamsion @ansion de sortie U. En se rapportant à la Fig. 3, le circuit de corrende 3 peut être constitué pur un circuit comparsieur d'entrée 39 dans lequel la tension de sortia U est comparée à une tension, da péférence UO slabilisès. 1 a tension d'erreur en sortie du comparieur est appliquée à un circuit intégrateur 31 suivi d'un circuit meduleteur de largeur 32 qui modifie le cycle de découpage et dont l'étage de sortie peut avanLageusement consister en un transister 33 permettant par ses sorties émetteur et collseteur de commander séparéement et simultanément les commutateurs 51 et 52 formée de transisters compiémantaires un transistor P@@ et un translstor NPN (Fig. 2).Diverses colutions peuvent étre envisagées pour la résilisation du circuit 32 selon que l'on açit sur le paramètre durge de formeture TF des commutateurs, ou sur le paramètre période de découpage T, ou sur les deux paramètres simullanément. La période T peut être fixée- par un oscillateur, ou rendue varlable par éomande d'un oscillateur contrôlé par tension. Le circuit complémentaire de commande 4 est représenté sur la fig. 3 par len éléments 40 et à3. Le circuit 40 est un filtre pour la tension E et peut consister en une cellule à résistance et capacité La sortie du filtre correspond à la yaleur moyenne de E et est appliquée au circuit 41 où elle est -additionnée à une valeur stabilisée U3. La sortie du sommateur 41 qui peut consister en un montage à résistances, est appliquée au circuit comparateur à hystérésis 42 qui reçoit la valeur U par sa seconde entrée. La sortie du comparateur attaque un commutateur 43 qui va couper le fonctionnement de l'élément 52 du circuit d'entrée 5 (Fig. 2). Le montage se rapporte au cas de la Fig. 2 où la condition satisfaite est E inférieure ou au plus égale à U (pour le montage Fig. 1 la condition est inverse).La valeur U3 est déterminée en relation avec U et avec l'hystérésis du comparateur 42 pour satisfaire à cette condition. Ainsi équipé, le circuiL régulateur selon les Figs 2 et 3 ne fonctionne qu'en élévateur ; une version correspondante selon les Figs. 1 et 3 ne fonctionnera qu'en abaisseur. On a ainsi décrit un circuit régulateur à découpage non inverseur de tension autorisant une grande souplesse d'emploi étant donné que sa tension de sortie U stabilisée peut être choisie de manière sensiblement indépendante de la valeur d'entrée E. Pour simplifier la description du fonctionnement il a été considéré de manière conventionnelle que les bobinages et condensateurs sont sans pertes, ques les commutateurs solides sont de résistance infinie à l'état bloqué et voisine de zéro à l'état passant, que la charge RC est une résistance pure, que la source SC présente une résistance interne sensiblement nulle, et que les valeurs des inductances et capacités et résistances de charge sont telles que les constantes de temps (RC.C2 eL L2.C2, Fig.1 ; ; RC.C1 et L1.C1, Fig. 2) sont Lrès grandes par rapport aux temps de conduction TF et de blocage TD TF ce qui a permis de considérer la variation du courant dans l'inductance comme linéaire. De même que pour les circuits de base, élévateur ou abaisseur, le circuit régulateur décrit permet par action sur le rapport cyclique =TF/TD d'obtenir une tension U stabilisée à partir d'une tension d'entrée E en principe quelconque, mais de valeur moyenne non nulle et avec la polarité adéquate. REVENDICATIONS 1. Circuit régulateur à découpage non inverseur ce tension, utilisant un circuit élévateur de tension ayant deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie et comportant, entre une première borne d'entrée et une première borne da sortie une indiletance (L.1) en série avec une première diode (D1), entre ses deux bornes d'entrée ladite inductance en série avec un premier commuteleur (51), antre es deux bornes -e sortie une capacité 9C1) et unr première connexion reliani sa deuxième borne d'enlrée à sa deuxième borne de sortie, un circuit de commande (3) élaborant un signal périodique de découpage pour commander cycliquement le premier commutateur en fonction des variaticns de la tension de sortie (U) du régulateur, caractérisé en ce que le circuit élévateur est connecté en série par ses deux bornes d'entrée avec un circuit (r) en amont muni égale ment de deux bornes d'entrée et de deux bernes de sortie et comportant, entre une première borne d'entrée eL une première borne de sortie un deuxième commutateur (52), entre ses deux bornes d'entrée ledit deuxième commutateur en série avec une deuxième diode (D2) ladite deuxième diode étant connectés en parallèle sur ses deux bornes de sortie et une connexion reliant sa deuxième borne d'entrée à sa deuxième borne de sortie, la tension régulée étant prelevée aux bornes de la première capacité et le circuit de commande délivrant simultanément le signal découpage aux deux commutateurs. 2. Circuit régulateur à découpage non inverseur de tension, utilisant un circuit élévateur de tension ayant deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie et comportant, entre une première borne d'entrée eL une première borne de sortie une première inductance (L1) en série avec une première diode (D1), entres ses deux bornes d'entrée ladite inductance en série avec un premier commutateur (51) entre ses deux bornes de sortie une première capacité (CI) et une première connexion reliant sa deuxième borne d'entrée à sa deuxième borne de sortie, un circuit de commande (3) élaborant un signal périodique de découpage pour commande cycliquement le premier commutateur en fonction des variations de la Lension de sortie (U) du régulateur, caractérisé en ce que le circuit élévateur est connecté en série par ses bornes de sortie à un circuit abaisseur de tension (2) muni Cgalemcnt de deux bornes d'entrée et de deux bornes de sortie et comorCanL, entre une première borne d'entrée et une première borne de sortie un deuxième commutateur (52) en série avec une deuxième inductance (L2), entre ses deux bornes d'entrée ledit deuxième commutateur en série avec une deuxième diode (D2), entre ses deux bornes de sortie une deuxième capacité (C2) eL une deuxième connexion reliant sa deuxième borne d'entrée à sa deuxième borne de sortie, la tension de sortie régulée tU) étant produite aux bornes de la deuxième capacité et le circuit de commande délivrant simultanément le signal de découpage aux deux commutateurs. 3. Circuit régulateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit complémentaire de commande (4) muni d'un circuit comparateur (42) pour comparer la tension de sortie régulée (U) avec la tension d'entrée (E) alimentant le circuit régulateur à partir d'un générateur (SC) annexe, ladite tension d'entrée étant appliquée aux bornes d'entrée du premier circuit des deux circuits connectés en cascade pour former le circuit régulateur, ladite tension de sortie étant prelevée aux bornes de sortie du deuxième circuit, la sortie du comparateur commandant un troisième commutateur (43) interposé sur la connexion de commande du commutateur du premier circuit, de manière à annuler le cas échéant l'action du premier circuit. 4.Circuit régulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de commande comporte un circuit de comparaison (31) pour comparer la tension de sortie à une tension de référence et donL la sortie est appliquée à un circuit modulaLeur de largeur (32) pour modifier le cycle de découpage, la sortie de ce dernier circuit s'effectuant par un montage transistor (33) commandant respectivement par ses sorties émetteur et collecteur les deux commuteteure du circuit régulateur, ces deux circuits éant constitués de transistors de polerité opposés, l'un PMP, l'autre NPN. 5. Circuit régulaise @@@@ la revendication J ou 4, carantérisé en ce que le @@@@ corresmentaire de commande (a)@@@@ie en sens un arr@@@@ @@@@)filtrer in @@@@ Ten@@@@ oit@@ d'audition (41) recevant par alleurs uns tem@@@ion de @@@@élérence (U1) un ercuil de @@pereison iom@@@ est @@@@@@@par un compareteur à hystérésis (42) reusvant par azilleure tensi@@ rég@@@@ et dem la sortie atique un transistor (43) aensi@@l la @@@autaieur interposé sur le conumande de comma@@@@ du premier d@@@.