Brevet FR2514583A3 — publié le 19830415

FR 2514583 A3 19830415 FR 8119165 A 19811012 L'invention concerne les alimentations continu/continu dites à découpage, comportant entre une source de tension continue sujette à fluctuations et une charge devant être alimentée sous une tension constante, un hacheur de courant dont le rapport cyclique des temps de conduction et de blocage est réglé par un modulateur de largeur d'impulsions sous contrôle d'un comparateur de tensions couplé aux bornes de la charge. Plus particulièrement, l'invention a pour objet la réalisation d'une telle alimentation capable d'un rendement énergétique très élevé - plus de 9Cri0 et par voie de conséquence d'une régulation très fine. En effet, dans les realisations antérieuremeht connues de telles alimentations, l'organe de commutation incorporé au hacheur de courant est le siège d'une disspation d'énergie importante, ce qui péjore le rendement et oblige à le pourvoir d'un radiateur encombrant pour maintenir sa température à une valeur raisonnable. En outre, ces pertes difficilement contrôlables gênent la régulation de tension par leur existence même comme par leur action néfaste sur les circuits de commande du hacheur, ainsi que la compensation de fortes variations de la tension disponible à la source. Pour pallier ces inconvénients, une alimentation du type général indiqué mais réalisée conformément à l'invention se caracterise en ce que le modulateur précité comprend en combinaison un amplificateur magnétique du type autosaturable, dont les enroulements de travail sont excités par un oscillateur engendrant un signal formé de creneaux symétriques à fréquence de récurrence constante, et dont un enroulement de contrôle reçoit du-comparateur précité un courant proportionnel à l'écart entre la tension aux bornes de la charge et sa valeur de consigne. Cette alimentation est en outre caractérisée en ce que le hacheur de courant comprend un transistor de puissance - par exemple du type V-MOS commuté de l'état de saturation au blocage et vice-versa par le signal modulé issu de l'amplificateur magnétique de manière que le produit de la tension à ses bornes par le courant le traversant soit toujours sensiblement nul. Par ailleurs, la fréquence de récurrence du signal engendré par l'oscilla- teur est avantageusement choisie dans la gamme des dizaines de kilohertz. Ces diverses dispositions permettent d'obtenir les résultats recherchés, à savoir un rendement global de l'alimentation pouvant atteindre 940je, et ce avec une régulation au millivolt pres quelle que soit le débit appelé par la charge et/ou la tension disponible à la source, et le tout sans échauffement à craindre même dans un encombrement réduit, notamment par la suppression de tout radiateur de dimensions excessives. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit de plusieurs exemples de mise en oeuvre illustrés par les dessins annexés, sur lesquels La Figure 1 donne le schéma-bloc d'ensemble d'une alimentation à découpage selon l'invention; La Figure 2 est un diagramme temporel illustrant le fonctionnement de l'alimentation de la Figure 1; La Figure 3 donne le schéma détaillé de plusieurs circuits spéciaux de l'alimentation de la Figure 1; La Figure 4 donne le schéme-bloc d'ensemble d'un autre mode de rea lisation d'une alimentation à découpage selon l'invention; et La Figure 5 donne le schéma détaillé de plusieurs circuits spéciaux de l'alimentation de la Figure 4. L'alimentation représentée sur la Fig.1 est destinée à être interposée entre d'une part, un accumulateur A ou autre source de tension continue sujette à fluctuations en fonction de son débit, de la température ou d' autres paramètres, et d'autre part, une charge d'utilisation U de nature quelconque, branchée éventuellement avec d'autres charges entre des lignes X,Y et devant être alimentée sous une tension continue stable, égale à une valeur de consigne règlable. Cette alimentation comprend coté amont un hacheur de courant 10 connu en soi, constitué par une bobine d'inductance B en série avec la source A, un transistor de commutation C en dérivation sur l'ensemble, et une diode de récupération D en série avec un condensateur E de forte capacité, dont les bornes sont respectivement connectées à une ligne positive L+ et à une ligne de masse M. Si le transistor de commutation C est alternativement porté à conduction et au blocage, on sait que la tension de charge e du condensateur E dépend non seulement de la tension a disponible aux bornes de l'accumulateur A, mais encore du rapport cyclique des temps de blocage tb et de conduction tc du transistor commutateur C, selon la formule e = a / (1 + tc/tb) = a / (1 - tc/t) 5 a / 1-k si T = tb + tc est la période de commutation supposée constante, et si k = tc/T est le rapport du temps de conduction à ladite période. Puisque k est par définition compris entre 0 et 1, la tension e disponible en sortie du hacheur-de courant 10 entre les lignes L+ et M est necessairement égale ou supérieure à la tension a disponble aux bornes de l'accumulateur A, dont les fluctuations peuvent donc être compensées, de manière que la tension u appliquée à la charge U reste constante. Pour ce faire, l'alimentation représentée sur la Fig.1 met en oeuvre des circuits spéciaux de régulation qui fournissent au transistor commutateur! un signal de commande en créneaux dont la séquence temporelle est ajustée non seulement pour maintenir la tension u strictement égale à sa valeur de consigne, mais encore pour améliorer considérablement le rendement global de l'alimentation, notamment en supprimant toute perte notable d'énergie dans le transistor commutateur. Ces circuits comprennent essentiellement un amplificateur magnétique 20 alimenté par un générateur de fréquence 30 et contrôlé par un comparateur de tensions 40 pour fournir en réponse au circuit de commande 50 du transistor C un signal en créneaux à rapport cyclique variable. L'amplificateur magnétique 20 de type auto-saturable reçoit du générateur 30 par l'intermédiaire d'un transformateur T1 une tension alternative à haute fréquence - par exemple de l'ordre de quelques dizaines de kilohertz formée de créneaux rectangulaires. Il reçoit par ailleurs du comparateur 4C un courant de commande dont l'intensité est proportionnelle à la différencE entre la tension u appliquée à la charge U et sa valeur de consigne. En réponse, l'amplificateur magnétique 20 fournit en sortie un signal de même fréquence de récurrence que la tension alternative du générateur 30 mais formé d'impulsions alternées asymétriques, de largeur réduite par rapport à celle des créneaux de -ladite tension en fonction linéaire de 1' intensité du courant reçu du comparateur 40. L'amplificateur magnétique 20 alimenté par la tension alternative carrée fournie par le générateur 30 se comporte en fait comme un idéal modulateur de largeur d'impulsions, la valeur efficace du courant modulé etant strictement proportionnelle à l'intensité du courant de contrôle fourni par le comparateur 40, et donc à la différence entre la tension u appliquée à la charge et sa valeur de consigne. En outre, les fronts du signaldecommande ainsi élaboré par l'amplificateur magnétique Z0 sont très raides, ce qui permet une commutation très précise du transistor C, comme le montre la Fig.2 Sur cette Figure sont représentées an fonction du temps d'une part, l'évo lution de la tension collecteur/émetteur Vce du transistor commutateur C, et d'autre part, l'évolution du courant de collecteur Ic de ce même transistor, avec indication de ses temps de blocage tb et de conduction tc au cours de la période de récurrence T = tb + tc. La comparaison de ces deux diagrammes - montrés tels qu'ils apparaîtraient sur un oscilloscope à double trace - fait clairement ressortir un avantage essentiel de l'invention La tension aux bornes du transistor C est pratiquement nulle lorsqu'il est conducteur, et inversement, le courant le traversant est nul lorsqu'il est bloqué. Autrement dit, tension -et courant sont en opposition de phase. Il s'ensuit que la puissance dissipée dans le transistor commutateur C est à tout moment pratiquement nulle, et par voie de conséquence - que ce transistor travaille sensiblement à la temperature ambiante, et qu'il n'est donc nul besoin de lui associer un volumineux radiateur, - que le rendement du hacheur 10 est voisin de l'unité, et que sa régulation n'exige donc qu'une très faible dépense d'énergie. Au total et en pratique, l'emploi d'un amplificateur magnétique comme modulateur de commutation dans une alimentation à découpage permet d' atteindre des performances etonnantes. Par exemple, dans une réalisation concrète, l'accumulateur A est une batterie au plomb de tension nominale 24 V,variant en fait de 30 V à pleine charge ù 20 V en fin de décharge ou a débit maximal, soit une variation de 50pu. Le transistor C de type V-stS dépourvu de radiateur permet de fournir sans échauffement une puissance moyenne de 100 W à la charge U, le courant variant de 5 à 15 A sous une tension maximale de 30 V régulée à quelques mV/s près pour toute valeur de consigne.Le rendement énergétique global est en tous cas supérieur à 90 > et peut atteindre au moins 94 > dans les conditions optimales. La Figure 2 donne le schéma détaillé d'un exemple de réalisation des circuits spéciaux de régulation d'une telle alimentation L'amplificateur magnétique 20 comporte deux tores magnétiques saturables 21,22 sur lesquels sont respectivement bobinés deux enroulements de travail 23,24 chacun en série avec une diode d'auto-polarisation 25,26 selon les sens de couplage et polarités indiqués. Ces deux enroulements sont alimentés en parallèle par le secondaire 27 du transformateur T1 couplé au générateur 30, tandis que l'enroulement de contrôle 28 bobiné sur les deux tores est couplé au comparateur 40.Le signal de sortie prélevé aux bornes d'une résistance Z9 en série avec les enroulements de travail est appliqué au circuit de commande 50 du transistor commutateur C par 1' in termédiaire d'un transformateur de couplage T2. On remarquera que l'amplificateur magnétique 2D ainsi monté bénéficie d'un isolement galvanique total par rapport aux autres circuits. Le générateur de fréquence 30 comprend deux transistors 31,32 dont les émetteurs sont reliés à la ligne de masse M et les collecteurs aux extrémités du bobinage primaire du transformateur T1, dont le point milieu est relié à la ligne positive L+. La base de chaque transistor est couplée à la masse par une diode respective 33,34, à la ligne L+ par une résistance 35,36 et au collecteur de l'autre transistor par un circuit RC 37,38, dont la constante de temps fixe la fréquence de récurrence du signal alternatif carré fourni à l'amplificateur magnétique, soit par exemple 50 kHz. Le comparateur de tensions 40 comprend essentiellement un transistor 41 dont l'émetteur est couplé au point milieu d'un pont de référence de tension formé d'une diode Zener 42 et d'une résistance 43 branché entre les lignes X,Y alimentant la charge U, et dont la base est reliée au curseur d'un potentiomètre 44 d'affichage de la tension de consigne, couplé en série avec deux resistances 45,46 entre ces mêmes lignes X,Y. Le circuit de collecteur du transistor 41, relié à la ligne positive X, comprend une résistance 47 en série avec l'enroulement de contrôle 28 de l'amplificateur magnétique 20. De la sorte, tout écart entre la tension appliquée rR la charge et sa valeur de consigne affichée par le potentiomètre 44 se traduit par un courant d'intensité proportionnelle appliqué audit enroulement de contrôle. Le circuit 50 de commande de commutation du transistor C comprend deux bobinages secondaires du transformateur T2 déjà mentionné, dont l'un 51 relié par une diode 52 et un condensateur 53 à la ligne de masse M assure la polarisation de la base du transistor, et dont l'autre 54 est inséré dans son circuit de collecteur avec un sens de couplage propre à assurer une réaction positive à la commutation. Le schéma détaillé de la Fiy. 3 montre encore que l'alimentation peut inclure un filtre oO interposé entre les lignes L+ et X d'une part et les lignes M et Y d'autre part, afin de parfaire le lissage de la tension fournie par le hacheur 10 à la charge U. Ce filtre comprend un noyau magnétique dl sur lequel sont bobinés dans les sens de couplage relatif indiqués un premier enroulement CA reliant les lignes L+ et X, et un second enroulement 63 entre les lignes Y et M, ainsi qu'un condensateur de forte capacité 64 couplant les extrémités aval desdits enroulements. La Figure 4 illustre une variante de réalisation de l'alimentation selon l'invention, assurant l'isolation galvanique totale de la source et de la charge Le hacheur 10, l'amplificateur magnétique 20, le comparateur de tensions 40 et le circuit de commande 50 du transistor de commutation C peuvent être semblables à ceux précédemment décrits. Par contre, au simple générateur de fréquence 30 est substitué un oscillateur de puissance 70 engendrant un signal de même forme mais de niveau plus élevé, appliqué au primaire du transformateur T3. Ce dernier comprend en sus du secondaire alimentant l'amplificateur magnétique 20 comme dans l'exemple précédént, un deuxième secondaire par lequel est alimenté un redresseur 80 couplé aux lignes X,Y par l'intermédiaire d'un filtre 90, de sorte qu'aucune liaison électrique n'existe entre amont et aval. La Figure 5 montre que le redresseur 80 peut être un simple pont de diodes et que le filtre de lissage 90 peut comprendre une inductance en série et un condensateur en dérivation. Cette Figure donne surtout le schéma détaillé d'un mode de réalisation préféré de l'oscillateur de puissance 70, ayant notamment pour avantages de présenter un haut rendement à tous niveaux et une fréquence de fonctionnement stable, indépendante des variations de sa tension d'alimentation Cet oscillateur 70 comprend deux transistors 71 ,?2 dont les émetteurs sont reliés à la ligne de masse M et dont les collecteurs sont respectivement couplés, à travers un bobinage de réaction 73,74 d'un transformateur T4, aux extrémités de l'enroulement primaire du transformateur T3, dont le point milieu est relié à la ligne positive L+.Les bases des transistors sont respectivement couplées aux extrémités d'un enroulement symétrique 75 du transformateur T4, dont le point milieu est relié d'une part à la ligne positive L+ à travers une résistance 76, et d'autre part, à travers des diodes -77 découplées par- un condensateur, aux émetteurs desdits transistors. Enfin, le transformateur T4 comporte un quatrième enroulement séparé 78, branché aux bornes de l'enroulement primaire du transformateur T3 par 1' intermédiaire d'un pont limiteur de tension incluant une résistance et deux diodes Zener 79 montées tête-bêche et présentant une même tension d'écrêtage judicieusement choisie, qui fixe la fréquence de fonctionnement de l'oscillateur. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exemples de réalisation décrits et illustrés, mais comprend toutes les variantes et adaptations que pourrait imaginer l'homme de l'art, telles que le choix d'autres types adaptés de générateurs de fréquence ou de comparateurs de tensions, comme l'adjonction de circuits limiteurs de tension ou courant pour protection; par ailleurs, le hacheur de courant pourrait être d'un type à commutateur en série et non plus en parallèle. C'est dire d'une manière plus générale que l'invention comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques de ceux décrits et illustrés, mis en oeuvre séparément ou en combinaison opérante dans le cadre fixé par les revendications qui suivent. R E V E N 0 I C A T I O N S P==I===IPPIP=PD=P3====3==PI 1. Alimentation à découpage régulée de haut rendement, du type comportant entre une source de tension continue sujette à fluctuations et une charge devant être alimentée sous une tension constante, un hacheur de courant dont le rapport cyclique des temps de conduction et de blocage est réglé par un modulateur de largeur d'impulsions sous contrôle d'un comparateur de tensions couplé aux bornes de la charge, caractérisée an ce que ledit modulateur comprend en combinaison un amplificateur magnétique (20)- du type autosaturable dont les enroulements de travail sont excités par un oscillateur (30) engendrant un signal formé de créneaux symétriques à fréquence de récurrence constante, et dont un enroulement de contrôle reçoit du comparateur de tensions (40) un courant proportionnel à l'écart entre la tension aux bornes de la charge (U) et sa valeur de consigne. 2. Alimentation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le hacheur de courant (10) comprend un transistor de puissance (C) commuté de l'état de saturation au blocage et vice versa par le signal modulé issu de 1' amplificateur magnétique (2q) de manière que le produit de la tension à ses bornes par le courant le traversant soit toujours sensiblement nul. 3. Alimentation selon la revendication 1 ou la revendication 2, caracté- risée en ce que la fréquence de récurrence du signal engendré par l'oscil- lateur (30) est de l'ordre de la dizaine de kilohertz. 4. Alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les enroulements de travail (23,24) de l'amplificateur magnétique (20) montés chacun en série avec une diode (25,26) sont couplés en parallèle aux bornes d'un secondaire (2?) d'un premier transformateur (T1) couplé à l'oscillateur (30), le circuit de commande (50) du hacheur (10) étant branché aux bornes d'une résistance (29) en série avec ledit secondaire et ainsi isolé tant de l'oscillateur que du comparateur (40) couplé à l'enroulement de contrôle de l'amplificateur. 5. Alimentation selon la revendication 4, caractérisée en ce que le second transformateur (T2) comporte deux bobinages secondaires sépares assurant l'un (51) la polarisation du transistor de puissance (C) du hacheur (10) et l'autre (4) une réaction positive à la commutation dudit transistor. b. Alimentation selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisée en ce que le premier transformateur (T3) est couplé à un oscillateur de puissance (70) et comporte un deuxième secondaire couplé à un redresseur (80) alimentant la charge (u) ainsi galvaniquement isolée du hacheur (10). 7. Alimentation selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'oscillateur de puissance (70) comprend deux transistors (71,72) dont les collecteurs sont couplés à travers des bobinages de réaction (73,74) d'un troisième transformateur (T4) aux extrémités de l'enroulement primaire du premier transformateur (T3), aux bornes duquel est couplé un circuit limiteur d tension symétrique alimentant un bobinage séparé (78) du troisième transformateur, dont un autre enroulement symétrique (75) assure la polarisation des transistors. 8. Alimentation selon la revendication 7, caractérisée encre que le circuit limiteur de tension précité inclut deux diodes Zener (79) montées tête-bêche et présentant la même tension d'écrêtage.