Brevet FR2627644A1 — publié le 19890825

"Convertisseur continu-continu, sans pertes de commutation, notamment pour alimentation continue -haute fréquence ou pour amplificateur à tube à ondes proqressives'". Le domaine de l'invention est celui des conditionneurs électriques comprenant un convertisseur continu-continu, qui sont notamment destinés à fonctionner en haute fréquence, ou à alimenter un amplificateur de puissance du type à tube à ondes progressives (TOP). Les convertisseurs continu-continu de ce type comprennent généralement une source de courant continu, d'amplitude sensiblement constante, débitant sur une charge un courant continu de forme périodique, obtenu par hâchage, découpage ou équivalent à l'aide de moyens d'interruption périodique du courant de source. On connait ainsi un convertisseur de tension continue comprenant un transformateur avec deux enroulements primaires associé chacun à un interrupteur électronique à répétition, tel que décrit dans le brevet européen déposé le 09.10.82 au nom de ANT Nachrichtentechnik et publié sous le n 0077958. L'un des problèmes importants rencontré pour la mise au point des convertisseurs est lié à la production d'une tension de coupure importante, et de parasites associés, au moment de la commutation des moyens d'interruption. De plus, dans le cas de convertisseurs à transformateurs d'isolation galvanique, les réactances parasites des bobinages entravent le fonctionnement à haute fréquence. Dans ce document antérieur, on tente de résoudre ce problème en annulant le courant traversant les interrupteurs, au moment de leur commutation, à l'aide de plusieurs circuits électroniques de commande assurant la génération, la synchronisation et l'insertion 2 2627644 des temps d'annulation de courant dans le cycle de commutation. Ce mode de réalisation présente l'inconvénient d'imposer l'utilisation de circuits électroniques complexes, faillibles et onéreux. Dans le brevet des Etats-Unis n#4 415 959 délivré le 15.11.83 au nom de P. Vinciarelli, se trouve décrit un convertisseur continu-continu & courant nul de commutation. Ce convertisseur utilise un transformateur, dont l'inductance de fuite forme une maille quasi- résonnante avec un condensateur de sortie. Le principe de quasi résonance ainsi utilisé permet effectivement d'annuler le courant de coupure au niveau des moyens d'interruption périodique du convertisseur. En revanche, ce montage connu présente l'inconvénient majeur de fournir une forte tension d'ondulation en sortie du convertisseur. L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients des convertisseurs existants. Plus précisément, un premier objectif de l'invention est de fournir un convertisseur continu- continu dans lequel les moyens d'interruption périodique sont parcourus par un courant nul lors de leur actionnement. Un autre objectif essentiel de l'invention est de fournir un dispositif dont le principe est compatible aussi bien avec les convertisseurs sans transformateur d'isolation galvanique, qu'avec les convertisseurs comprenant un transformateur bobiné. Dans ce dernier cas, la mise en oeuvre de l'invention utilise avantageusement l'inductance de fuite du transformateur utilisé. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel convertisseur présentant la propriété de présenter à la fois un courant nul et une tension nulle aux bornes des moyens d'interruption périodique, tant au moment de l'ouverture du circuit qu'au moment de la fermeture. 3 2627644 Un objectif complémentaire de l'invention est de fournir un tel convertisseur qui réponde notamment aux contraintes imposées aux systèmes embarqués, à savoir une bonne fiabilité de fonctionnement (par la minimisation du nombre de composants, et la simplicité de redondance), avec un rendement optimal, et un encombrement et une masse minimaux. - Un objectif complémentaire de l'invention est de fournir un tel convertisseur adapté à fonctionner en- très haute fréquence d'interruption ou à très forte valeur de tension de sortie. Un autre objectif de l'invention est de fournir un convertisseur présentant une perte nulle de puissance au niveau des moyens d'interruption périodique, et des effets électromagnétiques perturbateurs (EMI) très faibles. Ces objectifs ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints à l'aide d'un convertisseur continu-continu, notamment destiné à fonctionner en haute fréquence ou à alimenter un amplificateur de puissance à TOP, du type comprenant des ) moyens d'interruption périodique montés en séries entre une source de tension d'entrée et une charge de sortie, caractérisé en ce que ledit convertisseur comprend: - une capacité parallèle d'entrée Cn, - une capacité parallèle de sortie Co, et - une inductance série montée en aval desdits moyens d'interruption périodique, entre lesdites capacités parallèles d'entrée et de sortie, et en ce que ladite capacité d'entrée est choisie de façon que Cin 4 2627644 transformateur bobiné, et ladite inductance série est l'inductance de fuite dudit transformateur. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ledit convertisseur comporte également une inductance d'entrée, montée en amont de ladite capacité parallèle d'entrée, et choisie de façon que sa valeur soit très supérieure à ladite inductance série. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, applicable à un convertisseur de type "PUSH- PULL", ledit convertisseur est caractérisé en ce qu'il comporte un transformateur à primaire et secondaire à points milieux, ledit condensateur parallèle d'entrée Cin étant relié au point milieu du primaire, et ledit condensateur de sortie C0 étant relié au point milieu du secondaire, en ce que les extrémités distales du primaire sont reliées chacune à des moyens d'interruption périodique distincts, et en ce que des extrémités distales du secondaire sont reliées chacune à une diode de passage distincte. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de quelques modes de réalisation donnés à titre illustratif, et des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente le circuit électronique d'une version de base du convertisseur continu-continu selon l'invention, - les figures la, lb représentent respectivement la tension Vcin aux bornes du condensateur parallèle d'entrée, et le courant 1c traversant les moyens d'interruption périodique S, dans le convertisseur de la figure 1, - la figure 2 représente un mode de réalisation du convertisseur suivant l'invention, avec transformateur d'isolation, 2627644 - les figures 2a, 2b, 2c représentent respectivement la tension aux bornes du condensateur Cin, le courant traversant les moyens d'interruption périodique S, et la tension aux bornes de S, respectivement, D-' - la figure 3 représente un mode de réalisation d'un convertisseur selon l'invention, fonctionnant en PUSH-PULL. - les figures 3a, 3b, 3c, 3d, 3e représentent respectivement la tension aux bornes du condensateur parallèle d'entrée Cin (3a), le courant traversant les moyens d'interruption périodique Si (3b) et S2 (3c), et la tension aux bornes de S1 (3d), et de S2 (3e). Comme on peut le voir en figure 1, la version de base du convertisseur suivant l'invention est conçue pour recevoir une source de tension d'alimentation Vin aux bornes d'entrée 10, 11, de façon à obtenir une tension continue V0, de nature périodique, aux bornes de sortie 12, 13, de branchement de la charge R0 du convertisseur. La version de la figure 1 comporte une inductance d'entrée Lin, dont la sortie est connectée à un condensateur parallèle d'entrée Cin. Le condensateur Cin forme une maille résonnante avec une inductance série Ls lorsque les moyens- d'interruption S sont en position fermée. Ces moyens d'interruption S sont interposés entre le condensateur d'entrée Cin et l'inductance sérieLs, et sont asservis à un circuit de commande d'interruption périodique 14. Comme pour les autres modes de réalisation présentés ci-après, ces moyens d'interruption périodique peuvent être constitués par tous moyens connus, y compris les interrupteurs fonctionnant à fréquence élevée. L'inductance série est ensuite reliée & une diode de passage D. Un condensateur parallèle de sortie 6 2627644 C0 est enfin monté entre les bornes de sortie 12, 13 du convertisseur. Les composants sont choisis de façon que l'inductance d'entrée Lin soient d'une valeur très supérieure à l'inductance série Ls (Lin " Ls), et la capacité de sortie CO est très supérieure à la capacité d'entrée Cin (CO " Cin) Le fonctionnement de ce circuit est expliqué en figures la, lb. Si l'on se réfère à la figure la, et en supposant que la tension aux bornes de la capacité d'entrée Cin est supérieure à celle présente aux bornes de la capacité de sortie CO, on constate que lors de la fermeture de l'interrupteur S, la capacité Cin se décharge dans la capacité C0o, avec une forme d'onde sinusoïdale 15. Ceci est obtenu par le fait que la capacité Cin et l'inductance série L. forment un circuit résonnant série, dont la période T est donnée par la formule: T =ltVLs*Cin la période de résonance T dudit circuit résonnant Cin, Ls est inférieure à la période de coupure desdits moyens d'interruption périodique S, Sl, S2. De cette manière, le courant Ic, représenté en figure lb, qui traverse l'interrupteur fermé S, affecte la forme d'une demi-sinusoïde 16. En figure la, la tension aux bornes du condensateur d'entrée Cin décroit sinusoidalement depuis la valeur V0 + dv, jusqu'à la valeur V0 - dV. Lorsque le courant Ic retourne à 0, la diode de passage D passe à l'état bloqué, et maintient le courant Ic à la valeur nulle. L'interrupteur S peut alors être ouvert (0O), sans perte de commutation. Lorsque l'interrupteur S est en position ouverte, la source Vin recharge le condensateur parallèle d'entrée Cin. La valeur élevée de l'inductance d'entrée 7 2627644 Lin limite le courant d'appel chargeant le condensateur Cin, de façon à assurer une charge à courant constant. La tension de charge 17 du condensateur Cin (figure la) est donc linéaire, de pente Iin/Cin, avec Iin représentant le courant traversant l'inductance d'entrée Lin. Lorsque la tension aux bornes du condensateur Cin a atteint une valeur V0 + dV, l'interrupteur S est à nouveau commuté en position fermée (F), pour un nouveau cycle. On constate donc que la tension aux bornes de l'interrupteur S et le courant IC traversant l'interrupteur ne se recouvrent pas, ce qui implique l'absence de perte de commutation dans S, tant à l'instant de coupure qu'à l'instant de fermeture. De plus, du fait de la nature sinusoïdale du courant dans le circuit, les effets électromagnétiques perturbateurs (EMI) du circuit sont très faibles. Le circuit de la figure 2 illustre un mode de réalisation du convertisseur continu-continu de l'invention, avec transformateur d'isolation 20. Dans ce mode de réalisation, l'inductance série est constituée par l'inductance de fuite Li du transformateur 20. Bien entendu, il est également possible d'ajouter une inductance série supplémentaire Ls (non représentée) soit à l'entrée, soit à la sortie. L'inductance de magnétisation Lm, et la capacité parasite Cs du transformateur 20 ont également été figurées en pointillé, en figure 2. Ces éléments parasites sont tels que, lors de l'ouverture de l'interrupteur S, l'énergie accumulée dans l'inductance de magnétisation Lm - résonne avec la capacité parasite Cs pour former une tension en forme de demi-sinusoïde 23 aux bornes de l'interrupteur S (figure 2c). Cette tension s'annule avant la nouvelle fermeture de l'interrupteur S, ce qui permet un chargement et un déchargement sans perte des éléments parasites Lm et Cs. Les figures 2a, 2b, 2c illustrent le fonctionnement du convertisseur de la figure 2, similaire à celui du convertisseur de la figure 1. Le courant de magnétisation Im qui traverse l'inductance de magnétisation Lm doit être ajouté au courant Is, traversant le bobinage primaire 21 du transformateur 20, pour obtenir le courant primaire total Ip. Ceci signifie qu'au moment de l'annulation du courant Is à la suite de la demisinusoïde 22 due à la résonance Cin et L1, il subsiste un courant de magnétisation Im. En fait, puisque Im peut être rendu très faible par conception, les pertes de commutation lors de la coupure de l'interrupteur S sont extrêmement faibles. La figure 3 représente un mode de réalisation du convertisseur continucontinu de l'invention, mis en oeuvre dans un montage PUSH-PULL. Le montage de la figure 3 comprend un transformateur d'isolation 30 dont le bobinage primaire et le bobinage secondaire présentent chacun un point milieu 31, 32 respectivement. L'inductance d'entrée Lin débite dans le primaire au niveau du point milieu 31. Les extrémités distales des demi-bobinages du secondaire sont connectées chacune à une diode de passage Dl, D2, et le condensateur parallèle de sortie C0 est ponté entre la sortie commune des diodes Dl, D2, d'une part, et le point milieu 32 du secondaire du transformateur 30 d'autre part. Le fonctionnement et la circulation du courant dans ce circuit sont très similaires à ce qui se passe dans les convertisseurs des figures 1 et 2. Toutefois, le courant semi-sinusoidal de sortie est généré dans deux interrupteurs Sl, S2 à fonctionnement symétrique alternatif. En outre, dans les périodes 33, 34 o les deux interrupteurs Sl, S2 sont en position ouverte O (pour g9 2627644 permettre le rechargement de la capacité parallèle d'entrée Cin par la source Vin) le transformateur 30 inverse sa polarité du fait de l'énergie accumulée dans l'inductance de magnétisation Lm. Cette inversion de tension est commandée par la résonance parallèle de l'inductance magnétique Lm et de la capacité de fuite Cs du transformateur 30, comme on l'a déjà rencontré dans le montage de la figure 2. Les trois modes de réalisation présentés dans les figures 1, 2 et 3 illustrent l'avantage considérable du convertisseur de commutation de l'invention, qui présente la propriété d'annuler à la fois le courant et la tension dans les moyens d'interruption, tant à l'instant de coupure qu'à l'instant de fermeture. De plus, pour les convertisseurs continu- continu travaillant à fréquence élevée, les montages des figures 2 et 3 présentent l'avantage supplémentaire d!utiliser les éléments parasites du transformateur d'isolation pour en accroître l'efficacité de fonctionnement. 2627644 REVENDICATIONS 1) Convertisseur continu-continu, notamment destiné à fonctionner en haute fréquence ou à alimenter un amplificateur de puissance à TOP, du type comprenant des moyens d'interruption périodique (S, Sl, S2) montés en série entre une source de tension d'entrée (Vin) et une charge de sortie (R0), caractérisé en ce que ledit convertisseur comprend une capacité parallèle d'entrée (Cin), une capacité parallèle de sortie (C0), ainsi qu'une inductance série (Ls, L1), montée en aval desdits moyens d'interruption périodique, entre lesdites capacités parallèles d'entrée et de sortie (Cin, C0), et en ce que ladite capacité d'entrée (Cin)-est choisie de façon que Cin " CO, et que ladite capacité (Cin) forme un circuit résonnant avec ladite inductance série (Ls, L1). 2) Convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la période de résonance (T) dudit circuit résonnant (Cin, L) est inférieure à la période de coupure desdits moyens d'interruption périodique (S, Sl, S2). 3) Convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la durée d'ouverture desdits moyens d'interruption périodique (S, Sl, S2) est maintenue de façon à permettre un rechargement de la capacité parallèle d'entrée (Cin). 4) Convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une inductance d'entrée (Lin) montée en amont du condensateur parallèle d'entrée (Cin). ) Convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une diode de passage (D, Dl, D2) est montée en amont du condensateur parallèle de sortie (CO). 11 2627644 6) Convertisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite inductance série est l'inductance de fuite (L1) d'un transformateur d'isolation (20, 30). 7) Convertisseur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ladite inductance de fuite (L1) coopère avec une inductance série additionnelle (Ls). 8) Convertisseur suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un transformateur (30) à primaire et secondaire à points milieux (31, 32), ledit condensateur parallèle d'entrée (Cin) étant relié au point milieu (31) du primaire, et ledit condensateur de sortie (C0) étant relié au point milieu (.32) du secondaire, en ce que les extrémités distales dU primaire sont reliées chacune à des moyens d'interruption périodique distincts (Sl, S2), et en ce que des extrémités distales du secondaire sont reliées chacune à une diode de passage distincte (Dl, D2).