Brevet FR2638034A1 — publié le 19900420

CONVERTISSEUR de CONTINU en ALTERNATIF L ' objet de la présente invention est une nouvelle formule de générateur de courant alternatif à partir d'une source de tension continue, appelé -con- vertisseur. Les procédés actuellement connus sont tous basés sur une discontinuité du circuit alimenté par la source continue.blocage anode/cathode dans les tubes électroniques, blocage collecteur/émetteur dans les trans istors, blocage anode/cathode dans les thyristors; ces blocages et déblocages périodiques constituent des interrupteurs par discontinuité de circuit et entravent des surcharges transitoires de surtensions et sur-intensités, difficiles à maftriser, surtout dans les thyristors,réduisant beaucoup la fiabilité de ces convertisseurs.La présente invention consiste à provoquer des variations périodiques du courant de la source continue sans rupture du circuit, sans discontinuité d'éléments interrupteurs, par la m ise en opposition entre la tension de la source continue et une tension auxiliaire périodique disponible aux bornes d'une inductance de faible résistance ohmique; cette tension auxiliaire comportant une composante continue qui constitue la tension d'opposition contre la source continue. On sait qu'il est impossible de disposer d'une composante continue de tension aux bornes d'une induclalvn régime permanent; mais on peut faire apparaître une composante continue en régime transitoire.Pendant le transitoire d'opposition, la source ne débite aucun courant; pendant le transitoire d'arrêt de la tension d'opposition, la source débite son courant normal.La tension auxiliairq'sera de haute-fréquence et désignée par HF; 1 a fréquence des transitoires sera de basse-fréquence par rapport à HF et désigne par BF.La réalisation d'un tel convertisseur sur ce principe de base est l'objet de la présente invention, caractérisée par la conju F,aiion des 4 opération s suivantes:I génération de l'oscillation HFauxiliaire; 2) modulation ou découpage de cette oscillation HF par un signal périodique BF, engendrant un train d'ondes HF découpé en BF; 30)redressement de ce train d'ondes HF( découpé )sur un circuit constitué d'une inductance et d'une diodeapparallèle, engendrant aux bornes de l'indue tance un train d'ondes HF redressées séparées par des intervalles d'arrêt à fréquence BF 40)mise en opposition de cette tension périodique à composante continue, contre la tension de la source continue, engendrant arrêts et rétablissements périodiques du courant de la source continue. Ces 4 opérations sont représentées d'abordiar le bloc-diagramme de la figure I, par 4 blocs a b c d correspondant chacun à une courbe de la figure 2, sur laquelle la courbe a représente l'oscillation auxiliaire HF, la courbe b le train d'ondes HF découpées en BF , ou modulation par in terruptions par le signal BF; la courbe c le redressement de ce train d'ondes HF aux bornes de l'inductance; la courbe d le courant de la source continue résultant de la mise en opposition avec le signal de la courbe c , dans le cas de charge non résonante; 1 a courbe e le courant de la source continue résultant de la-mise en opposition, dans le cas de charge résonante comportant self et condensateur en série ( résonance-série) L a création de l'oscillation HF auxiliaire ( courbe a de la figure 2)peut entre assurée par tout type connu d'oscillateur HF (Hartley, Colpitts, ECO, Pierce, etc....)et ne fait donc pas ici l'objet d'un dessin; de meAme, la mo dulatiorf ou découpage)de cette oscillation HF par le signal BFpeut se faire par tout procédé connu de modulation par interruptions périodiqués et ne fera ici l'objet d'aucun dessin spécial.Par contre , le redressement du train d'ondes HF découpé ) sur une impédance constituée d'une inductance et d'une diode antiparallèle demande explication et fait l'objet des 2 figures 3 et 4. La figure 3 donne un exemple de redressement des 2 alternances de l'onde HF découDée ( courbe b de la figure 2), sur une charge inductive constituée de l'inductance K et de la diode 6 anti-parallèle(cathode réunie aux cathodes des diodes 4 et 5 ).Sur cette figure 3, l'oscil1 ateur auxiliaire HF est désigné par I; le transformateur de couplage est représel té par ) ( primaire) et 3 (secoJldaire S prise médiane) alimentant les 2 diodes symétriques redresseuses 4 et 5.Pour un train d'ondes HF découpées en BF ( courbe b de la figure 2) la tension aux bornes de 1 'inductance IC et de la diode 6 est constituée d'un train d'ondes HF re dressées,séparées par dès intervalles d'arrêt,représentéese la courbe c de la figure 2 . Il appariait donc aux bornes de l'inductance une composante continue de tension pendant le passage de chaquJgroued'ondes HF et c'est précisément cette composante continue de tension que l'on applique en tension d'opposition contre la tension de la source continue (figure 5). Cette composante continue disparaît en régime d'ondes entretenues non-modulées; ce redressement sur inductance de charge est essentiellement un phénomène transitoire; la présente invention est basée sur l'utilisation de ce phénomène transitoire. L'explication est donnée par les courbes (c) et (f) de la figure 4, où (c) représente la tensionVaux bornes de l'inductan- ce K et (f) le courant I dans cette inductance, ces deux courbes étant représentées en correspondance de phases: tension V et courant I. A chaque demi-onde redressée de V, correspond uJarc ascendant de I avec palier horizontal très court au niveau des points de rebroussement de V, dG au commencement de décharge de 1 dans la diode 6 anti-parallèle.Pendant chaque passage de group+'ondes HF redressées, le courant I reste donc ascendant selon la courbe (f) en "marches d'escalier'; puis descendant après la fin de chaque group0'ondes. Il est évident que cette ascension du courant I ne peut pas être illimitée et s'arrêtera dès que 1 aura atteint sa valeur maximale; cette ascension n'est donc possible qu'en régime transit oire, à la condition que I n'atteigne pas sa saturation avant la fin du transitoire; il y a une relation à déterminer entre la constante de temps de l'inductance K et la durée du transitoire (demi-période du découpageBF) L a figure 5 représente un exemple de mise en opposition de la tension V à composante continue, contre la tension de la source continue S, dans le cas de charge résonante. Soit BF la fréquence du signal de découpage basse-fréqueMe du train d'ondes HF, L'inductance L associée au condensateur C constitue un circuit BF de résonance-série accordé à la fréquen ce BF, donc d'impédance nulle à cette fréquence. R désigne la résistan ce de charge du convertisseur ou son transformateur d'adaptation d'impédances.L'ensemble LCR est supposé en régime oscillatoire(R2 Pendant l'arrêt du train d'ondesHF(c-curbe b et courbe c de la figu- re 2),donc en- l'absence d'opposition, la source continue S charge librement le condensateur C à travers l'inductance L (et K en série, de faible valeur devant L )en courbe de résonance-série selon une demi-période de courant.Pendant la phase d'opposition, le condensateur C , dont la tension passe par un maximum à la fin de cette demi périodeS se décharge en courant inverse à travers la source S et la tension d'opposition de K, donc sur un ensemble SK de tension nulle, donc librement à travers l'inductance L et la faible inductance K supposée négligeable devant L. Le tous rant traversant la résistance de charge Rest donc un courant alternatif de fréquence BF, sinusoïdal dans le cas de charge résonante (cas de la figu re 5) ou de forme rectangulaire dans le cas de charge purement ohmique; ce dernier cas ne donnant d'ailleurs, en l'absence de condensateur C, qu'un courant variable uni-directionnel, à composante continue.Il est à noter que le signal HF disponible sur l'inductance Kn'est pas atténué par le circuit LORS , 'car le circuit de résonance-série LC est accordé en B F et constitue une self d'arret par rapport au signal HF de K.Rien n' em- Puche, d'ailleurs, d'ajouter une petite self d'arretHF en série si l'on veut compléterl a protection. Inversement, l'inductance K ( ou self HF)étant très faible devant L ne perturbe pas la résonance-série BF du -circuit con vertisseur par opposition. La figure 5 donne donc le schéma, à titre d'ex emple non limitatif, de réalisation d'un convertisseur selon ce nouveau pro cédé d'opposition selon l'invention D'autres variantes sont possibles, évi- dentes(Oude moindre intérêt), telles que: charge non résonante, montages symétriques ou montages en Pont à 2 ou 4 branches; montages triphasés etc.. U ne variante de la figure 5 consiste à remplacer l'inductance K et sa diode anti-parallèle par une inductance couplée à K, sur laquelle on retrouve le meme signal d'opposition, sans nécessiter une deuxîème diode anti-parallè le. Le redressement du train d'ondes HF découpées comporte plusieurs variantes possibles, telles que: diode simple sur I alternance; diodes sy métriques, pont à 4 diodes; redressement par éléments actifs tels que tran sistors, amplis opérationnels en régime non linéaire, circuits "push-push" du type symétrique/asymétrique; circuits de détection synchrone; ou d'une ânière générale, tous circuits connus de redressement en remplaçant le RC habituel par l'ensemble inductance /diode anti-parallèle .La modu lation BF ou découpage comporte également plusieurs variantes: modula tion de l'oscillateur lui-même ou modulation d'un étage séparateur ou mo dulation au niveau du redresseur, selon des schémas évidents. Il est à noter que l'ensemble des opérations de génération de la tension d'opposi tion lie consomme qu t une puissance très faible; et que la génération du courant de conversion de la source s'effectue, par ce procédé d'opposai tion, avec un rendement voisin de l'unité; le rendement global sera donc très élevé, les pertes calorifiques étant très faibles, l'élément de commu tation étant icil'inductance K porteuse du train d'ondes HF à composante continue.Cette simple inductance HF ne comporte évidemment aucune des limitations de fréquence ni de puissance des éléments habituels(t-lbes, transistors, thyristors) Un procédé selon l'invention pour faire varier la puissance moyenne de sortie du convertisseur consiste à soumettre le signal de découpage BF à un découpage de fréquence encore plus basse, ap pelé TBF (très basse-fréquece).; pendant les arrêts du signal d'opposi tion, le circuit de la figure 5 en résonance-série LCR cesse d'être en t retenu; ce procédé de double-modulation permet un réglage facile et progressif de la puissance moyenne.Les applications principales de ce nouveau type de convertisseur sont les Onduleurs,jusqu'à des puissances très grandes et des fréquences très élevées; les générateurs de chauffa ge à induction, les générateurs d'ultra-sons et tous générateurs de puis- sance. I1 reste à noter que la tension d'opposition, disponible sur l'inductance R, peut subir un pré-filtrage HF par une cellule passe-bas éliminant la HF de la porteuse tout en conservant la modulation BF à composante continue transitoire pour mise en opposition contre la source continue.Notons enfin unevariante simplifiée du découpage BF de l'oscillation HF, en utilisant 1' oscillateur du type " bloqué" (ou "blocking")qui conjugue en I seul montage oscillateur les 2 fonctions" oscillation" et " découpage BF", le RC associé déterminant la fréquence BF du découpage. - REVENDICATIONS I.Procédé de conversion de courant continu en alternatif caractérisé par la conjugaison des 4 opérations suivantes: I0)génération d'une oscillation auxiliaire haute-fréquence (HF); 2 hécoupage de cette oscillation HF par un signal basse-fréquence (BF)engendrant un train d'ondes HF découpées en BF; 30àedressement de ce train d'ondes HF découpées, sur un circuit de charge inductive avec diode anti-parallèle, engendrant aux bornes de 1 'inductance un signal à composas continue pendant le passage de chaque groupe d'ondes; 40) mise en opposition de cette tension à composante contre transitoire contre la tension de la source continue, provoquant réductions et rétablissements périodiques du courant débité par la source, réalisant ainsi la fonction-convertisseur. 2. Convertisseur pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que le circuit de mise en opposition( ou circuit de conversion) comporte une charge résonante en résonance-série LCR, accordée sur la fréquence de découpage BF. 3. Convertisseur pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendicat i on 1, caractérisé en ce que la tension d'op,bsition est prélevée sur une inductance séparée couplée à l'inductance du circuit redresseur. 4. Convertisseur pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendica tion 1, caractérisé en ce que la tension d'opposition subit un pré-filtrage HF en vue d 'éliminer la porteuse HF tout en conservant la composante continue transitoire BF. 5. Coyertisseur pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que la variation de puissance moyenne de sortie est réalisée par un découpage TBF (très basse-fréquence)du signal BF de découpage (double modulation). 6. Convertisseur pour la mise en oeuvre du procédé. selon la revendication I, à titre de variante simplifiée, caractérisé en ce que les 2 opérations de génération d'oscillation HF et de découpage BF sont réalisées par I seul montage oscillateur appelé " oscillateur bloqué" ou " blocking", doltCle RC associé détermine la fréquence du découpage BF.