Brevet FR2523741A1 — publié le 19830923

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour éliminer les perturbations liées aux fluctuations de la charge dans les alimentations à découpage comportant un circuit magnétique avec une inductance primaire couplée à une inductance secondaire. En conversion d'énergie, les circuits magnétiques constituent un type de composant souvent négligé, ce qui amène une saturation du matériau, d'où une incapacité à traduire une variation linéaire de flux. Ceci entraine un accroissement énorme de courant dans les organes de découpage, généralement constitués par des transistors, lorsque la charge est variable et que la puissance est constante ou peu fluctuante. Il s'ensuit des perturbations sur le réseau et un risque de détérioration des organes de découpage. La présente invention a pour but principal de remédier à ces inconvénients et, pour ce faire, elle a pour objet un procédé qui se caractérise essentiellement en ce qu'il consiste à adapter automatiquement la valeur de l'inductance secondaire en fonction de -la tension aux bornes de la charge, afin d'assurer un transfert total de l'énergie magnétique pour chaque période de la fréquence de découpage. Grâce à cette disposition, on obtient une démagnétisation complète du circuit à chaque période de la fréquence de découpage, ce qui permet d'éliminer les inconvénients mentionnés plus haut. Un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre d'éléments de commutation, connectés en parallèle entre la charge et différentes prises intermédiaires de l'inductance secondaire, et un circuit de commande à seuils de tension pour commander successivement lesdits éléments de commutation en fonction de la tension aux bornes de la charge. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les éléments de commutation sont constitués par des thyristors. De préférence, le dispositif selon l'invention comprend également un circuit de régulation automatique pour compenser les variations lentes de la tension aux bornes de l'inductance primaire. Ce circuit de régulation comporte un circuit magnétique auxiliaire de faible puissance connecté en parallèle sur le circuit principal et dont la charge est constante, la tension aux bornes de ladite charge étant utilisée comme tension d'asservissement de la commande de découpage, afin d'assurer un transfert d'énergie constant malgré les fluctuations du réseau. Le procédé selon l'invention peut également s'appliquer avantageusement au cas où l'inductance primaire et l'inductance secondaire sont combinées en une seule inductance dite de filtrage. I1 existe en effet de nombreuses structures dans fesquelles la fonction filtrage est obtenue au moyen d'une cellule comportant une inductance et un condensateur. Or, si la tension de sortie est très fluctuante, l'inductance de filtrage risque de se saturer, ce qui diminue évidemment l'efficacité du filtrage. Conformément à l'invention, on adapte automatiquement la valeur de l'inductance de filtrage en fonction de la tension aux bornes de la charge, pendant la phase de restitution de l'énergie magnétique. A cet effet, on utilise un certain nombre d'éléments de commutation, avantageusement constitués par des thyristors, qui se trouvent connectés en parallèle entre la charge et différentes prises intermédiaires de l'inductance de filtrage dans la phase de restitution de l'énergie magnétique, et un dispositif de commande à seuils de tension pour commander successivement lesdits éléments de commutation en fonction de la tension aux bornes de la charge. Plusieurs formes d'exécution de l'invention sont décrites ci-après à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est le schéma d'une alimentation à découpage conforme à l'invention, destinée à l'alimentation d'une lampe à arc du type flash - les figures 2a à 2c représentent respectivement l'allure du courant primaire, l'allure du courant secondaire et l'allure de la tension de commande d'un thyristor, pour une période de la fréquence de découpage - la figure 3 représente l'allure du courant primaire avec une tension d'alimentation sinusoidale - la figure 4 représente l'allure de la tension de charge du condensateur de stockage d'énergie - la figure 5 est le schéma du circuit de régulation destiné à compenser les variations lentes de la tension d'alimentation ; et - la figure 6 est le schéma d'une autre application de l'invention à la fonction de filtrage. L'alimentation à découpage représentée sur la figure 1 comprend tout d'abord un circuit magnétique avec une inductance primaire Lp couplée à une inductance secondaire Ls. De façon connue en soi, un transistor de découpage Tr, commandé par un découpeur K, est inséré dans le circuit primaire. Ce circuit est alimenté à partir du réseau alternatif par l'intermédiaire d'un pont de redressement à diodes, mais sans aucun filtrage. Les impulsions de commande engendrées par le découpeur K sur la base du transistor de découpage Tr sont à fréquence élevée, par exemple 25kHz, afin de limiter les dimensions des bobinages du circuit magnétique. Lorsque le transistor conduit, le courant primaire Ip a l'allure représentée sur le diagramme de la figure 2a. Il s'agit d'une impulsion de courant de durée 2, e étant la durée de conduction du transistor. Lorsque le transistor ne conduit plus, une impulsion de courant de durée T- Z est restituée au secondaire, T étant la période de la fréquence de découpage. Le courant secondaire Is a ainsi l'allure représentée sur le diagramme de la figure 2b. Dans l'application envisagée ici, l'alimentation à découpage est destinée à alimenter une lampe à arc au xénon X du type flash, c'est-à-dire une lampe à décharge rapide en régime récurrent. Ce type de lampe nécessite, pour sa mise en oeuvre, la charge préalable d'un condensateur C de forte valeur pendant l'intervalXe de temps entre chaque ionisation provoquée de la lampe. Le déclenchement de la lampe est assuré ici par une source basse fréquence BF. Le procédé conforme à l'invention consiste à adapter automatiquement la valeur de l'inductance secondaire Ls en fonction de la tension Us aux bornes de la charge, tension qui est évidemment extrêmement variable dans le cas d'une lampe de type flash, afin d'assurer un transfert total de l'énergie magnétique pour chaque période de la fréquence de découpage et d'obtenir ainsi une démagnétisation complète du circuit. Le transfert d'énergie par période de la fréquence de découpage s'exprime par Lorsque l'énergie est restituée au secondaire, la tension sur ce dernier est imposée pendant la durée T- 2 par la constante de temps élevée de la charge. Le temps de démagnétisation est donc défini par la loi de Lenz, soit d'où De la relation de transfert d'énergie, on déduit d'où Si l'on suppose maintenant # constant, on peut poser 2 constante, de sorte que l'on obtient en définitive la relation suivante:Ls=k Us La mise en oeuvre du procédé de l'invention consiste donc à carter la valeur de l'irAtance secondaire Ls au moyen d'un dispositif de cannande comprenant plusieurs seuils de tension éeeelori par rapport à la tension secondaire Us, chaque seuil provoquant la commande de la valeur d'une inductance propre à satisfaire la relation : Ls = Us . bien entendu, comme il s'agit d'une osmonde par sauts d'inductance, cette relation sera maintenue à une valeur limite, afin d'obtenir la dénre3étisation complète du circuit. A est effet, on prévoit sur l'inductance secondaire Ls un certain nombre de prises inerme qui sont reliées à la charge par l'intermédiaire d'éléments de cwnstation de puissance unidirectionnels ne pouvant admettre de courant que lorsque le transistor de découpage ne ne conduit plus, c'est-à-dire perdant la phase de restitution de l'énergie mX > étique. Dans l'exemple de réalisation particulier décrit ici, les éléments de commutation sont au nombre de trois. Les deux premiers sont constitués par des thyristors Th1 et Th2, tandis que le troisième est constitué par une simple diode D. Les gachettes des deux thyristors sont reliées à un dispositif de commande 00K à seuils de tension, sensible à la tension de sortie Us aux bornes de la lampe X. Pour une faible valeur de la tension de sortie Us, seule la diode D est en service et assure la démagnétisation du circuit dans le temps (T-i?). Ensuite, pour une valeur supérieure de la tension Us, le thyristor Th1 est déclenché au moyen d'une impulsion de tension engendrée sur sa gachette par le dispositif à seuils COM. Cette impulsion a l'allure représentée sur le diagramme de la figure 2c et elle est synchronisée sur la fréquence de découpage, grâce à une liaison de synchronisation S prévue entre le découpeur K et le dispositif à seuils COM. On notera que lorsque le thyristor Th1 conduit, la diode D est automatiquement soumise à un potentiel inverse qui ne lui permet plus de conduire. Pour une valeur encore supérieure de la tension Us, le thyristor Th2 est déclenché par le dispositif à seuils ZOOM. La diode D et le thyristor Th sont alors polarisés en inverse et ne peuvent plus conduire, même si la commande de gachette est maintenue sur Th1, ceci étant la conséquence directe de la répartition des potentiels aux bornes de l'inductance secondaire. L'application rigoureuse du procédé de démagnétisation selon l'invention permet à l'inductance primaire Lp de réaliser à chaque impulsion un prélèvement d'énergie proportionnel à la tension du réseau, sans bouche d'asservissement. principale. Il s'agit d'une automodulation d'énergie instantanée liée à la tension sinusoidale du réseau d'alimentation, et ceci malgré la très forte variation de la tension aux bornes de la charge, qui peut être facilement dans un rapport de dix. Par suite, le réseau de distribution d'énergie n'est pas dégradé, le courant sur celui-ci étant prélevé selon une loi sinusoidale et en phase avec la tension du réseau, comme illustré par le diagramme de la figure 3. De même, la puissance prélevée sur le réseau est constante, la charge sur le condensateur C répondant à cette condition puisqu'elle est de la forme Uc = Y-E, , comme illustré par le diagramme de la figure 4. L'enveloppe du courant sinusoïdal est donc constante. Cependant, il arrive souvent que le réseau ne soit pas parfait. Dans ce cas, et pour s'affranchir des variations lentes du secteur, on peut prévoir un circuit de régulation REG permettant d'obtenir une information 5 proportionnelle à l'énergie transférée sur la charge. Ce circuit REG est représenté en détail sur la figure 5 et se compose essentiellement d'un circuit magnétique de faible puissance comportant une inductance primaire L1 couplée à une inductance secondaire L2. L'inductance L1 est connectée en parallèle sur l'inductance primaire Lp du circuit magnétique principal par l'intermédiaire d'une diode D1, tandis que l'inductance L2 est branchée sur une charge constante constituée de deux résistances R1 et R2, par l'intermédiaire d'une diode D2 et d'un condensateur C1. Ainsi, le même transistor de découpage Tr commande les deux circuits magnétiques, la diode D1 ayant pour but de rendre la restitution d'énergie du circuit magnétique auxiliaire L1/L2 indépendante de l'état de charge du con densateur C destiné à alimenter la lampe flash X. L'inductance L2 restitue son énergie accumulée pendant la durée (T-e) par la diode D2 et l'intégrateur C1, R1 + R2. La charge R1 + R2 étant constante, la tension aux bornes de R2 est l'image de la tension moyenne UR issue du redressement secteur pour t constant. Cette tension aux bornes de R2 est donc appliquée au circuit de contre-réaction du découpeur K afin de modifier la durée t en fonction des fluctuations du secteur et d'assurer ainsi un transfert d'énergie constant vers le condensateur C. Par suite, celui-ci sera toujours chargé à la même valeur à l'instant précédant la décharge. Le procédé de démagnétisation selon l'invention peut également s'appliquer avantageusement à la fonction de filtrage. Il existe en effet de nombreuses structures dans lesquelles la fonction de filtrage est obtenue au moyen d'une cellule comportant une inductance L et un condensateur C, comme dans l'exemple représenté sur la figure 6. Dans cette application, la fonction de l'inductance de filtrage L est double. Le même enroulement sert à limiter le courant dans la phase de conduction du transistor de découpage Tr1 commandé par le découpeur K1, puis restitue son énergie lorsque celui-ci est bloqué. Or, pour les applications où la tension de sortie aux bornes de la charge P est très fluctuante, et peut notamment être sensiblement inférieure à la tension nominale, l'inductance de filtrage nécessite une période de démagnétisation relativement longue, ce qui la conduit à saturation. Conformément à l'invention, et comme dans l'exemple décrit plus haut, une diode D et deux thyristors Th1 et Th2 commandés par un dispositif à seuils de tension COM sont connectés à des prises intermédiaires de l'induc tances de filtrage L. Le dispositif à seuils COM, en relation avec la tension de sortie, adapte la valeur de l'inductance dans la phase de restitution, de marnière à conserver un temps de démagnétisation constant. On évite ainsi à l'inductance de subir le passage d'une composante continue excessiye en courant, risquant de la saturer, ce qui permet de maintenir l'efficacité du filtre malgré des variations importantes de courant. REVENDICATIONS 1. Procécé pour éliminer les perturbations liées aux fluctuations de la charge dans les alimentations à découpage comportant un circuit magnétique avec une inductance primaire (Lp) couplée à une inductance secondaire (Ls), caracb:-' risé en ce qu'il consiste à adapter automatiquement la valeur de l'inductance secondaire (Ls) en fonction de la tension (Us) aux bornes de la charge (X), afin d'assurer un transfert total de l'énergie magnétique pour chaque période de la fréquence de découpage. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre d'éléments de commutation (D, Th1, Th2), connectés en parallèle entre la charge (X) et différentes prises intermédiaires de l'inductance secondaire (Ls), et un circuit de commande à seuils de tension (COM) pour commander successivement lesdits éléments de commutation en fonction de la tension (Us) aux bornes de la charge (X). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments de commutation sont constitués par des thyristors (Th1, Th2). 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend également un circuit de régulation automatique (REG) pour compenser les variations lentes de la tension aux bornes de l'inductance primaire (Lp). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de régulation (REG) comporte un circuit magnétique auxiliaire (L1,L2) de faible puissance connecté en parallèle sur le circuit principal et dont la charge (R1 + R2) est constante, la tension aux bornes de ladite charge étant utilisée comme tension d'asservissement de la commande de découpage. 6. Procédé selon la revendication 1, applicable à une alimentation à découpage dans laquelle l'inductance primaire et l'inductance secondaire sont combinées en une seule inductance (L) dite de filtrage, caractérisé en ce qu'il consiste à adapter automatiquement la valeur de l'inductance de filtrage (L) en fonction de la tension aux bornes de la charge, pendant la phase de restitution de l'énergie magnétique. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre d'éléments de commutation (D, Th1, Th2), qui se trouvent connectés en parallèle entre la charge (P) et différentes prises intermédiaires de l'inductance de filtrage (L) dans la phase de restitution de l'énergie magnétique, et un dispositif de commande à seuils de tension (COM) pour commander successivement lesdits éléments de commutation en fonction de la tension aux bornes de la charge. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les éléments de commutation sont constitués par des thyristors (Th1, Th2)