Brevet FR2642915A1 — publié le 19900810

DESCRIPTION TECHNIQUE La présente invention concerne les circuits electroniques relatifs aux convertisseurs d'énergie du type continu-continu, quelquefois appelés convertisseurs statiques. Elle concerne plus particulièrement les circuits dits " résonance" utilisés pour charger des condensateurs, comme c'est par exemple le cas pour des flashes électroniques. On connaît actuellement une grande variété de convertisseurs a résonance, qui sont constitués généralement d'un hacheur à transistors suivi d'un circuit å résonance attaquant tn transformateur. Le secondaire de ce transformateur attaque un redresseur suivi d'une cellule de filtrage. Quand on utilise ces convertisseurs pour charger périodiquement un condensateur comme c'est le cas dans les flashes électroniques, on constate que, en début de charge, le convertisseur est chargé par un quasi court-circuit, ce qui diminue-le rendement et impose un surdimensionnement du hacheur. Le dispositif suivant l'invention permet d'éviter -ces inconvénients. Il prélève en effet à la source primaire une puissance constante, d'ou un dimensionnement optimal du hacheur qui réduit le coût du circuit, qui est par ailleurs remarquablement simple. L'invention a pour objet un dispositif permettant d'obtenir la charge d'un condensateur 12) à partir d'une source continue de tension (1) et d'un circuit hacheur quelconque (6) et (7). Il comporte un circuit hacheur (6) et (7) attaquant un condensateur (C) en série avec une inductance (4), aux bornes de laquelle on effectue un redressement avec la diode (3), elle-même réliée au condensateur (2), suivant une disposition que nous avons convenu d'appeler "pompe résonante". Selon une autre caractéristique, le redressement aux bornes de l'inductance (4) s'effectue par les diodes (8) et (9), à double polarité s et . Selon une autre caracteristique, le redresement aux bornes de l'inductance (4) s'effectue au moyen d'un pont de diode (17). Suivant une autre caractéristique, le redressement s'effectue au moyen d'un multiplicateur de tension du type Greinacher par exemple. Suivant une autre caractéristique, le hacheur est du type "demi-pont". utilisant les transistors (6) et (7). Suivant une autre caractéflstique, le hacheur est du type "Forward" (12), (13), (14), Suivant une autre caractéristique, le hacheur est du type "en pont" (18), (19), (20) et (21). Suivant une autre caractéristique, le hacheur fonctionne en auto-oscillateur et comporte une détection de courant (22) par transformateur charge au secondaire par une résistance (23), et des moyens d'amplification (24) et (25) permettant d'attaquer les bases des transistors (6) et (72. Suivant une autre caractéristique, il comporte un circuit comparateur (26), qui peut arreter la charge en agissant sur une porte logique (30). Suivant une autre caractéristique, il comporte un multivibrateur (31), (32), permettant de démarrer le circuit auto-oscillant et des moyens (29) inhibant ledit multivibrateur dès que l'oscillation a pris place. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente les éléments essentiels du circuit de base de la pompe resonante. - la figure 2 représente en a les tensions aux bornes de l'inductance, en traits pleins (VL), et aux bornes du condensateur a charger (Vs) en traits mixtes. En b est représentée la tension de sortie du hacheur. - la figure 3 représente une pompe résonante délivrant deux tensions symétriques + Vs et-VS . Elle est activée par un circuit de convertisseur du type "Forward". - la figure 4 représente une pompe résonante utilisant un convertisseur en pont symétrique et un redressement par pont de diodes. - la figure 5 represente un circuit complet de pompe résonante utilisant un convertisseur en demi pont contrôle par un étage "Forward", lui-meme contrôlé par l'image du courant circulant dans le circuit à résonance. Il s'agit donc d'un auto-oscillateur comportant un limiteur de charge et un circuit de démarrage permettant une grande sécurité de démarrage. - la figure 6 représente un redressement par multiplicateur de tension du type Greinacher. L'invention sera de toute façon mieux comprise a partir d'une première réalisation, donnée ici a titre indicatif et, bien entendu nullement limitatif. Supposons que le hacheur constitué par les transistors (6) et (7) visible sur la figure 1 découpe la tension continue U appliquée par l'alimentation (1) au condensateur de découplage (5) en créneaux, comme schématisé sur la figure 2b .Si la fréquence de ces créneaux est exactement la même que celle du circuit résonant série formé par le condensateur C et l'inductance (4), il est possible d'observer aux bornes de l'inductance une tension VL telle que On conçoit donc que si Q est assez élevé, on puisse de cette façon générer des tensions très élevées.Un coefficient de surtension de 100 est facile a obtenir, ce qui montre qu'avec une tension d'alimentation de U = 48 volts par exemple, on peut obtenir 3 kV ! Cette tension elevée ne peut pas être obtenue instantanement, car la diode (3) prélève de l'énergie au circuit afin de charger le condensateur (?) , ce qui est la finalité du circuit. En fait, la tension V a une amplitude qui est approximativement limitée a Y L S Le fonctionnement du circuit en présence de cette diode (3) peut etre compris de la façon suivante. Plaçons-nous à un certain instant t juste avant t1 l'amplitude de l'oscillation était par exemple V1 . A l'instant tl, le créneau V0 transmis par C et - V1augmente de U.Après une demi-période, c'est- -dire à t = t1 + T/2, on aurait. en l'absence de la diode (3). une tension V qui se serait inversée et qui vaudrait donc, L avant la commutation du créneau, + V 1 + U. Après commutation, on aurait + V1 + 2 U. En fait, la diode (3) va contribuer à décharger le condensateur C dans (2), et la tension ne sera plus que V + #Vs . Le condensateur S C a donc cede a (2) une charge #q telle que "q=C[(V+ 2U) -(V1+ # 2U) - (V1 + #VS)] =C(2U - #VS) 1 1 S S On peut également écrire la charge du condensateur (2) de capacité C' = = C' AV S D'ou la relation qui se réduit généralement a A cet instant. la tension Y vaut: V + AV = V2. L 1 S 2 Un peu avant l'instant t + T. la tension s'est inversée, et vaut - V , et on peut recommencer le même raisonnement. 2 Ainsi, la tension augmente de AV a chaque période, d'ou une S montée régulière de tension suivant la relation La tension monte proportionnellement au temps, comme si le condensateur C débitait à la façon d'une pompe volumétrique dans (2). C'est le phénomène de résonance qui permet d'ajuster les tensions au fur et mesure de la charge de (2). C'est cette analogie qui est à l'origine de l'appellation pompe résonante" que nous avons donnée a ce circuit. Pour fixer les idées, donnons quelques valeurs numériques supposons qu'on souhaite charger un condensateur de 440 WF a 850 volts en 1,5 seconde, avec un circuit fonctionnant a une fréquence N = 100 kHz. On aurait D'où : C U = 1,25 . 10-6 Si U = 48 volts, il faut un condensateur de : C = 26 nF. L'inductance vaudrait alors : La puissance Pp dissipée dans le circuit oscillant est maximum en fin de charge, au moment où la tension de charge vaut VM. Elle peut s'écrire Avec les valeurs précédentes, et si Q = 100, on a Pour calculer le rendement, il faut exprimer l'énergie Wp perdue pendant toute la durée N de la charge. On trouve En reprenant les valeurs numériques ci-dessus, on trouve : Wp = 30 Joules. Pour exprimer un rendement. on doit rapporter cette perte à 1 'énergie contenue dans le condensateur, soit 150 Joules. d'où un rendement X tel que 30 n = - = 20 % 150 Pour améliorer le rendement. il faut augmenter Q et utiliser une tension U la plus élevée possible. On peut aussi augmenter la fréquence et réduire le temps de charge On a ainsi la perspective d'obtenir des rendements superieurs à ceux des circuits traditionnels tout en ayant une plus grande simplicité de mise en oeuvre. Une autre façon d'augmenter le rendement consiste a réaliser la charge de deux condensateurs (10) et (11), a tension moitié, en utilisant le circuit de la figure 3. On peut montrer dans ce cas que les phénomènes sont analogues a ceux du cas précédent, et que l'évolution de la tension de charge de chaque condensateur suit la loi C VS = N U t C" Pour se placer énergie stockée identique, il faut : C" = 2 C. Ce qui signifie que pour charger pendant le même temps on devra doubler C ou N Si on reporte ces valeurs dans l'expression de W , on constate que, toutes choses égales par ailleurs. cette configuration permet de diviser les pertes par deux, et donc de doubler le rendement Le mode de realisation du hacheur n'a pas d'importance sur le fonctionnement du circuit. On le choisira en fonction de critères techniques (coût, encombrement, etc...).La figure 3 illustre le cas d'un hacheur dérivé d'un circuit classique de convertisseur, connu sous le nom de convertisseur direct, ou plus souvent sous la désignation anglaise "Forward". Il comprend un transistor de commutation (13) qui attaque le primaire (14) d'un transformateur possédant un circuit de démagnétisation (15) avec sa diode (16) et un secondaire (12). La commande de base de (13) peut s'effectuer au moyen d'un générateur accorde sur la fréquence de résonance du circuit C-(4), ou par l'image du courant , amplifiée et écrétée, circulant dans (4). On a alors un auto-oscillateur. Une autre réalisation est présentée en figure 4 Les transistors de commutation (18), (19), (20) et (21) sont placés dans un schéma en pont symétrique. Dans ce cas, l'amplitude des créneaux crête à crête est de deux fois la tension d'alimentation continue U . Elle est donc double de celle obtenue avec le montage en demi-pont de la figure 1, qui avait servi de référence a nos calculs. Toutes choses égales, le rendement est donc deux fois meilleur, au prix il est vrai d'une plus grande complexité. Le redressement dans cette version s'effectue au moyen d'un pont de diodes. La croissance de la tension aux bornes de (2) suit la loi : 2NCU VS = --- .t C' Un dernier exemple de réalisation est donné en figure 5. Il utilise un hacheur en demi-pont à transistors bi-polaires, fonctionnant en auto-oscillateur.Le courant dans le circuit résonant est prélevé au moyen d'un tore de ferrite traversé par le circuit et comportant un secondaire de 50 tours par exemple, chargé par une résistance de 100 Q . le signal aux bornes de cette résistance est amplifié très fortement par l'amplificateur opérationnel (24) au point dextre écrêté et donc transformé en creneaux carrés. Ce signal, après avoir transité par les portes logiques (30) et (33), est amplifié par le transistor (25), qui attaque un transformateur (34) dont les secondaires commandent les transistors de puissance (6) et (7). Le démarrage de l'oscillateur est assuré par un multivibrateur (31) et (32), fonctionnant sensiblement à la fréquence de résonance du circuit. Son signal de sortie passe par la porte (29) qui est inhibée par le circuit (35) consistant en un redressement des créneaux de courant. Ainsi, des que le circuit oscille. le multivibrateur n'est plus en service. Un amplificateur opérationnel (26) compare la tension de charge de (2) a une référence. Dès que le condensateur est chargé, la porte (30) coupe la transmission des signaux issus de (24) et l'oscillation s'arrête. Le multivibrateur est aussi bloque par ce signal. On dispose ainsi d'un procédé permettant de réguler très finement la tension de charge des condensateurs. Suivant un dernier mode de réalisation de l'invention, on utilise un redressement de la tension de sortie au moyen du circuit multiplicateur de tension de Greinacher. En se reportant à la figure 6, on voit un exemple de multiplicateur de tension a deux étages. On sait que, d'une façon générale. la tension de sortie VS de ce circuit vaut environ 2N fois la tension crête d'entrée. Dans le cas de la figure 6, le nombre d'etages N est égal à deux. On a donc au maximum, Vs = 4 VE Cette disposition est classique ; on reconnait les condensateurs (36) et (37) de la colonne å potentiel variable, les condensateurs (38) et (39) de la colonne a potentiel fixe, et les diodes (40), (41), (42) et (43) qui les relient. On peut. grâce à ce redresseur. améliorer le rendement. puisque, à VS donné, la tension de sortie du circuit résonant est beaucoup plus faible. L'invention peut être utilisée dans les flashes électroniques et, d'une façon genérale. dans tous les cas où il est nécessaire de charger des condensateurs. Revendications 1") Circuit électronique destine a la charge d'un condensateur (2) a tension élevee a partir d'une source continue basse tension (1) et d'un circuit hacheur quelconque (6) et (7) attaquant un condensateur C en série avec une inductance (4) aux bornes de laquelle on effectue un redessement avec la diode (3), elle-même reliée au condensateur (2) 2") Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le redressement aux bornes de l'inductance (4) s'effectue par les diodes (8) et (9), à double polarité +V5 et - VS 3") Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le redressement aux bornes de l'inductance (4) s'effectue au moyen d'un pont de diodes (17). 4 ) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le redressement s'effectue au moyen d'un multiplicateur de tension du type Greinacher par exemple. 5 ) Dispositif suivant les revendications 1,2 ou 3, caractérisé en ce que le hacheur est du type ',demi-pont", utilisant les transistors (6) et (7). 6 ) Dispositif suivant les revendications 1, 2 ou 3, caractérise en ce qu'il utilise un hacheur du type "Forward" (12), (13), (14), (15) et (16). 7 ) Dispositif suivant les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il utilise un hacheur en pont (18), (19), (20) et (21). 8 ) Dispositif suivant les revendications 1, 2 ou 3, caractérise en ce que le hacheur fonctionne en auto-oscillateur et comporte une détection de courant (22) par transformateur chargé au secondaire par une résistance (23), et des moyens d'amplification (24) et (25), permettant d'attaquer les bases des transistors (6) et (7). 90) Dispositif suivant des revendications I à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit comparateur (26) qui peut arrêter la charge en agissant sur une porte logique (30). l'une 10 ) Dispositif suivantAdes revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un multivibrateur (31) et (32), permettant de démarrer le circuit auto-oscillant, et des moyens (29) inhibant ledit multivibrateur dès que l'oscillation a pris place.