Brevet FR2490036A1 — publié le 19820312

L'invention concerne les circuits onduleurs utilisant des transistors comme commutateurs pour fournir une énergie de sortie alternative à partir d'une énergie d'entrée continue. L'un des circuits onduleurs le plus couramment utilisé comporte deux transistors, l'émetteur de l'un de ces transis- tors et le collecteur de l'autre étant raccordés pour former un point de jonction, le collecteur du premier et l'émetteur du deuxième transistor étant respectivement raccordés aux bor- nes d'une source d'alimentation électrique en courant continu. Une charge (lampe, moteur, dispositif de chauffage par induc- tion, ou autre) est raccordée entre le point de jonction et la source d'alimentation. Les transistors sont alternativement rendus conducteurs à une fréquence de répétition de l'ordre de 1 kHz ou plus, sous la dépendance de courants de commande transférés alternativement sur leur électrode de base, un cou- rant alternatif traversant donc la charge à partir de la sour- ce d'alimentation. Les courants de commande peuvent être for- més à partir d'ondes rectangulaires ou d'ondes sinusoïdales, dont l'amplitude est suffisante pour amener rapidement les transistors à l'état de conduction, de sorte que ces transis- tors n'offrent pratiquement pas de résistance à la circulation du courant d'alimentation et ne consomment donc pas une éner- gie appréciable. On trouvera dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N0 4.051.426 la description du circuit onduleur qui vient d'ê- tre décrit, cette description dénonçant une caractéristique "d'emmagasinage de charge" non souhaitable des transistors qui peut amener les deux transistors du circuit à l'état conduc- teur simultanément et provoquer un court-circuit inacceptable de la source d'alimentation. La description donne une solution à ce problème par raccordement de diodes dans le circuit. L'invention a pour objectif un circuit onduleur perfec- tionné, circuit onduleur utilisant de manière constructive la caractéristique d'emmagasinage de charge des transistors. Le circuit onduleur conforme à l'invention comporte deux transistors raccordés pour transmettre alternativement, et de manière répétitive, de l'énergie électrique à une charge induc- tive, ou une charge à composant inductif. L'émetteur de l'un des transistors et le collecteur de l'autre transistor sont raccordés pour former un point de jonction, l'émetteur du deu- xième transistor et le collecteur du premier étant respective- ment raccordés aux bornes d'une source d'alimentation électri- que en courant continu. Une charge inductive, ou à composant inductif, est raccordée entre le point de jonction et la source d'alimentation. Des impulsions de blocage de courte durée sont alternativement appliquées sur les électrodes de base des transistors, et des moyens tels que des diodes sont raccordés de telle sorte que, lorsque chaque transistor se bloque, un courant de retour induit dans la charge est transféré à l'au- tre transistor pour créer une charge emmagasinée qui le rend conducteur et le maintient dans cet état jusqu'à ce qu'il re- çoive l'impulsion de blocage suivante. Il n'est donc pas né- cessaire de fournir au circuit des impulsions extérieures de commande de conduction répétitives; une seule impulsion de commande de conduction est nécessaire pour amorcer le fonc- tionnement du circuit. De préférence, la fréquence de répéti- tion des impulsions de blocage fournies à chaque transistor est suffisamment élevée pour que les charges emmagasinées dans chaque transistor ne soient pas éliminées avant le trans- fert de l'impulsion de blocage suivante; autrement dit, la fréquence de répétition des impulsions de blocage est suffi- samment élevée pour que la fin des périodes de conduction des transistors soit déterminée par les impulsions de blocage et non par l'élimination des charges emmagasinées. Dans une va- riante, on n'utilise pas les impulsions de blocage, et la fré- quence de fonctionnement du commutateur est déterminée par les temps d'élimination des charges emmagasinées. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent: - Fig. 1, le schéma d'une version recommandée de circuit conforme à l'invention; et - Fig. 2, le diagramme de certains signaux, tensions et courants dans le circuit de la figure 1 en fonctionnement. Deux transistors Ql et Q2 sont raccordés entre les bornes 11 et 12 d'une source d'alimentation électrique en courant continu qui peut être constituée par un pont redresseur double alternance fournissant environ 200 V continu, à partir d'une tension d'entrée alternative de 120 V. Sur le dessin, la bor- ne 11 est positive et la borne 12 est négative. L'émetteur 13 du transistor Ql et le collecteur 14 du transistor Q2 sont raccordés l'un à l'autre pour former un point de jonction 16. Le collecteur 17 du transistor Ql est raccordé à la borne po- sitive d'alimentation 11, et l'émetteur 18 du transistor Q2 est raccordé à la borne négative d'alimentation 12. Une charge 21 inductive ou à composant inductif, telle qu'une lampe à décharge dans un gaz, un moteur, un dispositif de chauffage inductif, etc... est raccordée entre le point de jonction 16 et la source d'alimentation, cette dernière connexion se fai- sant par deux condensateurs 22 et 23 montés en série entre les bornes d'alimentation 11 et 12, la charge 21 étant raccor- dée au point de jonction 24 des deux condensateurs. Les conden- sateurs 22 et 23 ont, de préférence, la même valeur de capaci- té, suffisamment élevée pour que leur impédance soit faible à la fréquence de fonctionnement du circuit (soit 1 kHz ou plus, par exemple). On peut donc considérer que la charge 21 est rac- cordée entre le point de jonction 16 des transistors et une prise médiane de la source d'alimentation. La charge 21 peut être constituée par un transformateur de couplage. Une diode 26 est raccordée entre la base 27 et l'émetteur 13 du transistor Qi, de manière à laisser passer un courant de polarité positive vers cette base. Une autre diode 28 est rac- cordée entre la base 29 et l'émetteur 18 du transistor Q2, de manière à laisser passer un courant de polarité négative en provenance de la base 29. Une source 31 d'impulsions de bloca- ge est raccordée aux électrodes de base 27 et 29 et fournit, à ces électrodes, alternativement et de manière répétitive, des impulsions de blocage de polarité négative, à une fréquence de l'ordre de 1 kHz ou plus, de préférence de l'ordre de 20 kHz. Une source 32 de commande de conduction est raccordée à l'une des électrodes de base, soit l'électrode 29, et fournit à cet- te électrode une impulsion de polarité positive. La source d'impulsions de blocage 31 peut être un circuit multivibrateur bistable, ou constituée par deux sources d'impulsions correc- tement synchronisées, et la source de commande de conduction 249003.6 peut être constituée par un multivibrateur monostable. Sur la figure 2, les signaux, tensions et courants du circuit de la figure 1 sont représentés en fonction des mêmes temps. Une impulsion unique positive de commande de conduction 36 est fournie par la source 32 et transférée sur la base 29 du transistor Q2 pour amorcer le fonctionnement du circuit. Les impulsions négatives de blocage répétitif 37 et 38 sont fournies par la source 31 et transférées respectivement sur les électrodes de base 27 et 29 des transistors Ql et Q2. Les deux séries d'impulsions de blocage sont déphasées de 1800 l'une par rapport à l'autre. Les deux courbes 39 et 40 repré- sentent respectivement la tension aux bornes de la charge 21 et le courant dans cette charge, la tension 39 étant une onde rectangulaire du fait que les transistors Qi et Q2 sont alter- nativement commutés, et la forme du courant 40 étant caractéris- tique d'une charge à composant inductif. Les courbes 41 et 42 représentent respectivement le courant de retour de la charge inductive et la charge emmagasinée résultante, sur la base du transistor Ql. De même, les courbes 43 et 44 représentent res- pectivement le courant de retour de la charge inductive et la charge emmagasinée résultante, sur la base du transistor Q2. Le circuit fonctionne comme suit. L'impulsion de commande de conduction 36 rend le transistor Q2 conducteur, ce qui en- traîne la circulation d'un courant 40 dans la charge 21, par l'intermédiaire du condensateur 22. Après disparition de l'im- - pulsion de commande 36, et dès qu'apparait la première impul- sion de blocage 38 sur la base 29 du transistor Q2, ce transis- tor est bloqué et le courant cesse de circuler dans la charge 21; mais l'énergie emmagasinée dans le composant inductif de la charge crée une tension de retour qui se traduit par un cou- rant 41 de polarité positive qui circule vers la base 27 du transistor Ql par l'intermédiaire dé la diode 26. Le transis- tor Ql est donc rendu conducteur. A ce moment, Ql fonctionne comme un transistor inversé, la jonction base-collecteur deve- nant l'émetteur et la jonction base-émetteur devenant le col- lecteur. Une charge 42 est emmagasinée dans Qi pendant cette période. Lorsque l'énergie inductive s'est dissipée, la char- ge emmagasinée maintient le transistor Ql à l'état de conduc- tion, le courant 40' circulant dans la charge 21 par l'inter- médiaire du condensateur 23, dans le sens opposé à celui de la circulation du courant lorsque le transistor Q2 est conduc- teur. La charge emmagasinée s'élimine partiellement comme le montre la courbe 42; mais la fréquence des impulsions de blo- cage est choisie suffisamment élevée (20 kHz par exemple) pour que l'impulsion de blocage 37 qui suit soit transférée à la base 27 alors que la charge emmagasinée maintient toujours le transistor à l'état de conduction. Cette impulsion de blocage élimine la charge emmagasinée et bloque le transistor Ql, le courant cessant de circuler dans la charge; mais l'énergie emmagasinée dans le composant inductif de la charge crée une tension de retour qui se traduit par un courant 43 (de pola- rité négative au point de jonction 16) qui est transféré par la jonction collecteur-base du transistor Q2 et la diode 28, et qui est l'équivalent d'une impulsion de polarité positive 43 transférée sur la base 29; cette impulsion, représentée sur la figure, rend de nouveau le transistor Q2 conducteur, ce transistor fonctionnant en mode inverse, avec charge emmagasi- née 44 qui le maintient à l'état de conduction jusqu'à l'appa- rition de l'impulsion de blocage 38 qui suit. Le processus se répète tel que décrit et provoque la circulation d'un courant alternatif 40 dans la charge 21. On utilise donc des impulsions inductives de retour, for- mées dans le circuit, pour commander le passage des transis- tors à l'état de conduction, et on utilise les charges emma- gasinées pour maintenir les transistors dans cet état, pendant leurs cycles de conduction; il n'est donc pas nécessaire de disposer d'une source extérieure d'impulsions de commande rec- tangulaires ou sinusoïdales, ce qui réduit les besoins en éner- gie du circuit et accroît son rendement. Les impulsions de blo- cage 37 et 38 peuvent être de très courte durée, par exemple de cinq microsecondes, et de faible énergie, de sorte que l'é- nergie totale requise est très faible par rapport à celle des courants de commande des dispositifs antérieurs. On peut enco- re réduite l'énergie requise en diminuant la fréquence de ré- pétition des impulsions de blocage, une partie relativement plus importante des charges emmagasinées 42 et 44 étant alors éliminée par l'intermédiaire de l'impédance interne des tran- sistors. Dans le circuit conforme à l'invention, on évite par ailleurs le court-circuit de la source d'alimentation, tel que décrit dans le brevet précité, qui se produit lorsque la charge emmagasinée dans un transistor le maintient conducteur alors que l'autre transistor est passé à l'état de conduction, les deux transistors simultanément conducteurs provoquant le court-circuit de la source d'alimentation. Dans le circuit conforme à l'invention, chaque transistor passe à l'état de conduction sous la dépendance du courant de retour qui n'est formé que lorsque l'autre transistor a été bloqué, et il est donc impossible que les deux transistors soient simultanément conducteurs. Enfin, les charges emmagasinées dans les transis- tors étaient indésirables jusque là; elles sont utilisées a- vantageusément dans le circuit onduleur conforme à l'invention. Dans une variante conforme à l'invention, on n'utilise pas d'impulsions de blocage 37 et 38, chacun des transistors, lorsqu'il est conducteur, restant dans cet état jusqu'à ce que la charge emmagasinée soit suffisamment éliminée pour qu'il se bloque automatiquement. La fréquence de fonctionne- ment du circuit est donc déterminée par la caractéristique de temps de décharge de la charge emmagasinée des transistors. Si l'on souhaite régler avec précision la fréquence de fonc- tionnement, il est préférable d'utiliser les impulsions de blocage 37, 38. Il est entendu que la description qui précède a été faite à titre d'exemple non-limitatif et que des variantes peuvent être envisagées sans, pour cela, sortir du cadre de l'inven- tion et des revendications annexées. On a décrit, par exemple, un circuit onduleur en demi-pont, mais l'invention est appli- cable aux circuits en pont et aux circuits symétriques. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Circuit onduleur, fonctionnant sous la dépendance d'une source d'alimentation en courant continu (lî, 12), pro- voquant la circulation d'un courant alternatif dans une char- ge inductive ou à composant inductif (21), comportant au moins deux transistors (Q1, Q2) montés de manière à faire circuler alternativement le courant de la source d'alimentation dans la charge, les transistors ayant la propriété d'emmagasiner une charge appliquée sur leurs électrodes de commande (27, 29), la charge ayant la propriété de former un courant de retour lorsque le courant cesse de la traverser, circuit caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (26, 28) pour transférer le courant de retour, résultant du blocage d'un transistor, à l'autre transistor, pour que cet autre transistor soit rendu conducteur et emmagasine une charge qui le maintient dans cet état pendant une certaine période de temps. 2 - Circuit onduleur, fonctionnant sous la dépendance d'une source d'alimentationencourant continu (11, 12), pro- voquant la circulation d'un courant alternatif dans une char- ge inductive ou à composant inductif (21), comportant deux transistors (Q1, Q2), des moyens raccordant l'émetteur (13) du premier transistor (Ql) au collecteur (14) du second tran- sistor (Q2) pour former un point de jonction (16), des moyens raccordant le collecteur (17) du premier transistor à la borne positive (11) de la source d'alimentation, des moyens raccor- dant l'émetteur (18) du second transistor à la borne négative (12) de la source d'alimentation, et des moyens raccordant la charge (21) entre le point de jonction (16) et la source d'a- limentation, les transistors ayant la propriété d'emmagasiner une charge appliquée sur leurs électrodes de base (27, 29), la charge ayant la propriété de former un courant de retour lors- que le courant cesse de la traverser, circuit caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (26, 28) montés entre la charge et les électrodes de base pour transférer le courant de retour, résultant du blocage d'un transistor, à l'autre transistor, pour que cet autre transistor soit rendu conducteur et emmaga- sine une charge qui le maintient dans cet état pendant une cer- taine période de temps. 3 - Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (32) qui fournissent une im- pulsion de commande de conduction (36) à l'un des transistors (Q2), pour le rendre conducteur et amorcer le fonctionnement du circuit. 4 - Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'impulsion de commande de conduction est une impulsion de polarité positive transférée sur la base (29) du second transistor (Q2). 5 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de transfert du courant de retour aux transis- tors sont constitués par des diodes (26, 28). 6 - Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de transfert du courant de retour aux électro- des de base sont constitués par deux diodes (26, 28) respecti- vement montées entre ces électrodes de base et le point de jonction (16). 7 - Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (31) qui fournissent des impul- sions de blocage répétitives et alternées (37, 38), ces impul- sions étant respectivement transférées sur les électrodes de commande (27, 29) des transistors pour bloquer ces derniers alternativement après un temps de conduction déterminé. 8 - Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fréquence des impulsions de blocage fournies aux tran- sistors est supérieure à-l kHz. 9 - Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fréquence des impulsions de blocage fournies aux tran- sistors est de l'ordre de 20 kHz. 10 - Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que la charge (21) est raccordée à la source d'alimentation par l'intermédiaire de deux condensateurs (22, 23) montés en série aux bornes (11, 12) de cette source, une extrémité de la charge étant raccordée au point de jonction (24) des condensa- teurs.