Brevet FR2588704A1 — publié le 19870417

PERFECTIONNEMENTS AUX ALIMENTATIONS ELECTRIQUES A DECOUPAGE La présente invention concerne des perfectionnements aux alimentations electriques à découpage ou à hacheur comprenant des dispositifs interrupteurs de puissance sur sources à haute tension dans le technique considree, perfectionnements ayant essentiellement pour but d'en optimiser l'utilisation. La plupart des dispositifs actuels de ce type sont volumineux, lents, coûteux et ne répondent pas aux critères de qualité en matière de compacité, rapidité d'action et modicité du prix de revient. Ainsi, dans le cas des convertisseurs de type dit "flyback", c'est- -dire travaillant séquentiellement entre deux phases, l'une au cours de laquelle on emmagasine de l'énergie du côté primaire, l'autre au cours de laquelle cette énergie est restituée au secondaire, lorsqu'on les utilise sur reseau triphasé à 380 V que l'on redresse, la tension continue dont on dispose peut avoisiner:: 380 x 1,15 x 22 = 620 V Dans la majorité des cas, on recourt à des transistors interrupteurs de la classe dite très haute tension" dans cette technologie ( a tension collecteur-émetteur directe maximale hors conduction, ou à l'état bloqué VCEX de l'ordre de 1 500 V) qui, de par leur technologie même, sont plus lents, moins disponibles dans le commerce, et plus coûteux. Gracie à la présente invention, on peut dans un tel cas conserver un transistor rapide, et par consequent, une fréquence de découpage élevée, reduisant ainsi le volume des convertisseurs. Les dispositifs conformes à l'invention etant d'une classe de tension inférieure, ils sont à la fois meilleur marche et plus aisément disponibles. On notera la remarque importante suivante: dans cette structure de convertisseur, le circuit secondaire dmagnétiseur est indépendant du circuit primaire pendant la restitution de l'énergie. Durant cette phase, la surtension ramenée au primaire est directement proportionnelle au rapport du nombre de spires. Si v est la surtension ramenée au primaire, u5 la tension secondaire disponible, Vd la tension aux bornes de la diode redresseuse en direct, n p et n5 respectivement le nombre de spires des enroulements pri maires et secondaires, Cette surtension s'ajoute à la tension d'entrée ue, soit: La présente invention a pour but de limiter la surtension parasite due à l'inductance de fuite du transformateur et aux inductances de cabrage pour obtenir une valeur légèrement supérieure mais aussi voisine que possible de u e + v, la tension maximale à laquelle doivent résister les constituants semi-conducteurs du circuit hacheur. Pour ce faire. les dispositifs d'alimentation à découpage conformes à la présente invention comprennent un transformateur équipé d'une diode redresseuse en série avec son enroulement secondaire, et présentant de plus une diode de type Zener de puissance assurant l'écrêtage et montée en parallèle avec l'enroulement primaire. Ce dernier étant en série avec un interrupteur, on adjoint en série avec la diode ecrêteuse, une diode rapide empêchant la conduction de la diode. Zener en direct. Ces diodes sont montées tête-beche, à anode commune ou à cathode commune. Une telle disposition presente de nombreux avantages par rapport aux systèmes classiques: la tension d'écrêtage est très bien calibrée, le temps de mise en conduction peut être très court, par exemple de l'ordre de la picoseconde, de très grosses énergies transitoires sont aisément supportées, l'impédance dynamique est très faible. On peut de la sorte assurer une limitation (clamping) à une tension aussi faible que possible égale ou légèrement superieure à la surtension v ramenée au primaire. Une telle disposition permet également de s'affranchir des traditionnels enroulements dits de "clamping" et donc de simplifier le bobinage du transformateur. L'adjonction d'un circuit d'aide à la commutation à l'ouverture rend plus sûr le fonctionnement de l'interrupteur, celui-ci étant toujours à l'interieur de l'aire de sécurité. Pour mieux faire comprendre les caractcristiques techniques et les avantages de la présente invention, on va en décrire un exemple de réalisation et des exemples de variantes d'applications, étant bien entendu que ceux-ci ne sont pas limitatifs quant à leur mode de mise en oeuvre et aux applications qu'on peut en faire. On se reportera aux figures suivantes qui représentent schemati- quement: - figure 1 un exemple de dispositif conforme à la présente invention; - figure 2 un exemple d'application à un convertisseur de type "forward" ou direct avec démagnétisation; - figure 3 un exemple d'application du même type sans demagnéti sation; - figure 4 un autre exemple d'application. A la figure 1, le transformateur 4 comprend un enroulement primaire à n p spires et un enroulement secondaire à ns spires. L'enroulement primaire np est monté en parallele avec une diode Zener de puissance ou écrêteuse 2. L'ensemble du circuit primaire et de la diode écrêteuse est monté en série avec un transistor interrupteur 3 généralement piloté par un oscillateur non représente donnant la fréquence de découpage, de sorte que, selon un mode de realisation préféré de l'invention et pour les raisons ci-dessus indiquées, on peut monter une diode rapide 1 en série avec la diode écrêteuse 2, l'ensemble des deux diodes 1 et 2 étant donc en parallèle avec l'enroulement primaire np du transformateur 4.La diode rapide 1 protège la diode sécréteuse 2 contre les tensions directes qui apparaissent à la fermeture de l'interrupteur du circuit primaire. La tension d'entrée àux bornes de l'ensemble 1, 2, 3, 4 est désignée par ue. L'enroulement secondaire nS est en série avec la diode redresseuse 5 et l'ensemble de l'enroulement secondaire et de la diode 5 est en parallèle avec un condensateur 6 de filtrage. La tension de sortie u5 est recueillie aux bornes de sortie des deux ensemble parallèles constitués par le secondaire n5 et le redresseur 5 d'une part, le condensateur 6 d'autre part. Si vd est la tension aux bornes de la diode redresseuse, on recueille une tension u5 + vd aux bornes de l'enroulement secondaire, ce qui ramène au primaire une surtensior: Comme on l'a souligné plus haut, cette surtension vient s'ajouter à la tension d'entrée ue. A la figure 2, est représenté schématiquement un convertisseur du type "forward" ou direct c'est-à-dire dans lequel on transfère l'énergie du primaire au secondaire durant la phase de conduction de l'interrupteur. On y retrouve un certain nombre d'éléments constitutifs de l'exemple de la figure 1 portant les mêmes repères de référence. Dans cet exemple, un enroulement primaire supplémentaire 10 à n' spires est p prévu pour réaliser la démagnétisation; il est est monté en série avec une diode Il de démagnétisation. L'ensemble de l'enroulement primaire 10 et de la diode 11 est monté en parallèle avec l'ensemble primaire np, 1, 2, 3 de la figure 1. On choisit de préférence le nombre de spires de demagnetisation de façon telle que n = n'p. Du côte du secondaire du transformateur, est montee une diode de récupération ou de roue libre 7 dont la cathode est commune avec celle de la diode redresseuse 5 et qui se trouve montée en parallèle avec l'enroulement secondaire et la redresseuse 5, son anode étant connectée à la borne du secondaire opposée à la redresseuse 5. Un ensemble de filtrage est constitué par une inductance 8 et un condensateur 9. La diode 7 permet de refermer le circuit secondaire quand la diode redresseuse 5 est bloquée. A la figure 3 qui concerne également un convertisseur du type "forward", on retrouve l'exemple de la figure 1 sans l'enroulement primaire de démagnétisation et sa diode. La démagnétisation est effectuee par le seul enroulement primaire. A la figure 4, est représenté le schéma d'une nouvelle variante où les constituants équivalents portent les mêmes références. A la différence des circuits précédents, le circuit primaire comporte en parallèle avec le transistor interrupteur 3 un ensemble supplémentaire constitué par une capacité 14 montée en série avec une diode 12 et une resistance 13 montée en parallèle. Cet ensemble constitue un réseau d'aide à la commutation qui ralentit la montée de la tension aux bornes du transistor interrupteur 3. La stabilisation de la tension secondaire est réalisée par une capacité 15 et une résistance 16 montées en parallèle sur les bornes de sortie de l'alimentation. Dans les circuits des diverses figures, on choisit la tension de limitation Uclamp de telle sorte que Ue max + Uclamp = Ycex Par exemple, si on applique l'invention au cas du redressement à partir du réseau 380 V triphasé, on choisit Uclamp de l'ordre de 250 V, on arrive ainsi à une valeur Vcex inférieure à 900 V, ce qui permet de recourir à des composants: - rapides dans les commutations, d'où la possibilité de monter en fréquence et de supprimer les circuits d'aide à la commutation, - moins coûteux que les composants de classe supérieure (1500 V notamment), - beaucoup plus disponibles sur le marché. La présente invention trouve donc une excellente application dans le domaine du redressement sur des réseaux à 380 V ou à 415 V triphasés pour lesquels on peut se limiter à des composants dont la tension Vcex est respectivement de 900 V ou de 1000 V. On notera que, dans la présente invention, on s'est reféré à des types particuliers des dispositifs à semi-conducteurs. En fait, l'invention peut être mise en oeuvre avec de nombreux autres types de dispositifs à semi-conducteurs. L'interrupteur transistor peut, par exemple, être remplacé par tout dispositif à semi-conducteur susceptible d'etre commandé. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'alimentation électrique à découpage ou hacheur comprenant un transformateur dont le primaire est associé à u interrupteur et le secondaire à un redresseur, caractérise par le fait que l'interrupteur (3) est constitué par un dispositif semi-conducteur susceptible d'être commandé, monte en série avec l'enroulement primaire (n ) du transformateur (4) qui est en parallèle avec une première p diode écrêteuse (2) dont la tension d'écrêtage est inférieure ou égale à la différence entre Vcex et la tension d'alimentation du primaire, une seconde diode redresseuse (5) étant montée en série avec l'enroulement secondaire (nS) du transformateur (4). 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une troisième diode (1) rapide de protection est montée en série avec la diode sécréteuse (2) et en sens opposé de celle-ci (a anodes communes). 3.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'un condensateur (6) est monté en parallèle sur les bornes de sortie de l'ensemble constitué par le secondaire (nS) du transformateur et la diode redresseuse (5). 4.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'un enroulement primaire de démagnétisation (n' ) en série p avec une quatrième diode (11) est monté en parallèle avec l'ensemble interrupteur (3) et de l'enroulement primaire (np). 5.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'une cinquieme diode de récupération ou de roue libre (7) est montée à cathode commune avec la diode redresseuse (5), son anode étant connectée à la borne du secondaire (n's) opposée à celle reliée à l'anode de la diode redresseuse (5). 6.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'une inductance (8) est montée en série avec la diode redresseuse (5) et qu'une capacité (9) est montee entre la borne de cette inductance (8) opposee à la diode redresseuse (5) et la borne du secondaire (nS) opposée à célle reliée à la diode redresseuse (5). 7.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'un circuit d'aide a la commutation (12, 13, 14; est mont en parallèle avec l'interrupteur (3). 8.- Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérissse par le fait qu'elle concerne le redressement dans les réseaux triphasés de l'ordre de 380 V et 415 V.