Brevet FR2553945A1 — publié le 19850426

Dispositif Vernier pour hacheur statique à semi-conducteurs La présente invention concerne un dispositif Vernier pour hacheur statique à semi-conducteurs fonctionnant avec une charge inductive équipée d'une diode de roue libre. Il est bien connu qu'un hacheur statique fonctionnant avec un rapport d'ouverture e( délivre au récepteur une tension moyenne Umoy = U (où U est la tension de la source d'alimentation). Si R moy désigne la résistance du récepteur, le courant moyen circulant dans le récepteur est alors : Io : o R Il s'ensuit que le courant moyen minimum réglable est lié directement au rapport cyclique d'ouverture minimum du hacheur par la relation : (Io) min = min. R Dans certaines applications telles que la traction électrique par exemple, il est nécessaire de pouvoir contrôler des courants très faibles au démarrage. Le hacheur seul ne permet pas cette possibilité à cause de sa limitation en min et on doit lui associer un dispositif dit "Vernier pour réduire artificiellement son rapport cyclique d'ouverture minimum, d'un facteur K, inférieur à l'unité, contrôlable de fanon continue à tout instant. On connait des dispositifs faisant appel à des schémas spécifiques de hacheur où le Vernier est intégré dans le hacheur. Ceux-ci présentent l'inconvénient d'avoir des schémas électriques figés correspondant à une technologie bien définie de semi-conducteurs, et ne permettent pas de suivre l'évolution et/ou le développement de nouveaux semi-conducteurs applicables à la traction électrique. On connaît également un dispositif Vernier qui peut s'associer à un hacheur quelconque et qui comporte un thyristor mis en série avec le hacheur. Mais ce dispositif présente l'inconvénient majeur d'avoir un thyristor traversé par le courant principal du hacheur et soumis en régime Vernier à la tension d'alimentation. Ce thyristor qui doit être dimensionné pour la tension d'alimentation et pour le courant nominal introduit des pertes supplémentaires contribuant à une baisse de rendement global du hacheur. La présente invention a pour but d'éviter les inconvénients précités tout en permettant une réduction artificielle du rapport cyclique d'ouverture minimum d'un hacheur d'un facteur R allant de quelques pour cents à l'unité. Elle a pour objet un dispositif Vernier pour hacheur statique intercalé entre une source d'énergie électrique et une charge électrique inductive équipée d'une diode de roue libre. Ce dispositif comporte un interrupteur statique shunté par une résistance et mis en série avec la diode de roue libre. Lorsqu'un hacheur statique fonctionne au rapport cyclique d'ouverture minimum sur une charge inductive, son temps de conduction est petit vis-à-vis de sa période de fonctionnement elle même très petite vis-àvis de la constante de temps inductive de la charge de sorte que la valeur moyenne minimale du courant dans la charge est déterminée pour l'essentiel par la forme du courant de magnétisation dans la diode de roue libre. L'interrupteur statique du dispositif Vernier placé en série avec la diode de roue libre et en shunt sur une résistance permet d'introduire à volonté une résistance d'amortissement sur le parcours du courant de magnétisation et par conséquent de diminuer de manière contrôlée la valeur moyenne du courant dans la charge au rapport cyclique d'ouverture minimum du hacheur. N'étant pas disposé en série avec le hacheur et étant protégé de la tension d'alimentation par la diode de roue libre, il n'a pas à être dimensionné pour la tension d'alimentation et le courant nominal. Selon une variante préférée, le dispositif Vernier comporte en outre une diode de protection contre les tensions inverses placée en parallèle sur l'interrupteur statique dans un sens de conduction opposé à celui de la diode de roue libre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel : - la figure 1 est un schéma électrique d'un dispositif Vernier selon l'invention, - les figures 2 et 3 des diagrammes illustrant la forme du courant dans la charge résultant de deux modes de fonctionnement différents du dispositif Vernier représenté à la figure 1, - et la figure 4 est un abaque illustrant les rapports existant entre les valeurs des facteurs de réduction du rapport cyclique d'ouverture un minimum du hacheur obtenus avec le dispositif Vernier représenté dans la figure 1 et les valeurs des différents paramètres. On distingue dans la figure 1 une source d'alimentation en énergie électrique 1 connectée à une charge inductive 2 par l'intermédiaire d'un hacheur 3. La charge inductive 2 est représentée de manière simplifiée par une inductance 4 en série avec une résistance 5 mais il est bien évident qu'elle peut présenter une force contre électromotrice et être constituée d'un moteur. Elle est pourvue d'une diode de roue libre 6 mise en série avec le dispositif Vernier constitué d'un interrupteur statique à semi-conducteur 7 en parallèle avec une résistance 8 et d'un circuit de commande 9 de l'interrupteur statique 7. La charge inductive 2 reçoit de l'énergie de la source d'alimentation 1 lorsque le hacheur 3 est conducteur et dissipe son énergie magnétique dans la diode de roue libre 6 et dans le dispositif Vernier lorsque le hacheur 3 est bloqué. La figure 2 montre la forme du courant dans la charge 3 avec un premier mode de fonctionnement du dispositif Vernier dans lequel son interrupteur statique à semi-conducteur 7 est débloqué par le circuit de commande 9, une fois par période de fonctionnement du hacheur 3. Dans cette figure T représente la période de fonctionnement du hacheur 3, son rapport cyclique d'ouverture, kT la durée de conduction de l'interrupteur statique 7 pendant le temps de blocage (1 - q ) T du hacheur 3, âT la durée de blocage de l'interrupteur statique 7 pendant le temps de blocage (1 - ) T du hacheur 3 et I le courant moyen parcourant la charge. A l'instant o, le hacheur 3 est rendu conducteur, la charge inductive 2 reçoit un courant croissant de la part de la source d'énergie 1. Aucun courant ne circule dans la diode de roue libre 6 qui est polarisée en inverse ni par conséquent dans l'interrupteur statique 7 qui est bloqué. A l'instant T, le hacheur 3 est bloqué, la tension aux bornes de la charge 2 se retourne sous l'action de l'énergie magnétique emmagasinée qui s'évacue dans la branche de roue libre et qui se dissipe rapidement dans la résistance 8, l'interrupteur statique 7 étant bloqué. A l'instant ( a( + ) T, l'interrupteur statique 7 est débloqué, permettant à l'énergie magnétique restante de contourner la résistance 8 et de se dissiper plus lentement selon la propre constante de temps de la charge 2. Au bout d'une durée ss T, les conditions initiales sont retrou- vées, le hacheur 3 étant à nouveau déclenché et provoquant le blocage de la diode de roue libre 6 et par conséquent de l'interrupteur statique 7 du dispositif Vernier. En désignant par R et L les valeurs de la résistance 5 et de l'inductance 4 de la charge inductive 2, par Ro la valeur de la résistance 8 du dispositif Vernier, par U la valeur de tension de la source 1 et en admettant que la période T de fonctionnement du hacheur 3 est très petite devant les constantes de temps L/R et L/(R + Ro), le courant moyen I dans la charge 3 peut s'exprimer en première approximation par On en déduit un facteur K1 de réduction du rapport cyclique d'ouverture du hacheur 3 égal à La variation de ce rapport K1 en fonction de la durée de blocage T de l'interrupteur statique 7 du dispositif Vernier pendant l'intervalle de temps (1 - i ) T de blocage du hacheur 3 est illustrée à la figure 4 pour différentes valeurs du rapport Ro/R. Il est à noter que le rapport cyclique de blocage s de l'interrupteur statique 7 peut varier de O à (1 - ) valeur du rapport cyclique de blocage du hacheur 3, l'interrupteur statique 7 ayant tout le temps de se bloquer pendant la conduction du hacheur 3. La valeur moyenne du courant dans la charge 2 tend vers zéro lorsque le rapport cyclique & tend vers 1 L'effet Vernier cesse lorsque S est nul. Pour ce premier mode de fonctionnement l'interrupteur statique 7 peut être un thyristor disposé dans le même sens de conduction que la diode de roue libre 6. Le circuit de commande de 9 qui ressort de la technique usuel ne sera pas détaillé. La figure 3 illustre la forme de courant dans la charge 3 avec un deuxième mode de fonctionnement du dispositif Vernier dans lequel le circuit de commande 9 débloque et bloque périodiquement l'interrupteur statique 7 avec une période T' qui peut être voisine ou égale à un sous-multiple du temps de blocage (1 - ) T du hacheur 3, et un rapport cyclique d'ouverture Au cours du temps de blocage (1 - o( ) T du hacheur, l'interrupteur statique 7 du dispositif Vernier est bloqué pendant des durées ss T' où l'énergie magnétique de la charge 3 se dissipe rapidement dans la résistance 8 et conducteur pendant les durées (1 - > ) T' où l'énergie magnétique de la charge 3 se dissipe plus lentement. Dans la mesure où la période de fonctionnement T' de l'interrupteur statique 7 du dispositif Vernier est assimilée à un sous multiple du temps de blocage (1 - ) T du hacheur 3 le courant moyen I dans la charge 3 s'exprime simplement par la relation On en déduit un facteur K2 de réduction du rappoort cyclique d'ouverture du hacheur 3 égal à Ce facteur de réduction K2 se déduit du facteur de réduction précédent K1 en remplaçant simplement le paramètre S par le paramè tre A (1- S ) . Il est à noter que, dans le premier mode de fonctionnement le paramètre S varie de O à (1 - ) tandis que, dans le deuxième mode de fonctionnement le paramètre > varie de O à 1 pratiquement. Pour ce deuxième mode de fonctionnement, l'interrupteur statique 7 du dispositif Vernier doit être blocable en l'absence d'annulation de courant. Il sera de préférence réalisé à l'aide d'un GTO ou d'un transistor. Dans les deux cas de fonctionnement, il est avantageux de placer une diode 10 en antiparallèle sur l'interrupteur statique 7 du dispositif Vernier et en série avec la diode de roue libre 6 mais dans un sens de conducteur opposé. La présence de cette diode 10 permet d'éviter toute polarisation inverse de l'interrupteur statique 3. On peut, sans sortir du cadre de l'invention modifier certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Dispositif Vernier pour hacheur statique (3) intercalé entre une source d'énergie électrique (1) et une charge inductive (2) équipée d'une diode de roue libre (6) caractérisé en ce qu'il comporte un interrupteur statique (7) shunté par une résistance (8) et mis en série avec la diode de roue libre (6). 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une diode (10) branchée en antiparallèle sur l'interrupteur statique (7), en série avec la diode de roue libre (6) aux bornes de la charge (3) mais dans un sens de conduction oppose. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de commande (9) débloquant l'interrupteur statique (7) une fois par période de fonctionnement du hacheur (3), au cours du temps de blocage de ce dernier. 4/*Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de commande (9) débloquant l'interrupteur statique (7) plusieurs fois par période de fonctionnement du hacheur (3), au cours du temps de blocage de ce dernier.