Brevet FR2551932A1 — publié le 19850315

La présente invention concerne un onduleur à modulation d'impulsions en largeur, et elle porte plus particulièrement sur un onduleur à modulation d'impulsions en largeur avec forçage au neutre. Un onduleur à modulation d'impulsions en largeur connu comprend une source d'alimentation à prise centrale, avec des bornes positive et négative, la prise centrale étant connectée au neutre ou à la masse Les bornes positive et négative sont connectées à un filtre de sortie passe- bas par l'intermédiaire d'éléments de commutation respectifs qui peuvent être des transistors ou des dispositifs analogues Les éléments de commutation de l'onduleur sont commandés de façon à conduire alternativement le courant vers le filtre de sortie, ces éléments de commu15 tation appliquant au filtre un signal en modulation par impulsions en largeur sous l'effet duquel le filtre produit une tension de sortie alternative qui est appliquée à une charge. Le signal en modulation d'impulsions en largeur 20 qui est appliqué au filtre de sortie présente de façon caractéristique une excursion de tension à chaque demi-cycle de la sortie qui est égale à la tension totale fournie par l'alimentation de l'onduleur Pour fournir la tension de sortie alternative désirée, il est de façon caractéristique 25 nécessaire d'employer un très grand filtre de sortie, pour accepter l'excursion de tension totale élevée du signal en modulation d'impulsions en largeur que fournit l'onduleur. Lorsqu'on utilise l'onduleur dans des applications dans lesquelles le poids est critique, comme dans un aéronef, l'utilisation de tels filtres de grandes dimensions est extrêmement indésirable. Un autre problème des onduleurs à modulation d'impulsions en largeur connus consiste dans leur capacité à accepter des courants inverses fournis par la charge Dans des 35 applications dans lesquelles la charge est réactive, l'ali- mentation de l'onduleur comprend de façon caractéristique des condensateurs destines à accepter tous les courants inverses Même avec une charge ayant un facteur de puissance voisin de l'unité, si le courant de la charge est 5 permanent à cause du filtre de sortie, les condensateurs doivent toujours accepter des courants inverses Les condensateurs de l'alimentation doivent donc être très grands, augmentant ainsi le poids de l'onduleur, ce qui est indésirable pour de nombreuses applications. L'invention permet de supprimer 1 es inconvénients d'onduleurs à modulation d'impulsions en largeur antérieurs, exposés ci-dessus. L'onduleur à modulation d'impulsions en largeur de l'invention comprend un élément de commutation bidirec15 tionnel qui, lorsqu'il est conducteur, force au neutre ou à la masse la tension qui est appliquée au filtre de sortie de l'onduleur, pour donner un signal en modulation d'impulsions en largeur ayant une excursion de tension égale à la moitié seulement de la pleine tension de l'onduleur, 20 sur chaque demi-cycle de la sortie. Lorsque l'élément de commutation bidirectionnel est conducteur, il établit également un chemin vers la masse pour tout courant inverse provenant de la charge, ce qui permet de réduire la capacité d'absorption de courant in25 verse de l'alimentation. L'élément de commutation bidirectionnel de l'invention permet de réduire d'au moins 50 % les exigences d'atténuation du filtre de sortie de l'onduleur, du fait que l'excursion de tension du signal en modulation d'impulsions en largeur n'est que la moitié de la pleine tension d'alimentation de l'onduleur En outre, on peut réduire considérablement la taille des condensateurs de l'alimentation du fait qu'il n'est pas nécessaire qu'ils acceptent la totalité du courant inverse fourni par la charge La réduction de taille du fil35 tre de sortie et des condensateurs de l'alimentation conduit 3 2551932 à un onduleur qui est suffisamment léger pour des applications dans lesquelles le poids est critique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma d'une phase de l'onduleur à modulation d'impulsions en largeur avec forçage au neutre de l'invention; Les figures 2 A-2 E sont des signaux qui illustrent 10 le fonctionnement de l'onduleur à modulation d'impulsions en largeur avec forçage au neutre de la figure 1; et Les figures 3 A-3 D sont des signaux qui illustrent le fonctionnement d'onduleurs à modulation d'impulsions en largeur de l'art antérieur. L'onduleur qui est représenté sur la figure 1 produit au point A un signal en modulation d'impulsions en largeur, qui est appliqué à un filtre passe-bas de sortie 10, formé par une inductance 11 et un condensateur 12, ce filtre produisant au point A' une tension alternative de 20 sortie qui est appliquée à une charge 14 L'onduleur comprend une alimentation à prise centrale qui est désignée de façon générale par la référence 16, comportant une source de tension continue 17 connectée à la borne 18 pour fournir une tension continue positive, +V Dc 9 et comportant une 25 source de tension continue 19 connectée à une borne 20, pour fournir une tension continue négative, -V Dc, la prise centrale 22 étant connectée au neutre ou à la masse Le filtre de sortie 10 et la charge 14 sont connectés entre la prise centrale de neutre et les bornes d'alimentation positive 30 et négative 18 et 20, par l'intermédiaire d'une paire de transistors 24 et 26, connectés en série, qui sont commandés de façon à produire le signal modulé en largeur d'impulsions au point A Des diodes 28 et 30 sont connectées en parallèle sur les transistors 24 et 26 respectifs, pour établir un che35 min pour des courants inverses fournis par la charge, qui cir- culent dans les directions respectives des flèches 32 et 34 L'alimentation 16 comporte une paire de condensateurs 36 et 38 qui sont connectés en parallèle par rapport aux sources 19 et 20, ces condensateurs acceptant un faible niveau de courant inverse, comme on l'envisagera ci-après. L'onduleur comprend un élément de commutation bidirectionnel 40 qui est branché aux bornes du filtre de sortie 10 pour établir un court-circuit aux bornes de ce filtre, ce qui a pour effet de forcer au neutre ou à la 10 masse la tension au point A, chaque fois que l'élément de commutation est placé à l'état conducteur L'élément de commutation bidirectionnel 40 comprend un transistor 42 et des diodes 44, 46, 48 et 50 connectées en pont Le collecteur du transistor 42 est connecté entre les cathodes 15 des diodes 44 et 46, l'anode de la diode 44 étant connectée à la prise centrale 22, correspondant au neutre, tandis que l'anode de la diode 46 est connectée au point A L'émetteur du transistor 42 est connecté entre les anodes des diodes 48 et 50, la cathode de la diode 48 étant connectée à 20 la prise centrale 22, correspondant au neutre, tandis que la cathode de la diode 50 est connectée au point A Lorsque l'élément de commutation bidirectionnel 4 est placé à l'état conducteur par l'application d'un courant de base au transistor 42, cet élément de commutation peut conduire le courant 25 soit dans une première direction, par la diode 44, le transistor 42 et la diode 50, soit dans une seconde direction par la diode 46, le transistor 42 et la diode 48, pour établir un courtcircuit aux bornes du filtre de sortie 10. L'onduleur comprend également un circuit de com30 mande 52 destiné à bloquer et à débloquer chacun des transistors 24, 26 et 42 afin de produire au point A un signal en modulation d'impulsions en largeur qui donnera en sortie du filtre, au point A', la tension alternative de sortie désirée, à appliquer à la charge. Le circuit de commande 52 applique un ensemble de 251 932 signaux de commande à la base de chacun des transistors 24, 26 et 42, pour bloquer et débloquer les transistors. Les figures 2 A-2 C montrent un exemple des signaux resp='tifs qui sont appliqués aux transistors 24, 26 et 42 On 5 voit d'après ces signaux que pendant l'intervalle 0-1800, le transistor 24 est alternativement bloqué et débloqué par le signal de la figure 2 A; le transistor 26 est bloqué; et le transistor 42 est débloqué par le signal de la figure 2 C chaque fois que les transistors 24 et 26 sont 10 bloqués De façon similaire, pendant l'intervalle 180 o3600, le transistor 26 est alternativement bloqué et débloqué par le signal de la figure 2 B; le transistor 24 est bloqué, et le transistor 42 est débloqué par le signal de la figure 2 C chaque fois que les transistors 24 et 26 sont 15 bloqués. Lorsque le transistor 24 est bloqué pendant la formation du demi-cycle positif de la tension de sortie alternative au point A', la tension au point A est approximativement égale à la tension de la source de tension con20 tinue positive, +V Dc, en négligeant toute chute de tension aux bornes du transistor Lorsque le transistor 24 est bloqué alors que le transistor 42 est conducteur, l'élément de commutation bidirectionnel 40 forme un court-circuit aux bornes du filtre 10,etducourant circule vers le point A en 25 passant par la diode 50, le transistor 42 et la diode 44, à partir de la prise centrale 22 correspondant au neutre, ce qui force approximativement au neutre ou à la masse la tension au point A Les transistors 24 et 42 sont débloqués alternativement pour produire au point A un ensemble d'impul30 sions positives, corrme les trois impulsions représentées sur la figure 2 D, afin de former le demi-cycle positif de la tension alternative de sortie, représentée sur la figure 2 E Du fait du forçage au neutre produit par l'élément de commutation bidirectionnel 40, chaque impulsion du signal en modula35 tion d'impulsions en largeur au point A a une excursion de 51932 tension qui est seulement de zéro à +V Dc, pendant le demicycle positif de la tension alternative de sortie. Lorsque le transistor 26 est débloqué pendant >t la formation du demicycle négatif de la tension alterna5 tive de sortie au point A', la tension au point A est approximativement égale à la tension continue négative, -V Dc, en négligeant à nouveau toute chute de tension aux bornes du transistor Lorsque le transistor 26 est bloqué alors que le transistor 42 est conducteur, l'élément de 10 commutation bidirectionnel 40 forme un court-circuit aux bornes du filtre 10, et un courant circule dans la diode 46, le transistor 42 et la diode 48, ce qui force au neutre ou à la masse la tension au point A Les transistors 26 et 42 sont débloqués alternativement pour produire au 15 point A un ensemble d'impulsions négatives, comme les trois impulsions représentées sur la figure 2 D, afin de former le demi-cycle négatif de la tension alternative de sortie qui est représentée sur la figure 2 E Du fait du forçage au neutre qu'effectue l'élément de commutation 40, 20 chaque impulsion du signal en modulation d'impulsions en largeur au point A a une excursion de tension de zéro à -V Dc pendant le demi-cycle négatif de la tension alternative de sortie. Des onduleurs à modulation d'impulsions en lar25 geur de l'art antérieur sont similaires à l'onduleur représenté sur la figure 1, mais ne comportent pas l'élément de commutation bidirectionnel 40 De tels onduleurs de l'art antérieur sont commandés par les signaux représentés sur les figures 3 A-3 B, conformément auxquels les deux transistors de 30 commutation Q 2 et Q 3 de l'onduleur sont débloqués alternativement pendant chaque demi-cycle, de O à 3600, de façon qu'un transistor soit toujours conducteur pendant que l'autre est bloqué La commande des deux transistors de commutation de la manière représentée sur les figures 3 A3 B conduit à un 35 signal en modulation d'impulsions en largeur tel que celui l 551938 représenté sur la figure 3 C, qui présente une excursion de tension égale à la pleine tension d'alimentation, soit de +V Dc à -V Dc, pendant chaque demi-cycle de la tension sinusoïdale de sortie, représentée sur la figure 3 Do Lorsque l'élément de commutation bidirectionnel 40 de l'invention est conducteur, il force au neutre ou à la masse la tension à l'entrée du filtre 10, c'est-àdire le point A, de façon à réduire l'excursion de tension au point A à la moitié de la pleine tension d'alimentation, 10 pendant chaque demi-cycle de la tension de sortie Du fait que l'excursion de tension du signal en modulation d'impulsions en largeur qui est appliqué au point A est réduite au cours de chaque demi-cycle de la tension de sortie, les exigences d'atténuation du filtre de sortie 10 peuvent 15 être réduites d'au moins 50 %. L'élément de commutation bidirectionnel 40 établit également un chemin vers le neutre ou la masse pour tout courant inverse généré par la charge qui circule pendant le temps au cours duquel l'élément de commutation bi20 directionnel est conducteur Avec une charge inductive ayant un facteur de puissance correspondant à un déphasage arrière, un courant inverse circule à partir de la charge dans la direction de la flèche 32 pendant l'intervalle 0-90 du signal de sortie au point A' Un courant inverse 25 circule également à partir de la charge dans la direction de la flèche 34 pendant l'intervalle 180 o-270 o du signal de sortie Lorsque l'élément de commutation bidirectionnel 40 est conducteur, il établit un chemin vers la masse pour tout courant inverse circulant à partir de la charge, ce qui fait que pour une charge inductive, le condensateur 36 de l'alimentation ne doit accepter un courant inverse que pendant l'intervalle 0-90 du signal de sortie, lorsque le transistor 24 est conducteur, et le condensateur 38 ne doit accepter un courant inverse que pendant l'intervalle 180 -270 o du signal 35 de sortie, lorsque le transistor 26 est conducteur Du fait que les condensateurs 36 et 38 ne doivent pas accepter tout le courant inverse, on peut réduire considérablement leur taille. La réduction de taille du filtre de sortie 10 et des condensateurs 36 et 38, du fait de l'action de l'élément de commutation bidirectionnel 40, conduit à un onduleur léger qu'on peut utiliser dans les applications dans lesquelles le poids est un facteur critique, comme dans un aéronef ou dans des applications analogues Bien 10 qu'on ait représenté l'onduleur à modulation d'impulsions en largeur avec forçage au neutre avec un signal en modulation d'impulsions en largeur ne comportant que trois impulsions par demi-cycle, on peut l'utiliser pour produire n'importe quel nombre désiré d'impulsions par demi-cycle. 15 En outre, bien que l'onduleur ne soit représenté que pour une seule phase, l'onduleur à modulation d'impulsions en largeur avec forçage au neutre fonctionnera pour n'importe quel nombre de phases. Il va de soi que de nombreuses modifications peu20 vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Onduleur destiné à appliquer une tension sous la forme d'un signal en modulation d'impulsions en largeur à un filtre ( 10) ayant une tension de sortie alternative avec des demi-cycles positifs et négatifs, l'onduleur comportant une alimentation ( 16) qui fournit à ses bornes une pleine tension, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 40) branchés entre l'onduleur et le filtre ( 10) et agissant pendant des intervalles prédéterminés de façon à 10 forcer à la masse la tension qui est appliquée au filtre ( 10), pour produire un signal en modulation d'impulsions en largeur ayant une excursion de tension égale à la moitié de la pleine tension au cours de chacun des demi-cycles. 2 Onduleur selon la revendication 1, caracté15 risé en ce qu'il comprend un premier élément de commutation ( 24) qui est alternativement conducteur et bloqué pendant la formation du demi-cycle positif de la tension alternative de sortie, et un second élément de commutation ( 26) qui est alternativement conducteur et bloqué pendant la for20 mation du demi-cycle négatif de la tension alternative de sortie, les moyens de forçage ( 40) agissant lorsque les premier et second éléments de commutation ( 24, 26) sont tous deux bloqués. 3 Onduleur destiné à appliquer un signal en modu25 lation d'impulsions en largeur à un filtre ( 10) ayant une tension alternative de sortie qui est appliquée à une charge ( 14), cet onduleur comportant une alimentation ( 16) avec des moyens ( 36, 38) destinés à accepter des courants inverses générés par la charge, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 40) branchés aux bornes du filtre ( 10)et de la charge ( 14) et agissant pendant des intervalles prédéterminés de façon à établir un chemin vers la masse pour des courants inverses générés par la charge pendant lesdits intervalles, afin de réduire le courant inverse qui est appliqué à l'ali35 mentation ( 16). 2551932 4 Onduleur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un premier élément de commutation ( 24) qui est alternativement conducteur et bloqué, de fagon à produire le demi-cycle positif de la tension 5 alternative de sortie, et un second élément de commutation ( 26) qui est alternativement conducteur et bloqué de fagon à produire le demi-cycle négatif de la tension alternative de sortie, et les moyens ( 40) établissant un chemin vers la masse agissent pendant les intervalles au 10 cours desquels les premier et second éléments de commutation ( 24, 26) sont tous deux bloqués. Onduleur destiné à appliquer un signal en modulation d'impulsions en largeur à un filtre ( 10) ayant une tension alternative de sortie, cet onduleur comportant 15 une source d'alimentation continue ( 16) avec une prise centrale( 22) et des bornes positive et négative ( 18, 20), la prise centrale ( 22) étant connectée au neutre, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier élément de commutation ( 24) connecté entre la borne positive ( 18) et le fil20 tre ( 10) ce premier élément de commutation appliquant, lorsqu'il est conducteur, une tension positive (+V Dc) au filtre; un second élément de commutation ( 26) connecté entre la borne négative ( 20) et le filtre ( 10), ce second élément de commutation appliquant, lorsqu'il est conducteur, une tension négative (-V Dc) au filtre; un élément de commutation bidirectionnel ( 40) connecté aux bornes du filtre ( 10), cet élément de commutation bidirectionnel établissant, lorsqu'il est conducteur, un court-circuit entre les premier et second éléments de commutation ( 24, 26) et le neutre ( 22); et des mo30 yens ( 52) destinés à commander les premier et second éléments de commutation ( 24, 26) ainsi que l'élément de commutation bidirectionnel ( 40), ces moyens de commande ( 52) débloquant alternativement le premier élément de commutation ( 24) et l'élément de commutation bidirectionnel ( 40) pour appliquer au filtre ( 10) un ensemble d'impulsions ayant des il 2551932 amplitudes correspondant à des excursions de zéro jusqu'à la tension positive (+VDC), pour produire le demi-cycle positif de la tension alternative de sortie, et ces moyens de commande ( 52) débloquant alternativement le second élément de commutation ( 26) et l'élément de commutation bidirectionnel ( 40) pour appliquer au filtre ( 10) un ensemble d'impulsions ayant des amplitudes correspondant à des excursions de zéro à la tension négative (-V Dc), pour produire le demi-cycle négatif de la tension alternative de 10 sortie. 6 Onduleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de commande ( 52) bloquent et débloquent le premier élément de commutation ( 24) un certain nombre de fois avec le second élément de commutation ( 26) 15 bloqué, pour produire le demi-cycle positif de la tension alternative de sortie, et les moyens de commande ( 52) débloquent l'élément de commutation bidirectionnel ( 40) chaque fois que les premier et second éléments de commutation ( 24, 26) sont bloqués. 7 Onduleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de commande ( 52) bloquent et débloquent le second élément de commutation ( 26) un certain nombre de fois avec le premier élément de commutation ( 24) bloqué, pour produire le demi-cycle négatif de la tension alter25 native de sortie, et les moyens de commande ( 52) débloquent l'élément de commutation bidirectionnel ( 40) chaque fois que les premier et second éléments de commutation ( 24, 26) sont bloqués. 8 Onduleur selon la revendication 5, caractérisé 30 en ce que chacun des premier et second éléments de commutation ( 24, 26) est un transistor (Q 2, Q 3). 9 Onduleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément de commutation bidirectionnel ( 40) comprend un transistor ( 42, Q 1). 10 Onduleur selon la revendication 5, caractérisé en 255 i 932 ce que l'élément de commutation bidirectionnel ( 40), lorsqu'il est conducteur, force au neutre la tension qui est appliquée au filtre ( 10). 11 Onduleur selon la revendication 5, caracté5 risé en ce que l'élément de commutation bidirectionnel ( 40) établit un chemin vers le neutre ( 22) pour tout courant inverse généré par la charge qui circule pendant le temps au cours duquel l'élément de commutation bidirectionnel ( 40) est conducteur. 12 Onduleur destiné à appliquer un signal en modulation d'impulsions en largeur à un filtre ( 10) ayant une tension alternative de sortie, cet onduleur comportant une source d'alimentation continue à prise centrale ( 16), avec des bornes positive et négative ( 18, 20), la prise cen15 trale ( 22) étant connectée au neutre, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier transistor ( 24) connecté entre la borne positive ( 18) et le filtre ( 10), ce premier transistor appliquant, lorsqu'il est conducteur, une tension positive (+V Dc) au filtre ( 10); un second transistor ( 26) connecté entre la borne négative ( 20) et le filtre ( 10), ce second transistor appliquant, lorsqu'il est conducteur, une tension négative (-V Dc) au filtre ( 10); un élément de commutation bidirectionnel ( 40) connecté aux bornes du filtre ( 10), cet élément de commutation bidirectionnel établissant, 25 lorsqu'il est conducteur, un court-circuit entre les premier et second transistors ( 24, 26) et le neutre ( 22); et des moyens ( 52) destinés à commander les premier et second transistors ( 24, 26) et l'élément de commutation bidirectionnel ( 40), ces moyens de commande bloquant et débloquant alternativement 30 le premier transistor ( 24), bloquant le second transistor ( 24) et débloquant l'élément de commutation bidirectionnel ( 40) chaque foisque le premier transistor ( 24) est bloqué, pour produire le demi-cycle positif de la tension de sortie alternative, et ces moyens de commande ( 52) bloquant et débloquant 35 alternativement le second transistor ( 26), bloquant le pre- 255 i 932 mier transistor ( 24) et débloquant l'élément de commutation bidirectionnel ( 40) chaque fois que le second transistor ( 26) est bloqué, pour produire le demi-cycle négatif de la tension alternative de sortie. 13 Onduleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'élément de commutation bidirectionnel ( 40), lorsqu'il est conducteur, force au neutre la tension qui est appliquée au filtre ( 10), le premier transistor ( 24) appliquant au filtre ( 10) un ensemble d'impulsions ayant des amplitudes qui correspondent à des excursions de zéro jusqu'à la tension positive (+V Dc), pour produire le demi-cycle positif de la tension de sortie alternative,et le second transistor ( 26) appliquant au filtre ( 10) un ensemble d'impulsions ayant des amplitudes qui correspondent 15 à des excursions de zéro jusqu'à la tension négative (-V Dc), pour produire le demi-cycle négatif de la tension alternative de sortie. 14 Onduleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'élément de commutation bidirectionnel ( 40) 20 établit un chemin vers le neutre ( 22) pour tout courant inverse généré par la charge qui circule pendant le temps au cours duquel l'élément de commutation bidirectionnel ( 40) est conducteur. Onduleur selon la revendication 12, caracté25 risé en ce que l'élément de commutation bidirectionnel ( 40) comprend un troisième transistor ( 42) qui est connecté dans un pont de diodes ( 44, 46, 48, 50), pour permettre la circulation du courant dans une première direction ou une seconde direction lorsque le troisième transistor ( 42) est conduc30 teur.