Brevet FR2565433A1 — publié le 19851206

l Convertisseur de puissance à contrôle par cycles. La présente invention se rapporte à un convertisseur de puissance électrique à contrôle par cycles, dont la tension d'entrée est continue et qui est également appelé alimentation à découpage; il s'agit d'un conver- tisseur sur l'entrée duquel est branchée une alimentation et qui comporte des moyens d'interruption de la conduction afin de fournir sur sa sortie, pour chaque cycle d'une durée fixe, une quantité d'énergie prédéterminée. Il existe des convertisseurs de ce type qui sont connus et dans lesquels les moyens d'interruption sont commandés en fonction d'un paramètre de contrôle, Vc, qui est fonction de l'erreur entre un paramètre de sortie et la valeur de référence de ce même paramètre de sortie; le paramètre de contrôle détermine, ou bien directement le temps de conduction, ou bien, par exemple, la valeur maximale du courant envoyé vers la charge. Ces convertisseurs necessitent obligatoirement un asser- vissement en fonction de leur tension ou de leur courant de sortie; si cet avertissement n'est pas très efficace, le convertisseur laisse passer les perturbations de l'alimentation d'entrée vers la charge de sortie. La présente invention a pour but de proposer un Convertisseur présentant un très grand isolement entre son entrée et sa sortie de manière, en particulier, à pratiquement éviter que les perturbations de l'alimentation branchée sur son entrée puissent être ressenties par une charge branchée sur sa sortie. Ceci est obtenu principalement par une commande des moyens d'interruption de la conduction à partir d'un contrôle en énergie, effectué à chaque cycle. Selon l'invention un convertisseur de puissance électrique conti- nue, à contrôle par cycles, comportant une entrée destinée au bran- chement d'une alimentation continue, une sortie destinée au branchement d'une charge, des moyens d'interruption intercalés entre l'entrée et la sortie, et des moyens de commande pour commander l'ouverture des moyens d'interruption, est caractérisé en ce que les moyens de commande comportent un circuit de mesure, remis à zéro au début de chaque cycle, pour fournir, sur une sortie, un signal de mesure représentatif de l'énergie en un endroit donné du convertisseur et un comparateur couplé au circuit de mesure pour commander l'ouverture par comparaison avec un paramè- tre de contrôle. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéris- tiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: - les figures 1 et 2 des convertisseurs selon l'art antérieur, - la figure 3 un convertisseur selon l'invention. Sur les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères. La figure 1 montre un convertisseur selon l'art connu. Ce conver- tisseur comporte une entrée avec deux bornes AB prévues pour le branchement d'une alimentation continue de tension de sortie VI, et une sortie avec deux bornes MN prévues pour le branchement d'une charge; une tension apparaît entre les points M et N quand la tension VI est appliquée entre les bornes A et B et que la charge est branchée sur la sortie. Les bornes B et N sont reliées par un conducteur qui est lui-même relié à la masse. Les bornes A et M sont reliées par un autre conducteur dans lequel sont insérés, en série à partir de la borne A, un interrupteur électronique 9 et une inductance L; une diode D est branchée entre, d'une part, le point commun à l'interrupteur 9 et à l'inductance L et, d'autre part, la masse; un condensateur C est branché entre les bornes M et N. L'inductance L et le condensateur C constituent un filtre de sortie du convertisseur, pour réguler la tension V2; la diode D permet à l'inductan- ce L de conduire quand l'interrupteur 9 est ouvert. Un comparateur de tensions, 10, compare la tension V2 à une tension fixe Vr; la sortie du comparateur 10 est reliée à travers un filtre correcteur 11, suivi d'un amplificateur 12, à la première entrée d'un autre comparateur de tensions, 6, pour lui fournir une tension Vc; le filtre correcteur Il est généralement réalisé en fonction de la charge de sortie du convertisseur et de la bande de fréquences dans laquelle les parasites doivent être supprimés. Le comparateur 6 reçoit sur sa seconde entrée un signal en dents de scie montantes de période T, délivré par un générateur de dents de scie, 70. La sortie du comparateur 6 est reliée à une entrée de commande de l'interrupteur 9. Le comparateur 6 commande l'ouverture de l'interrupteur 9 lorsque la tension de la pente de la dent de scie devient supérieure à la tension Vc. Ainsi, pendant un cycle de régulation, de durée T déterminée par la période des dents de scie, l'interrupteur 9 est fermé pendant une durée tl = k'.Vc, o tl est au plus égal à T et o k' est une constante déterminée par la pente des dents de scie. Le convertisseur de puissance selon la figure 1, fournit une tension V2 qui, sans tenir compte des pertes dans les différents éléments du circuit, est telle que V2 VI ce qui donne, avec tl = k'.Vc V2 = VI.k' Vc T cette équation montre que, si VI varie brusquement du fait d'une perturbation, il faut que la valeur de Vc soit modifiée très rapidement en conséquence pour que la perturbation ne soit pas ressentie par la tension de sortie V2; ceci suppose une bande passante de la boucle de régulation -11-12-6-9-L-D-C très large, ce qui est donc difficile à réaliser. La figure 2 montre un autre exemple de réalisation d'un convertis- seur selon l'art connu. Ce convertisseur correspond au convertisseur de la figure I dans lequel un ampèremètre, 2, aurait été inséré entre la borne A et l'interrupteur 9 et dans lequel le comparateur 6 aurait toujours reçu sur sa première entrée la tension Vc mais aurait reçu sur sa seconde entrée le signal de sortie de l'ampèremètre 2 et aurait sa sortie reliée à l'entrée de mise à zéro d'une bascule, 8, dont l'entrée de mise à I recevrait, d'un circuit d'horloge, 7, des impulsions fines de période T déterminant les débuts des cycles de conduction, et dont la sortie directe commanderait l'interrupteur 9. Ainsi quand, en début de cycle, l'interrupteur 9 est fermé, le courant, Il, mesuré par l'ampèremètre, 2, croit progressivement du fait de l'inductance L; quand, au temps tl (tl coefficient de proportionnalité assimilable à une conductance), le compa- rateur 6 remet à zéro la bascule 8, ce qui entraîne l'ouverture de l'interrupteur 9 jusqu'au début du cycle suivant. Le convertisseur de puissance selon la figure 2 fournit, sur sa sortie, une énergie E qui est fonction de VI, de I max et de tI: E = f(Vl, I max, tl) or, si VI augmente brusquement du fait d'une perturbation, E augmentera et V2 sera donc perturbé, à moins que tl ne diminue très rapidement, ce qui nécessite une diminuation rapide de Vc. Pour qu'il en soit ainsi il faut, comme dans le cas de la figure 1, que la bande passante de la boucle de régulation 10-11-12-6-8-9-L-D-C soit très large; là encore la réalisation de la boucle pose des problèmes. La figure 3 est un exemple de réalisation d'un convertisseur de puissance selon l'invention, dans lequel le contrôle n'est plus un contrôle en tension, comme dans le cas de la figure 1, ou un contrôle en courant, comme dans le cas de la figure 2, mais un contrôle en énergie. Le contrôle consiste à mesurer l'énergie en un endroit, qui peut être quelconque, de la voie directe qui relie l'entrée AB et la sortie MN, cette mesure commen- çant avec chaque cycle et permettant de couper la liaison entrée-sortie dès que la valeur mesurée atteint une valeur donnée. La figure 3 correspond à la figure 2 dans laquelle la liaison directe entre l'ampèremètre 2 et le comparateur 6 est supprimée et dans laquelle sont ajoutés: un voltmètre I branché entre les bornes d'entrée AB, un multiplicateur 3 dont les deux entrées sont respectivement reliées à la sortie du voltmètre et de l'ampèremètre, un intégrateur 4 dont l'entrée de signal est reliée à la sortie du multiplicateur 3 et un extracteur de racine carrée, 5, dont l'entrée est reliée à la sortie de l'intégrateur 4 et dont la sortie est reliée à la seconde entrée du comparateur 6. Dans le circuit selon la figure 3 la sortie de la bascule, 8, non seulement commande l'interrupteur 9 mais également commande la remise à zéro de l'intégra- teur 4. Le circuit selon la figure 3, dans lequel le circuit d'horloge, 7, délivre des impulsions de 1 ps, a une fréquence de 60 kHz. Ainsi, le multiplicateur 3 fournissant à l'intégrateur 4 un signal représentatif du produit tension par intensité délivrée à l'entrée du convertisseur, l'inté- grateur 4 délivre un signal représentatif de l'énergie entre le début d'un cycle commandé par une impulsion du circuit circuit d'horloge et l'instant o la bascule 8 commande l'ouverture de l'interrupteur 9. Cette ouverture de l'interrupteur 9 intervient au moment o la quantité d'énergie mesurée grâce au wattmètre que constituent les circuits 1 à 3 et à l'intégration par l'intégrateur 4, dépasse la valeur du signal Vc fourni par l'amplificateur 12, ou plus exactement au moment o la racine carrée de la valeur de cette énergie dépasse la valeur de Vc. A l'instant o ce dépassement a lieu la bascule 8 passe à zéro entraînant l'ouverture de l'interrupteur 9 et la mise à zéro de l'intégrateur 4; l'envoi d'énergie de l'entrée AB vers la sortie MN cesse ainsi jusqu'à la fin du cycle en cours. Avec le convertisseur seJon la figure 3, lorsqu'une perturbation apparaît à l'entrée AB, l'énergie que représente cette perturbation est immédiatement prise en compte par les circuits I à 5 et donc par le comparateur 6, sans nécessiter une modification rapide du signal Vc fourni par l'amplificateur 12; la réalisation de la boucle de régulation, 10-1112- 6-8-9-L-C-D, s'en trouve grandement simplifiée. Il est à noter que, dans le cas o seule une régulation d'énergie avec un bon isolement entrée-sortie est désirée, le schéma de la figure 3 peut être modifié par suppression des circuits 10 à 12, le comparateur 6 recevant alors sur sa première entrée une tension Vc fixe. Avec le schéma selon la figure 3 il a été possible d'atteindre 40 dB d'atténuation des parasites entre l'entrée AB et la sortie MN avec une fréquence de cycles de 60 kHz et une fréquence de coupure de la boucle d'asservisssement (circuits 10,11,12,6,8) égale à 80 Hz. A titre de compa- raison un convertisseur selon la figure I avait été réalisé avec une fréquence de cycles de 100 kHz et une fréquence de coupure de la boucle d'asservissement de 30 kHz; ce convertisseur n'atteignait que 30 dB d'atténuation des parasites entre son entrée et sa sortie. Il est à remarquer que le signal de sortie de l'intégrateur 4 de la figure 3, peut être directement appliqué sur la seconde entrée du comparateur 6; l'avantage de l'extracteur de racine carrée 5 est que, par Vc sa présence, la variation de gain V du circuit qui comprend les éléments 1-9,L,D,C et la charge de sortie, est réduite par rapport au cas o l'extracteur de racine carrée, 5, est éliminé. De même l'extracteur de racine carrée 5 de la figure 3 peut être remplacé par tout circuit dont le signal de sortie est une fonction monotone du signal d'entrée. Différentes autres variantes au convertisseur de la figure 3 peuvent être réalisées sans sortie du cadre de l'invention. C'est ainsi que la mesure de l'énergie peut se faire en tout point de la liaison directe entre l'entrée AB et la sortie MN: après l'interrupteur 9 ou après l'inductance L. De même le wattmètre constitué par les éléments I à 3 de la figure 3 peut être remplacé, par exemple, par un wattmètre à effet Hall. Une autre variante peut consister à commander l'interrupteur 9 non pas simplement en fonction de l'énergie fournie o de sa racine carrée mais en fonction d'un produit de deux valeurs dont un des éléments ferait intervenir l'énergie et dont l'autre élément serait, par exemple de la forme H+K.1121 o H et K sont des constantes et o 1121 représente la valeur absolue du courant dans la charge branchée sur les bornes de sortie du convertisseur. REVENDICATIONS 1. Convertisseur de puissance électrique continue, à contrôle par cycles, comportant une entrée (AB) destinée au branchement d'une alimentation continue, une sortie (MN) destinée au branchement d'une charge, des moyens d'interruption (9) intercalés entre l'entrée et la sortie, et des moyens de commande (1-8) pour commander l'ouverture des moyens d'interruption, caractérisé en ce que les moyens de commande comportent un circuit de mesure (1-5), remis à zéro au début de chaque cycle, pour fournir, sur une sortie, un signal de mesure représentatif de l'énergie en un endroit donné du convertisseur et un comparateur (6) couplé au circuit de mesure pour commander l'ouverture par comparaison avec un paramè- tre de contrôle (Vc). 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de comparaison (10) pour comparer la tension de sortie (V2) du convertisseur à une tension de référence (Vr), ce circuit de comparaison étant couplé au comparateur (6) pour lui fournir le paramètre de contrôle (Vc). 3. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un élément bistable (8) à deux entrées dont une des deux entrées est commandée par des signaux d'horloge apparaissant en début de chaque cycle et dont l'autre entrée est commandée par le comparateur (6) et dont la sortie est couplée à une entrée de commande des moyens Minterrupteur (9). 4. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de mesure comporte un wattmètre (1-3) suivi d'un circuit d'inté- gration (4) comportant une entrée de remise à zéro couplée à la sortie de l'élément bistable (8) et une sortie couplée au comparateur (6). 5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le circuit de mesure (1-5) comporte un circuit de transformation (5) fournissant sur sa sortie un signal dont une valeur est fonction monotone d'une valeur du signal appliqué sur son entrée, ce circuit de transformation ayant une sortie qui constitue la sortie du circuit de mesure.