Brevet FR2488752A1 — publié le 19820219

La présente invention se rapporte, d'une manière générale, aux régulateurs d'alimentations électriques et concerne plus par- ticulièrement un convertisseur statique à transformateurs jumelés, pour stabiliser des tensions continues. Une tension de sortie continue a souvent besoin d'être sta- bilisée ou "régulée" du fait qu'elle est soumise à des surtensions et à des sous-tensions transitoires relativement importantes. En conséquence, des montages ont été conçus pour convertir une tension d'entrée continue non stabilisée en une tension de sortie continue stabilisée, tout en assurant un isolement électrique entre l'entrée et la sortie. Ces montages, qui sont universellement connus, comprennent les convertisseurs push-pull, les survolteurs- dévolteurs et les convertisseurs en pont. Toutefois, les montages de la technique antérieure présentent plusieurs inconvénients. En général, les grandes excursions de la tension d'entrée dévelop- pent de fortes contraintes de tension et de courant dans les semiconducteurs utilisés dans les circuits du régulateur. De plus, des condensateurs de filtrage utilisés dans ces montages de régu- lation sont soumis à de forts courants. Jusqu'à présent, on s'est efforcé de résoudre ce problème de deux manières: la première a consisté à utilser des semiconducteurs coûteux ou bien, dans cer- tains cas, des semiconducteurs branchés en parallèle. La seconde voie consiste à soumettre l'énergie d'entrée à un préconditionne- ment, ce qui a pour effet d'augmenter le coût et la complexité du montage, tout en diminuant son rendement. La présente invention se propose de procurer un convertisseur statique à transformateurs jumelés qui pallie la plupart des dif- ficultés rencontrées jusqu'à présent. Il comprend un circuit de commande produisant une onde rectangulaire modulée en largeur d'impulsions dont le cycle actif est fonction de la tension de sortie. Cette onde rectangulaire est appliquée à des transistors de commutation de puissance qui opèrent avec un déphasage mutuel de 1800. En filtrant la tension de sortie de ces commutateurs de puissance, on obtient une tension de sortie continue stabilisée. Comme cela est expliqué plus loin, en utilisant des transfor- mateurs jumelés, on réduit considérablement la composante ondulée du courant de sortie. De plus, on diminue très sensiblement les contraintes de tension et de courant des semiconducteurs utilisés dans le montage, comparativement aux régulateurs traditionnels. Les techniques de régulation connues produisent des courants on- dulés qui exigent l'utilisation de filtres de dimensions exces- sives. Le présent montage réduit le courant ondulé à 1/3 du courant de charge et, par conséquent, réduit la nécessité du filtrage à 1/3. De plus, l'utilisation de transformateurs jumelés constitue un moyen simple et efficace pour mettre en parallèle les transistors de commutation et les redresseurs de sortie, réduisant ainsi les contraintes électriques de ceux-ci. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est le schéma par blocs de base d'un montage con- forme à la présente invention; la figure 2 est un schéma de principe de ce montage sur le- quel le circuit de commande à modulations de largeur d'impulsions a été représenté sous la forme d'un bloc; la figure 3 illustre plus en détail le circuit de commande à modulations de largeur d'impulsions; et, la figure 4 est un organigramme chronologique montrant les signaux qui apparaissent en divers points du convertisseur de l'invention; La figure 1 représente le schéma par blocs de base d'un con- vertisseur électronique conforme à la présente invention. Un circuit de commande à modulation de largeur d'impulsions 16, ci-après dési- gné par circuit de commande PWM, fournit une onde rectangulaire dont les impulsions sont modulées en largeur et dont le cycle actif est fonction d'une tension de sortie prélevée sur une borne 12. Un transformateur 18 assure un couplage entre le circuit de commande PWM 16 et des commutateurs de puissance 20 auxquels est appliquée une tension d'entrée continue non stabilisée, comme indiqué en 10. La tension de sortie des commutateurs de puissance 20 est appliquée à un filtre 22 qui assure la stabilisation finale de la tension continue. Un circuit de contre-réaction est réalisé entre la borne de sortie 12 et le circuit de commande PWM 16 par un conducteur 14. La figure 2 représente plus en détail le montage de ce convertisseur. On voit que le circuit de commande PWM 16, mentionné brièvement en regard de la figure 1, comprend une borne d'entrée 24 reliée à une source d'alimentation B+. Une ligne de détection de - - 2488752 courant 26 fournit une entrée supplémentaire au circuit de comman- de et détecte le courant de sortie du convertisseur, comme cela est expliqué plus loin. De même, un conducteur 27 est prévu pour appliquer une autre tension d'entrée au circuit de commande 16 et sert à mesurer la tension à la sortie du convertisseur. Une branche de retour commune entre le circuit de commande 16-et la sortie du convertisseur est constituée par un conducteur 28. L'enroulement primaire du transformateur 18 est connecté à et la sortie du circuit de commande 16Tcomprend des bornes supérieure 30 et inférieure 34, ainsi qu'une prise médiane 32. L'enroulement secondaire du transformateur 18 comprend également des bornes supérieure 36 et inférieure 48, ainsi qu'une prise médiane 42 qui est connectée au potentiel de retour de la tension d'entrée par un conducteur 43. La tension rectangulaire modulée en largeur d'impulsions en provenance du circuit de commande PWM 16 est trans- mise par le transformateur 18 à un commutateur de puissance compre- nant des transistors 40 et 46 montés en émetteur commun. Les émet- teurs 45 et 44 des transistors 40 et 46 sont connectés à la prise médiane 42 du transformateur 18, laquelle est reliée au potentiel de retour de la tension d'entrée. La base 38 du transistor 40 est connectée à la borne supérieure 36 du secondaire du transformateur 18, tandis que la base 50 du transistor 46 est reliée à la borne inférieure 48 de ce secondaire, complétant ainsi le circuit d'en- trée des transistors de commutation. Les sorties des transistors de puissance 40 et 46 sont reliées aux enroulements primaires de deux transformateurs jumelés 56 et 57. Plus précisément, le col- lecteur 52 du transistor 40 est relié à la borne supérieure de l'enroulement primaire 54 du transformateur 56, tandis que la borne inférieure 59 de l'enroulement primaire 54 est connectée au potentiel positif de la tension d'entrée par un conducteur 60. La tension d'entrée est stabilisée par un condensateur 64 branché entre les bornes d'entrée. Il est à remarquer que la borne infé- rieure de l'enroulement primaire 54 du transformateur 56 est direc- tement reliée à la borne supérieure de l'enroulement primaire 61 du transformateur 57, de sorte que le potentiel positif mentionné plus haut est également appliqué à la borne supérieure de l'en- roulement primaire 61. Le collecteur du transistor 46 est connecté à la borne inférieure de l'enroulement primaire 61 par un conduc- teur 58. En fonctionnement, les ondes rectangulaires modulées en largeur d'impulsions du transformateur 18 sont appliquées aux transistors de commutation 40 et 46 qui opèrent comme des commu- tateurs saturés déphasés mutuellement de 180 . Plus précisément, pendant que le transistor 40 est conducteur, un courant s'accu- mule dans le transformateur 56 et, quand la conduction du transis- tor 40 cesse, le transistor 46 devient conducteur et opère avec un déphasage de 1800 par rapport au transistor 40. La borne supé- rieure de l'enroulement secondaire 66 du transformateur 56 est connectée à l'anode d'une diode 68, tandis que la borne inférieure de l'enroulement secondaire 72 du transformateur 57 est connectée à l'anode d'une autre diode 74. Les cathodes des deux diodes 68 et 74 sont reliées ensemble à un conducteur 76. Quand le transistor est conducteur, la diode 68 est polarisée en inverse. Quand le transistor 40 cesse d'être conducteur, la diode 68 est polarisée en direct et un courant de charge circule jusqu'à ce que le tran- sistor 40 soit à nouveau conducteur. Le fonctionnement de la diode 74 utilise de même l'action de commutation du transistor 46 et le couplage par le transformateur 57. Toutefois, la diode 74 opère avec un déphasage de 1800 par rapport à la diode 68. La cathode de la diode 68 est connectée, par le conducteur 76, à la borne de sortie positive 77. La jonction 70 entre la borne inférieure de l'enroulement secondaire 66 du transformateur 56 et la borne supérieure du secondaire 72 du transformateur 57 est reliée à la borne de sortie 28. Pour détecter le courant cir- culant dans le circuit de sortie du convertisseur, une résistance 80 est branchée entre la borne de sortie commune 28 et la jonc- tion 70 des secondaires des transformateurs 56 et 57. La ligne de détection de courant 26 mentionnée plus haut remplit sa fonction de détection de courant en contrôlant la faible tension apparaissant aux bornes de la résistance 80, constituant ainsi une protection contre les surintensités. Des condensateurs 82 et 84, branchés en dérivation entre les bornes de sortie, assurent le filtrage de la tension de sortie en fournissant ainsi une tension de sortie bien stabilisée. En se référant maintenant à la figure 3, on voit que le circuit de commande PWM 16 comprend un amplificateur opérationnel 86 qui remplit les fonctions d'amplificateur de tension d'erreur. Une première entrée de l'amplificateur 86 est reliée à un conduc- teur 88 aboutissant à la borne d'alimentation B+ 24 à travers une reàstance 90. Le potentiel négatif de la tension de sortie est appliqué, par le conducteur 28, en parallèle à l'entrée 88 de l'amplificateur 86 à travers une diode Zener 94. La seconde en- trée 96 de l'amplificateur 86 reçoit le potentiel positif de la tension de sortie par le conducteur 77. A la sortie 98 de l'am- plificateur 86, on obtient un signal d'erreur représentatif de la différence entre la tension de référence B+ et la tension de sortie. Un second amplificateur opérationnel 100, qui remplit les fonctions d'amplificateur du courant d'erreur, a une première en- trée connectée par un conducteur 104 à la borne commune 28 de la tension de sortie, tandis que sa seconde entrée reçoit par le conducteur 26, un signal représentatif du courant de sortie cir- culant dans la résistance 80 (figure 2), de sorte que l'amplifi- cateur 100 constitue un dis ositif de détection de courant assu- rant une protection contreT urintensités. La sortie de l'amplifi- 100 est connectée, par un conducteur 102, à une jonction 106 re- liée à la sortie de l'amplificateur 86 et qui, de son côté, est connectée à une première entrée 108 d'un comparateur 110. Le comparateur 110 est un amplificateur opérationnel à gain élevé. Pour bien comprendre la nature des signaux appliqués à la seconde entrée 115 du comparateur 110, il convient de mentionner un oscil- lateur 112 qui engendre des signaux d'horloge appliqués à un intégrateur 114, à la sortie duquel apparaissent des signaux tri- angulaires, comme représenté. La résultante de la superposition de la tension continue appliquée à l'entrée du comparateur 110 et des signaux triangulaires appliqués à celui-ci, a été repré- sentée près du conducteur 126 relié à la sortie du comparateur 110. Un signal modulé en largeur d'impulsions apparaît comme représenté, le long du conducteur 126-; les points d'intersection du zéro de ce signal correspondent aux points d'intersections entre les signaux triangulaires et continus. Le signal modulé en largeur d'impulsions du conducteur 126 est appliqué en parallèle à deux portes NAND 120 et 124. Un conducteur 118 applique un se- cond signal d'entrée à la porte NAND 120 à partir de la sortie d'une bascule 117, tandis qu'un signal complémentaire 122 prove- nant de la bascule 117 est appliqué à une seconde entrée de la porte NAND 124. La fonction de la bascule 117 est de conditionner des portes 120 et 124 en synchronisme avec les impulsions d'hor- loge appliquées à l'entrée de la bascule 117 et qui apparaissent le long du conducteur de sortie 116 de l'oscillateur. Les portes et 124 sont activées avec un déphasage mutuel de 1800. Ce déphasage de la conduction est transféré par les bornes de sortie respectives 128 et 129 aux bornes supérieure et inférieure 30 et 34 de l'enroulement primaire du transformateur 18. Une tension de référence, à savoir B+, est appliquée à la prise médiane 32 de l'enroulement primaire du transformateur 18 à travers un semiconduc- teur 130. Les impulsions modulées en largeur apparaissant dans l'enroulement primaire du transformateur 18 sont ensuite transmises aux autres circuits du convertisseur, comme cela a été expliqué plus haut en regard de la figure 2. La figure 4 est un diagramme chronologique illustrant l'al- lure des signaux apparaissant en divers points du montage ci-des- sus. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'exemple de réalisation représenté et décrit, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Convertisseur statique pour produire une tension de sor- tie continue régulée ou stabilisée, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de génération (16) dont l'entrée est reliée à la sortie du convertisseur, afin d'engendrer un signal pulsé ayant un cycle actif qui est fonction de la tension de sortie; des moyens de commutation de puissance (20) polarisés par une tension d'entrée continue non stabilisée (10); des moyens (18) reliant une sortie des moyens de génération à une entrée des moyens de commutation de puissance (20), afin de commander ces derniers; et, des moyens (22) pour filtrer la tension de sortie des moyens de commutation (20), afin de produire une tension de sortie stabilisée. 2. Convertisseur statique selon la revendication 1, caracté- risé en ce que lesdits moyens de génération (16) comprennent un générateur d'onde triangulaire (114) et des moyens (110) pour comparer l'amplitude de cette onde triangulaire avec l'amplitude de la tension de sortie et pour produire une onde rectangulaire en tant que résultat. 3. Convertisseur statique selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens de commutation de puissance comprennent deux transistors (40, 46) ayant des entrées (38, 50) et des sor- ties (52, 58); des premier et second enroulements primaires (54, 61) de transformateurs (56,57) ayant une borne commune (59) et dont les extrémités libres sont respectivement connectées aux sorties (52, 58) des transistors (40, 46); des moyens (60) pour appliquer la tension d'entrée continue non stabilisée à la borne commune (5.9)-des enroulements, les enroulements secondaires (66,72) des deux transformateurs (56, 57) ayant une borne commune (70) et, des moyens de redressement (68, 74) en circuit avec les extré- mités libres des enroulements secondaires (66, 72). 4. Convertisseur statique selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les moyens de commutation de puissance comprennent deux transistors (40, 46) ayant chacun des premières et des se- condes bornes de sortie (44, 45; 52, 58); des moyens interconnectant les premières bornes de sortie (44, 45) des transistors (40, 46); des premier et second enroulements primaires de transforma- teur (54, 61) ayant chacun des premières et des secondes bornes (54, 58, 59); des moyens reliant les premières bornes (59) des enroulements primaires; des moyens (52, 58) reliant chacune des secondes bornes (54, 58) des enroulements primaires à une seconde borne de sortie respective des transistors (40, 46); des moyens (60) reliant la tension d'entrée continue non stabilisée aux premières bornes connectées (59) des enroulements; des premiers et des seconds enroulements secondaires (66,72) ayant chacun des premières bornes (70) et des secondes bornes des moyens interconnectant les premières bornes (70) de chacun des enroulements secondaires (66, 72); et, un certain nombre de redresseurs (68, 74) dont chacun est relié à une seconde borne respective des enroulements secondaires (66, 72). 5. Convertisseur statique selon la revendication 3, caracté- risé en ce que les moyens de filtrage (82, 84) sont connectés aux sorties des moyens de redressement (68, 74). 6. Convertisseur statique pour produire une tension de sortie continue régulée ou stabilisée et comportant des moyens de commuta- tion de puissance (20) polarisés par une tension d'entrée non sta- bilisée (10| caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de comman- de(16) dont l'une des entrées est reliée à la tension de sortie et dont la sortie est relié aux moyens de commutation de puissance (20), afin de rendre ces derniers conducteurs, lesdits moyens de commande comprenant des moyens d'amplification-(86, 100) dont les entrées (88, 96) sont respectivement connectées à une tension de référence (B+) et à la tension de sortie, engendrant ainsi un ni- veau continu qui est fonction de la tension de sortie; des moyens pour générer un signal triangulaire (112, 114); et des moyens de comparaison (110) dont les entrées respectives sont connectées à la sortie des moyens d'amplification et à la sortie des moyens de génération, afn de produire un signal modulé en largeur d'impul- sions ayant un cycle actif qui est fonction de la tension de sortie. 7. Convertisseur statique selon la revendication 6, caracté- risé en ce qu'il comprend des portes (120, 124) dont les entrées respectives (118, 122) sont connectées à des moyens (117) pour synchroniser le signal modulé en largeur d'impulsions avec un signal d'horloge. 8. Convertisseur statique selon la revendication 7, caracté- risé en ce qu'il comprend des moyens de transformation (18) connec- tés à la sortie des portes, afin de coupler le signal modulé en largeur d'impulsions au moyen de commutations (40, 46). 9. Convertisseur statique selon la revendication 8, caracté- risé en ce qu'il comprend des moyens de transformation (56,57) connectés à une sortie des moyens de commutation de puissance (40, 46) pour transmettre les signaux de ces moyens de commutation à des moyens (68,74) pour redresser lesdits signaux. 10. Convertisseur statique selon la revendication 9, caracté- risé en ce qu'il comprend des moyens (80) connectés entre une sortie des moyens de redressement (68, 74) et des moyens de com- paraison (110) pour détecter le courant circulant dans ceux-ci qui dépasse un niveau prédéterminé et pour protéger le circuit de commande (16) des dommages dûs à des surintensités.