Brevet FR2627915A1 — publié le 19890901

CONVERTISSEUR DE PUISSANCE DE COURANT CONTINU EN COURANT CONTINU. La présente invention se rapporte aux convertisseurs de puissance de courant continu en courant continu ci- après également appelés "convertisseurs C/C", et plus particulièrement à de tels convertisseurs à mode intermé- diaire à deux alternances et commutation à courant nul. Dans l'art antérieur, on connait des convertisseurs du type à une seule alternance, à commutation à courant nul, mais aucun convertisseur à deux alternances et com- mutation à courant nul n'a jusqu'à présent été suggéré. Il est généralement souhaitable de réaliser des con- vertisseurs C/C opérant à des fréquences élevées, ce qui facilite la réduction du volume global et du poids du dispositif, puisque l'on peut utiliser des composants de petite taille. L'augmentation de la fréquence de fonc- tionnement permet non seulement d'utiliser des composants relativement petits, mais aussi de réduire la résistance interne du convertisseur et d'améliorer ainsi les carac- téristiques de régulation de charge du convertisseur. Toutefois, l'augmentation de la fréquence de travail d'un convertisseur a pour effet d'accroître les pertes de commutation, car la commutation à grande vitesse est effectuée en présence du courant de travail existant. D'autres pertes dans les composants du circuit, par exem- ple des pertes dans les dispositifs à semi-conducteurs du circuit, apparaissent également du fait de la variation instantanée ou abrupte de la polarité de tension à leurs bornes. I1 y a donc longtemps que l'on souhaite parvenir à un convertisseur C/C ayant une plus grande puissance 2 2627915 spécifique et ne souffrant pas des inconvénients susmen- tionnés. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des convertisseurs de courant continu en courant continu ("convertisseurs C/C") connus, et de parvenir à un convertisseur C/C à mode intermédiaire à deux alternances et commutation à courant nul. Selon l'invention, ce but est atteint avec un con- vertisseur de courant continu en courant continu, à mode intermédiaire à deux alternances et commutation à courant nul, comportant: - un convertisseur C/A pouvant être commandé et comportant des moyens électroniques de commutation pour coupler sélectivement une source de ten- sion aux bornes d'un enroulement primaire d'un circuit de puissance à transformateur, lorsque le courant passant par lesdits moyens de commutation est sensiblement négli- geable; - un convertisseur A/C relié aux enroulements secondaires dudit circuit de charge et de stockage d'énergie, comprenant chacun un condensateur de stockage relié en série à l'un desdits enroulements secondaires, et comportant en outre un module d'inductan- ce monté en circuit entre l'entrée dudit convertisseur C/A et ledit condensateur de stockage; - et au moins un circuit de décharge monté en déri- vation desdits condensateurs de stockage et apte à être relié à une charge, via une première et une deuxième borne, ce circuit de décharge comprenant au moins une bobine d'inductance de décharge connectée entre un côté dudit condensateur de stockage et ladite première borne, la période de charge dudit condensateur de stockage étant plus courte que sa période de décharge. L'invention va maintenant être décrite en considé- rant certaines formes de réalisation préférées, présen- tées en se reportant aux dessins annexés. Il convient de souligner que les particularités représentées à titre d'exemple, aux fins d'illustration de la description des formes de réalisations préférées de la présente invention, ne sont présentées que pour décrire de manière utile et facilement compréhensible les principes et aspects conceptuels de l'invention. A cet égard, la description suivante ne comporte aucune tentative de présentation de particularités structurel- les de l'invention sous une forme plus détaillée que ce qui est nécessaire à une parfaite compréhension de l'in- vention. Prise en combinaison avec les dessins, la des- cription présentée fera apparaître à l'homme de l'art la manière dont les diverses formes possibles de l'invention peuvent être réalisées en pratique. Sur les dessins, les figures représentent: - la figure 1, un schéma fonctionnel par blocs, montrant les diverses formes de réalisation du conver- tisseur selon l'invention; - la figure 2, un schéma d'une forme de réalisation préférée d'un convertisseur selon la présente invention; - la figure 3, un schéma d'une autre forme de réa- lisation du convertisseur; - la figure 4, un schéma d'une autre forme de réa- lisation du convertisseur; - la figure 5, un schéma d'une autre forme de réa- lisation du convertisseur, avec une bobine d'inductance de charge connectée au primaire du transformateur de puissance; - les figures 6 et 7, des schémas de variantes du convertisseur selon l'invention; et - les figures 8 à 10, des schémas de divers agence- ments de la bobine d'inductance de charge dans le cir- cuit de puissance selon l'invention. La figure 1 représente un schéma montrant de manière simplifiée diverses formes de réalisation possibles du convertisseur de courant continu en courant continu, à mode intermédiaire à deux alternances et commutation à courant nul. Ce convertisseur C/C comporte un convertis- seur de courant continu en courant alteratif (2), ou "convertisseur C/A", pouvant être connecté entre une source de tension (4) et un circuit de puissance (8). Le convertisseur (2) est commandé par une unité de commande (6) qui reçoit elle-même des signaux provenant d'un ou plusieurs capteurs qui peuvent être associés au circuit du convertisseur, en divers endroits possibles, pour capter les états d'écoulement d'énergie dans celui-ci. Les circuits de commande et de lecture d'état ne seront pas décrits plus en détail car, étant connus en soi, ils ne constituent pas des éléments de l'invention et celle- ci peut être parfaitement comprise sans explication sup- plémentaire concernant leur fonctionnement. La sortie du convertisseur C/A (2) va à un circuit de puissance (8) qui, par l'intermédiaire d'un convertis- seur de courant alternatif en courant continu (10) ou "convertisseur A/C", alimente un circuit de charge et de stockage d'énergie (12). Ce dernier aboutit à un circuit de décharge (14) auquel une charge peut être reliée. On peut en outre voir sur la figure un module d'in- ductance (17) qui, comme décrit plus loin, peut être relié au circuit en quatre endroits indiqués par les lignes en trait interrompu. 2627915 Le schéma selon la figure 2 illustre une forme de réalisation préférée de l'invention. On peut voir le convertisseur C/A (2) composé d'interrupteurs électroni- ques (16,18,16',18') commandés en mode synchrone par l'unité de commande (6) et aptes à être reliés au cir- cuit de puissance (8) qui comporte un transformateur (22) présentant un enroulement primaire (24) et des enroule- ments secondaires (26,26'). Deux boucles de charge agen- cées symétriquement sont constituées par le convertisseur A/C (10) qui est composé par les éléments à conduction unidirectionnelle (28,28') (représentés à titre d'exemple par des diodes). Chacun des éléments (28, 28') est relié en série, d'un côté, à un enroulement secondaire adjacent (26) ou (26'), et de l'autre côté, via une bobine d'in- ductance respective (30) ou (30'), à un condensateur de stockage (32,32'). Les trajets de décharge comportent les condensateurs (32,32') et les bobines d'inductance de décharge (34,34'). Dans cette forme de réalisation, les inductances des bobines (30,30') sont choisies plus fai- bles que celles des bobines d'inductance de décharge respectives (34,34'), afin que chacun des condensateurs (32,32') ait une période de charge plus petite que sa période de décharge. On peut maintenant expliquer le fonctionnement du convertisseur C/C en se reportant aux figures 1 et 2. Lorsque la source de tension (4) est branchée et mise en circuit, l'actionnement sélectif des interrupteurs (16, 18,16',18') du convertisseur C/A a pour effet de créer, dans les enroulements secondaires (26,26') du transfor- mateur (22), des impulsions de phases opposées. Au cours de la moitié positive d'un cycle, chacun des éléments unidirectionnels (28,28') va conduire à son tour, et les condensateurs de stockage (32,32') vont se charger via les bobines d'inductance de charge (30,30'). La décharge 6 2 6 22627915 des condensateurs (32,32') se produit alternativement via les bobines d'inductance de décharge (34,34'), formant ainsi une tension continue aux bornes de la charge. Comme les inductances des trajets de charge sont plus petites que celles des trajets de décharge, et comme la durée du cycle de charge est définie par l'équation t = LC, dans laquelle Lch est l'inductance de charge et C est la capacité du condensateur de stockage, la durée du cycle de décharge sera supérieure à celle du cycle de charge, puisque le condensateur est commun aux deux trajets, celui de charge et celui de décharge. La périodicité du changement d'état des interrup- teurs du convertisseur C/A est déterminée par cette du- rée, captée par un circuit de mesure, et ces interrup- teurs sont ainsi actionnés de manière à changer d'état lorsque le courant qui les traverse est nul ou négligea- ble. Le fait que les changements d'état des interrupteurs aient lieu en présence d'un courant nul implique que la charge d'un condensateur de stockage commence à l'instant même o la décharge de l'autre condensateur a cessé. La charge alternée ininterrompue de deux circuits sensible- ment identiques mais séparés facilite la récupération continue d'énergie issue de la soruce de tension, de sorte que le courant d'entrée maximal ne vas pas excéder de plus d'environ 60 % le courant moyen. Il en résulte une diminution de la perte d'énergie sous forme de cha- leur dans les composants du circuit, de sorte que la fiabilité de ces derniers se trouve accrue. De plus, cette réduction de l'intensité permet de réduire les impératifs de refroidissement des circuits. On va maintenant considérer les trajets de décharge. Comme on peut le voir, l'intensité du courant dans les trajets de décharge ne dépend essentiellement que de la charge. La quantité d'énergie déchargée du condensateur de stockage va donc dépendre de l'importance du courant dans ce trajet. La quantité d'énergie déchargée du con- densateur détermine la tension à ses bornes, et par con- séquent, le niveau de tension auquel la charge du conden- sateur va commencer lors du cycle suivant. Le potentiel aux bornes du condensateur de stockage, à la fin de la charge de celui-ci, dépend entre autres de la tension de charge et de la tension aux bornes de ce condensateur au début du cycle de charge. Lorsque la tension de sortie augmente, le condensateur de stockage dissipe davantage d'énergie, et une énergie équivalente est fournie en com- pensation,par la source de tension d'o l'on tire une énergie plus importante. Une telle dépendance entre l'énergie entrante et l'énergie sortante réduit la "ré- sistance interne" du convertisseur et a pour effet que la tension de sortie est presque indépendante de l'importan- ce de la charge. Dans les convertisseurs de l'art anté- rieur, du type dit "demi-onde", cette indépendance peut avoir un effet défavorable en provoquant une charge tem- porairement "prématurée" des condensateurs de stockage. Toutefois, avec le convertisseur C/C utilisant deux al- ternances selon la présente invention, convertisseur dans lequel il y a un trajet commun dans chacune des deux bou- cles de charge et de décharge, la tension aux bornes d'un condensateur se déchargeant peut devenir inférieure à zéro, c'est-à-dire qu'il peut y avoir, à ses bornes, une tension inversée et que le passage de courant au cours du cycle de décharge se trouve alors empêché tant que le niveau de tension aux bornes du condensateur ne devient pas inférieur au niveau de la tension aux bornes de l'en- roulement secondaire du transformateur auquel il est relié. Afin d'éviter des tensions inverses sur les con- densateurs, l'invention propose en outre de monter les deux bobines d'inductance de charge sur un noyau commun, et d'interconnecter leurs enroulements de manière à ce que les courants de charge produisent dans ce noyau des flux magnétiques alternatifs de sens opposés. Une forme de réalisation pratique d'un tel agencement est représen- tée sur la figure 3. Il y a donc, dans chacun des cir- cuits de charge, deux bobines d'inductance de charge (36,38 et 36',38') qui sont magnétiquement associées par un noyau commun (40). Sur la figure 4, on a représenté une forme de réali- sation similaire à celle de la figure 2,avec cette excep- tion qu'il y a une bobine d'inductance supplémentaire (42) montée dans la branche commune aux deux trajets de décharge. Cette bobine d'inductance supplémentaire a pour effet d'accroître le taux de décharge des bobines d'in- ductance de décharge, ce qui améliore la performance du convertisseur. Sur la figure 5, on a représenté un convertisseur semblable à celui selon la figure 4, avec cette différen- ce que la bobine d'inductance de charge (44) est ici mon- tée en série avec l'enroulement primaire (24) du trans- formateur (22), en constituant une partie du circuit de puissance. Les bobines d'inductance de décharge (34,34') selon les figures 4 et 5 peuvent être reliées magnétiquement par un noyau commun, afin d'éviter le développement de tensions inverses sur les condensateurs (32,32'). Dans les formes de réalisation décrites dans ce qui précède, les condensateurs de stockage sont montés en parallèle par rapport à la charge. Par contre, la figure 6 représente un schéma d'une forme de réalisation d'un 9 2627915 convertisseur C/C dans lequel les condensateurs de stoc- kage (32) et (32') sont montés en série par rapport à la charge. Ce circuit est ainsi constitué en convertisseur C/C opérant sur deux alternances, doubleur de tension. La figure 7 représente un circuit de type identique, avec toutefois cette différence que la bobine d'inductance de charge (44) est branchée entre le convertisseur C/A (2) et le transformateur (22). Le doubleur de tension des figures 6 et 7 peut être légèrement modifié en remplaçant la bobine d'inductance (34) par un condensateur monté en dérivation des bornes de sortie allant à la charge. Ce condensateur assume une fonction analogue à celle de la bobine d'inductance (34), à savoir inhiber tout changement du sens de passage du courant par rapport à la charge, au cours d'une alternan- ce. Des essais effectués avec des convertisseurs selon la présente invention ont montré que pour leur fonction- nement à des fréquences élevées, il était avantageux de prévoir, entre le convertisseur C/A (2) et le transfor- mateur (22), deux bobines d'inductance de charge (46,46') ayant un noyau commun (48) et formant des champs magnéti- ques dans le même sens (voir figure 8). La figure 9 re- présente une autre variante dans laquelle la bobine d'in- ductance de charge (50) est branchée entre la source de tension (4) du convertisseur C/A et les interrupteurs (18) et (18'). Un autre agencement utile, approprié à un fonctionnement à haute fréquence, est représenté sur la figure 10 sur laquelle deux enroulements de charge (52, 52') enroulés sur un noyau commun sont connectés symétri- quement dans le circuit du convertisseur C/A, entre la source (4) et les interrupteurs (16,18; 16',18'). Les bobines d'inductance (52) et (52') à noyau commun sont 2627915 interconnectées de manière à induire dans celui-ci des flux magnétiques de même direction. Il est évident, pour l'homme de l'art, que l'inven- tion n'est pas limitée par les détails des formes de réalisation présentées dans ce qui précède, et qu'elle peut être mise en oeuvre sous d'autres formes particu- lières, sans pour autant perdre ses caractéristiques de nouveauté. Les formes de réalisation présentées ne doi- vent donc être considérées que comme des exemples non limitatifs. REVENDICATIONS 1/ Convertisseur de puissance de courant continu en courant continu, à mode intermédiaire à deux alternances et commutation à courant nul, caractérisé en ce qu'il comporte: - un convertisseur C/A (2) pouvant être commandé, comportant des moyens électroni- ques de commutation (16,18,16',18') pour coupler sélec- tivement une source de tension (4) aux bornes d'un enrou- lement primaire d'un circuit de puissance (8) à transfor- mateur (22), lorsque le courant passant par les dits moyens de commutation est sensiblement négligeable; - un convertisseur A/C (10), relié aux enroulements secondaires (26,26') dudit cir- cuit de puissance (8) à transformateur (22); - deux circuits (12) de charge et de stockage d'énergie, comprenant chacun un condensateur de stockage (32,32') relié en série à l'un desdits enroulements se- condaires (26,26'), et comportant en outre un module d'inductance (17) monté en circuit entre l'entrée dudit convertisseur C/A (2) et ledit condensateur de stockage (32,32'); et - au moins un circuit de décharge (14,34,34') monté en dérivation desdits condensateurs de stockage (32,32') et apte à être relié à une charge, via une première et une deuxième borne, ce circuit de décharge comprenant au moins une bobine d'inductance de décharge (34,34') con- nectée entre un côté dudit condensateur de stockage (32, 32') et ladite première borne, la période de charge dudit condensateur de stockage (32, 32') étant plus courte que sa période de décharge. 12 2 6 2627915 2/ Convertisseur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit module d'inductance (44,50) est monté en série avec ledit enroulement primaire (24) dudit transformateur de puissance (22). 3/ Convertisseur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit module d'inductance (30,30') est monté en série avec ledit enroulement secondaire (26,26') dudit transformateur de puissance (22). 4/ Convertisseur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit module d'inductance (30) est connec- té entre ledit enroulement secondaire (26,26') dudit transformateur de puissance (22) et ledit convertisseur A/C (10). / Convertisseur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit module d'inductance (30,30') est monté en circuit entre ledit convertisseur A/C (10) et ledit condensateur de charge. 6/ Convertisseur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit convertisseur A/C (10) comporte au moins un élément de conduction unidirectionnelle (28, 28'). 7/ Convertisseur selon la revendication 6, caracté- risé en ce que ledit élément de conduction unidirection- nelle est une diode (28,28'). 8/ Convertisseur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit module d'inductance comporte au moins deux bobines d'inductance de charge (46,46',38,38') dont les enroulements ont un noyau magnétique commun (48,40).