Brevet FR2503954A1 — publié le 19821015

La présente invention concerne un procédé de découpage essentiellement sinusoïdal d'une tension continue et de régulation, en vue d'une alimentation de puissance. Les transformateurs intervenant dans les alimen- tations de puissance sont des dispositifs lourds et coûteux. On a donc imaginé de faire fonctionner ces derniers en hautes fréquences, ce qui entraîne une réduction des dimensions de leur circuit magnétique, donc également de leurs enroulements et permet de réaliser un gain important sur le poids et le prix de revient de ces appareils. Dans ce but, on a réalisé des alimentations procédant au redressement et au filtrage d'une tension sinusoïdale, puis au découpage de cette tension redressée en utilisant un ou plusieurs transistors, soit en variation de phase, soit en variation de fréquence De tels dispositifs présentent l'inconvénient de générer, au primaire du trans- formateur utilisé, un signal rectangulaire qui s'accompagne d'un courant de pointe élevé et d'une dissipation thermique importante lors de la commutation, de l'état passant à l'état bloqué du transistor de puissance, pouvant entraîner sa destruction En outre, sous un tel type de fonctionnement, le renvoi de parasites vers la source de tension est important. Pour apporter une solution à ces problèmes, des systèmes existant procèdent au découpage sinusoïdal d'une tension continue Ne comportant pas de système de régulation, ils imposent une tension continue d'entrée faible et constante ainsi que des variations de charge très réduites et ne donnent donc pas entière satisfaction. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention vise un procédé essentiellement caractérisé par le fait qu'il consiste, à disposer d'une source de tension continue, à découper cette tension, à procéder à sa mise en forme essen- tiellement sinusoïdale, à détecter et à s'opposer, en intervenant sur le découpage, à toutes variations de fonctionnement imposées à l'alimentation utilisant ce procédé. La présente invention vise également un dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé, 2503 954 dispositif essentiellement caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaison dans un circuit électrique, une source de tension continue obtenue par tous moyens appropriés connus en soi, un interrupteur avec une commande, un ensemble d'impédances engendrant des phénomènes de résonance, un élément sensible aux variations de fonctionnement en cours d'utilisation de ce dispositif et agencé pour intervenir sur un circuit adapté pour agir sur ladite commande, ces deux derniers éléments formant moyen de régulation. Dans un mode de réalisation possible, la source de tension continue est obtenue à partir d'une tension alternative redressée et filtrée. Suivant le même mode de réalisation, l'inter- rupteur est réalisé par un transistor. D'autres modes de réalisation substituent au transistor unique, soit deux transistors agencés en montage wpush-pulln parallèle ou série, soit un transistor MOS, soit un thyristor, soit encore un thyristor à blocage contr 8 lé. En outre, l'élément sensible aux variations de fonctionnement est un enroulement disposé autour du circuit magnétique d'un transformateur inclus dans une alimentation utilisant ce dispositif. Suivant une autre forme de réalisation, une source de tension variable, non directement issue du dispositif, joue le rôle d'élément sensible. Le procédé et le dispositif suivant l'invention trouvent de nombreuses applications et notamment dans le cadre des alimentations comportant un transformateur, ceci afin de disposer, entre les bornes de sortie de l'alimentation, d'un niveau de tension en rapport avec l'utilisation souhaitée Dans ce cas, suivant les variations de régime aux bornes des enroulements du transformateur, dues à une modification de la tension alternative redressée ou à une variation même importante de charge, la fermeture de l'interrupteur est déclenchée de façon telle que ces écarts de régime sont rétablis et leurs effets considérablement amoindris. 2503 954 La réalisation du dispositif de l'invention est simple, sa sécurité de fonctionnement remarquable Ainsi la nécessité de surdimensionner les composants d'une alimentation utilisant ce dispositif disparaît, ce qui diminue encore, de façon appréciable, le prix de revient. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre et des dessins présentés en annexe qui concernent un exemple non limitatif d'application de ce dispositif dans le cadre des alimentations de puissance. La figure 1 présente le schéma électrique d'une alimentation mettant en oeuvre l'invention. Les figures 2 A, 2 B indiquent les variations de l'intensité i et de la tension u en fonction du temps pour deux instants d'amorçage différents du transistor. Le dispositif représenté en figure 1 comprend, une source d'alimentation alternative délivrant une moyenne tension de type classique appliquée entre les bornes 2 a, 2 b d'un pont redresseur à diodes 2 formant source de tension continue, une capacité de filtrage 3 en parallèle sur des bornes de sorties 2 c, 2 d du pont redresseur, une impédance 1 permettant de limiter le courant de pointe dans le pont redresseur. Entre ces mêmes bornes de sortie sont branchés en série, un enroulement 4 a d'un transformateur 4 (dit enroulement primaire), shunté par une capacité de résonance 5, une self 6 à forte impédance, un transistor de puissance 7. En dérivation sur le collecteur 7 c et l'émetteur 7 a de ce transistor, se trouvent deux circuits comprenant l'un, une capacité 8 en série avec une résistance 9, l'autre une diode 10. Entre la base 7 b et l'émetteur 7 a du transistor 7, sont branchés en parallèle trois circuits constitués respectivement, d'un enroulement 4 b du transformateur (dit enroulement de réaction) en série avec une capacité de découplage 11, en série avec la source de tension continue d'une résistance 12 déchargeant la capacité 3 lors de la mise 2503 954 hors service du dispositif, d'une résistance 13 limitant partiellement le potentiel négatif de la base du transistor 7. La capacité 11 est shuntée par un ensemble série formé d'une diode 14, d'une résistance 15 de protection, d'un transistor 16. une diode 17 redresse la tension fournie par un enroulement 4 c du transformateur, que filtre une capacité 18. Ainsi redressée et filtrée, cette tension alimente un pont diviseur constitué de résistances 19, 20, et relié à la base 16 b du transistor 16, de même que la capacité d'intégration 21. La diode du type Zener 22 est alimentée par la résistance 23; elle stabilise une tension de référence et détermine le seuil de conduction du transistor 16. La résistance 24 est placée en série avec une autre source possible (non représentée) d'alimentation de la base 16 b du transistor 16. En série avec l'enroulement 4 d du transformateur (dit enroulement secondaire) constituant la sortie du dispositif est connectée une self 26 d'adaptation de charge. Utilisé en commutation, le transistor 7 découpe la tension fournie par le pont redresseur 2, en se trouvant simultanément à l'état passant (état de saturation) puis à l'état bloqué. Du fait de la présence de la self 6 et de la capacité 5 agissant en combinaison avec l'impédance propre du bobinage 4 a, le courant traversant cet élément croît jusqu'à un certain seuil et diminue pour atteindre une valeur nulle lorsque l'émetteur du transistor 7 se trouve à un potentiel plus négatif que celui de son collecteur Le transistor atteint l'état bloqué et la diode 10, branchée entre le collecteur 7 c et l'émetteur 7 a, évite' l'inversion de polarité de la tension collecteur-émetteur. Bien qu'un tel mode de commutation limite les impulsions de tension, lors du passage de l'état passant à l'état bloqué du transistor, la résistance 9, en série avec la capacité 8, renforce la protection de cet élément Dans le 2563 95 cas de surtensions importantes, l'énergie, plutôt que d'être dissipée dans la résistance 9, peut être réinjectée dans le circuit principal par des moyens connus en soi, comme par exemple un montage comprenant une capacité 6 a, deux diodes 6 b, 6 c disposées comme indiqué en traits interrompus sur la figure 1. L'amorçage du transistor de puissance 7, pour sa conduction lors de l'alternance suivante, dépend des valeurs de sa tension base-émetteur et de son courant de base. On peut alors contrôler l'instant d'amorçage du transistor, en l'appropriant à la puissance à transiter, en agissant sur ces paramètres. Le circuit composé des éléments 14, 15, 16 réalise cette opération en déphasant la conduction du transistor 7. Si ce circuit est fermé, condition réalisée quand le transistor 16 est à l'état passant, il dérive une partie de l'énergie destinée à la polarisation de la base du transistor 7; la conduction de ce dernier est retardée, la valeur efficace du courant traversant son collecteur est réduite (voir figure 2 A). Si ce circuit est ouvert (transistor 16 à l'état bloqué), il n'apporte aucune modification à la conduction du transistor 7; celui-ci transite au niveau de son collecteur une intensité maximale (voir figure 2 B). Dans ce circuit, le transistor 16 fonctionnant également en commutation joue le rôle d'interrupteur Sa commande est réalisée à partir de l'enroulement 4 c du transformateur, lequel délivre une tension dite de référence. Après être redressée par la diode 17 et filtrée par la capacité 18, cette tension alimente le pont diviseur formé par les résistances 19, 20, servant à polariser la base du transistor 16. Dès lors, et par réaction en chaîne, dès qu'une variation dans le fonctionnement du dispositif est enregistrée par l'enroulement 4 c, l'interrupteur réalisé par le transistor 16 agit de façon telle que l'instant d'amorçage du transistor 7 est déplacé de telle sorte que le fonction- nement normal est retrouvé. 2503 954 L'ensemble 14, 15, 16, en combinaison avec l'enroulement 4 c constitue le système de régulation du dispositif. Si l'on désire une régulation plus efficace, l'émetteur du transistor 16 sera relié à une tension plus négative de quelques volts que l'émetteur du transistor 7. D'autre part, le transistor 16 peut être remplacé par plusieurs transistors ou circuits intégrés du genre ampli opérationnel. Il est à noter que les valeurs de la self 6, de la capacité 5 et la nature de la charge déterminent la fréquence de fonctionnement du dispositif (voisine par exemple de 15 K Hz suivant une forme courante de réalisation, elle peut atteindre 40 K Hz ou plus). La tension de référence délivrée par l'enroule- ment 4 c du transformateur peut dans une autre forme de réalisation être prise aux bornes d'un élément disposé au secondaire du transformateur ou provenir d'une source extérieure au dispositif, dont le courant est limité par la résistance 24. Grâce à son système de régulation, le dispositif permet de transiter des puissances relativement importantes en rapport avec son dimensionnement raisonnable. Il va s'en dire que ce dispositif peut avoir un large champ d'applications et peut être appliqué à des alimentations se substituant d'une façon avantageuse aux alimentations à découpage classique, de même qu'aux simples transformateurs. De telles alimentations assurent par exemple la fourniture d'énergie électrique à des dispositifs tels que chargeur de batterie, tubes à décharge, poste à soudure, téléviseurs, amplificateurs de puissances, projecteurs de films et de diapositives, appareils à tension et à courant constants, alimentations de lampes fluorescentes, appareils basse tension avec séparation galvanique et alimentations des moteurs conçus pour fonctionner à ces fréquences; et ceci dans les meilleurs conditions de sécurité et de rentabilité du fait de leur système de régulation incorporé et de leur fonctionnement sous hautes fréquences. 2503 954 Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation de l'exemple décrit et représenté; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans s'écarter pour cela du cadre de l'invention. 2303 954 REVENDICATIONS 1 Procédé de découpage essentiellement sinusoïdal d'une tension continue et de régulation, essen- tiellement caractérisé par le fait qu'il consiste, à disposer d'une source de tension continue, à découper cette tension, à procéder à sa mise en forme essentiellement sinusoidale, à détecter et à s'opposer, en intervenant sur le découpage, à toutes variations de fonctionnement imposées à l'alimenta- tion utilisant ce procédé. 2 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 essentiellement caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaison dans un circuit électrique, une source de tension continue ( 2) obtenue par des moyens appropriés, un interrupteur ( 7) avec une commande, un ensemble d'impédances ( 4 a, 5, 6) engendrant des phénomènes de résonance, un élément 4 b sensible aux variations de fonctionnement imposées à l'utilisation de ce dispositif adapté pour intervenir sur un circuit série ( 14, , 16), ledit circuit agissant variablement sur ladite commande et formant avec ledit élément moyen de régulation. 3 Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit interrupteur est constitué par la combinaison d'un transistor ( 7). 4 Dispositif suivant les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ladite commande du transistor ( 7) est constituée d'au moins deux circuits branchés en dérivation entre deux des bornes ( 7 a, 7 b) dudit transistor, l'un de ces circuits comportant une capacité ( 11) et un enroulement ( 4 b) en série. 5 Dispositif suivant les revendications 2, 3, 4, caractérisé en ce que le circuit d'action sur la commande dudit interrupteur est agencé de façon à modifier variable- ment l'état électrique de l'un des circuits constituant ladite commande. 6 Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit circuit d'action comprend au moins une diode ( 14) et un transistor ( 16) et est branché en dérivation sur ladite capacité ( 11) de façon à modifier sa 2503 95 charge et sa décharge, ledit transistor étant commandé par un circuit branché entre deux de ses bornes ( 16 a, 16 b). 7 Dispositif suivant les revendications 2 et 6, caractérisé en ce que ledit élément sensible est constitué par une source délivrant une tension variable de référence adaptée pour l'alimentation dudit circuit relié aux bornes ( 16 a, 16 b). 8 Dispositif suivant les revendications 2 et 7, caractérisé en ce que ladite source est constituée par un bobinage ( 4 c), pouvant être disposé autour du circuit magnétique d'un transformateur ( 4) inclus dans le circuit électrique, délivrant ladite tension qui est redressée et filtrée par des moyens appropriés ( 17, 18). 9 Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la source de tension continue ( 2) est obtenue à partir du redressement et du filtrage d'une tension sinusoïdale. Dispositif suivant les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ledit interrupteur est formé soit de deux transistors disposés suivant un montage "push-pull" série ou parallèle, soit d'un transistor MOS, soit d'un thyristor, soit d'un thyristor à blocage contrôlé. 11 Application du procédé et du dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10 en temps qu'alimentation de puissance à hautes fréquences régulée.