Brevet FR2646029A1 — publié le 19901019

-1- Convertisseur continu-continu, à découpage La présente invention concerne un convertisseur d'énergie électrique, et plus particulièrement un convertisseur du type continu- continu, à découpage. Un exemple connu de convertisseur continu-continu à découpage et les principales formes d'onde associées, sont rappelés respectivement sur les figures la et lb. Ce convertisseur comporte un transformateur T assurant un isolement galvanique entre une partie dite primaire à laquelle est raccordé une source de tension continue d'alimentation et une partie dite secondaire à laquelle est raccordée une charge C. Deux commutateurs à transistors %1 et S2 localisés dans la partie primaire sont commandés en phase, une diode D1 localisée dans la partie secondaire assurant un transfert d'énergie à la charge lorsque ces commutateurs sont conducteurs, et une diode D2 localisée également dans la partie secondaire assurant la continuité du courant dans la charge à travers une inductance de lissage L lorsque ces commutateurs sont bloqués, deux diodes D3 et D4 étant par ailleurs prévues au primaire afin de protéger les commutateurs contre des surtensions. Un autre exemple de convertisseur à découpage, dit à double alternance, et utilisant deux transformateurs est rappelé sur la figure 2, seule la partie primaire du montage étant représentée. Ce convertisseur permet de reproduire sur une deuxième alternance le fonctionnement rappelé ci-dessus pour une première alternance, grâce à un deuxième module S3- S4- T2- D5- D6 identique au précédent S1- S2- T1- D3- D4. La présente invention a pour objet un convertisseur continu-continu à découpage et à double alternance permettant d'éviter un certain nombre d'inconvénients présentés par le montage de la figure 2, et consistant principalement en un nombre élevé de commutateurs et de diodes et en une commutation abrupte de ces composants, elle- même génératrice de perturbations radiolectriques et limitant par ailleurs, du fait des pertes de commutation, une montée en fréquence qui permettrait de réduire le volume de l'inductance de lissage et des transformateurs. Par le document Unitrode Applications Handbook 1987-1988 -2 - (pages 334337) il est par ailleurs connu d'utiliser le phénomène de résonance dans un convertisseur à découpage à double alternance et à un seul enroulement primaire, en vue d'obtenir une réduction des pertes de commutation. Un tel convertisseur et les formes d'ondes associées sont représentés respectivement sur les figures 3a et 3b. Ce convertisseur utilise effectivement des éléments de résonance LR (inductance) et CR (condensateur) dans les deux circuits possibles d'alimentation de l'enroulement primaire, via le commutateur Si ou via le commutateur S2 et correspondant aux deux alternances possibles, permettant ainsi d'obtenir à chaque alternance un courant primaire ip débutant en forme d'arche de sinusoïde, le passage à zéro de ce courant (recherché en vue d'une réduction des pertes de commutation) étant ensuite obtenu du fait d'une forme triangulaire de ce courant, elle-même obtenu par mise en conduction de l'une de deux diodes d'écrêtage D1 et D2, quand la tension aux bornes de CR tend respectivement à devenir négative et supérieure à la tension d'alimentation. Ce type de convertisseur présente cependant des inconvénients. Ainsi les formes de courant obtenues dans les diodes d'écrêtage iDI, iD2, ainsi que dans le condensateur (iCR) ou la source (i@, présentent des fronts de commutation abrupts, ce qui provoque des perturbations radioélectriques ou des suroscillations parasites. La présente invention a pour objet un convertisseur à découpage permettant d'obtenir une commutation douce de tous les composants du montage. La présente invention a également pour objet un convertisseur à découpage dans lequel les formes d'ondes sont en arches de sinusoïdes, évitant ainsi des suroscillations parasites, et permettant également un meilleur filtrage du courant secondaire par le filtre de sortie, du fait d'une moins grande richesse en harmoniques. La présente invention a également pour objet un convertisseur à découpage dans lequel, pour une fréquence de commutation donnée, la fréquence du courant secondaire peut être multipliée par deux (la fréquence nominale pouvant être égale à la fréquence de résonance), autorisant ainsi une réduction du volume du filtre de sortie. La-présente invention a également pour objet un convertisseur à découpage à double alternance et à double enroulement primaire dans lequel le nombre de commutateurs est réduit par rapport au montage considéré à la figure 2, passant de quatre à deux. La présente invention a pour objet un convertisseur continu-continu à découpage, comportant une source de tension continue alimentant une charge via au moins un circuit d'alimentation à découpage d'au moins un enroulement primaire d'un transformateur, essentiellement caractérisé en ce que ce circuit d'alimentation à découpage est un circuit à résonance, un élément étant par ailleurs prévu au secondaire du transformateur, dont la valeur de l'impédance à la fréquence de résonance fR permet de limiter le courant dans ce circuit d'alimentation à découpage à sa seule composante alternative. D'autres objets et caratéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation dans laquelle: - les figures la, lb, 2, 3a et 3b déjà décrites sont des figures relatives à l'art antérieur, - la figure 4 est un schéma d'un convertisseur suivant l'invention, - les figures 5a et 5b représentent les formes d'ondes obtenues avec un convertisseur suivant la figure 4. Le convertisseur représenté sur la figure 4 comporte deux transformateurs dont les enroulements primaires sont référencés T1 et T2, et dont les enroulements secondaires respectifs sont référen- cés T'l et T'2. Le côté primaire du schéma est alimenté par une source de tension continue appliquée entre deux bornes repérées 1 et O; le côté secondaire du schéma alimente une charge C. Une première extrémité des deux enroulements primaires est connectée à l'une des bornes, O par exemple, de la source de tension continue V10 par l'intermédiaire d'un condensateur CR; on a par ailleurs référencé par LR la self de fuite de ces deux enroulements supposés identiques. Une deuxième extrémité de l'enroulement primaire T2 est connectée d'une part à la borne d'entrée 1 par l'intermédiaire d'un commutateur S2, et d'autre part à la borne d'entrée O par l'intermédiaire d'une -4- diode d'écrêtage D1. De même une deuxième extrémité de l'enroulement primaire T1 est connectée d'une part à la borne d'entrée 0 par l'intermédiaire d'un commutateur SI, et à la borne d'entrée 1 par l'intermédiaire d'une diode d'écrêtage D2. Les deux enroulements secondaires T'i et T'2 ont une première extrémité commune constituant la référence de sortie, référencée 0', l'autre borne de sortie, référencée 1', étant obtenue en un point commun 2' à deux diodes D3 et D4 connectées par ailleurs respectivement à une deuxième extrémité des deux enroulements secondaires. Un condensateur CS et un filtre intégrateur F sont par ailleurs disposés entre les points 2' et 0' et entre les bornes de sortie 1' et 0'. Au cours d'une première phase correspondant par exemple à une fermeture du commutateur S1 et à une ouverture du commutateur S2, l'enroulement primaire T1 est alimenté par un circuit dit à résonance comportant le commutateur S1, le condensateur CR et l'inductance LR, le condensateur CR étant supposé préalablement chargé à la tension continue V10. La fermeture du commutateur St entraîne le passage dans ce circuit d'un courant sinusoïdal (du moins pour la première arche à laquelle se limite cette première phase) de fréquence égale à la fréquence de résonance fR déterminée par les éléments LR et CR, ipl désignant sur la figure 5 le courant primaire au cours de cette première phase, et le courant iST au secondaire étant de même nature. La fermeture du commutateur S1 entratne donc un transfert d'énergie au secondaire à travers l'enroulement secondaire T'1, la diode D3 et le condensateur CS. Le courant traversant le commuta- teur S1 est donc sinusoïdal de fréquence fR. Il s'ensuit une évolution sinusoldale de la tension aux bornes du condensateur CR. Lorsque cette tension devient négative, la diode D1 conduit, et intervient alors une deuxième phase de résonance à travers l'enroulement primaire T2, la diode D1, l'inductance LR et le condensateur CR, l'énergie étant à partir de cet instant transférée aussi au secondaire à travers l'enroulement secondaire T'2, la diode D4,'et le condensa -5 - teur CS, ip2 désignant sur la figure 5 le courant primaire correspondant. On profite ensuite du passage par zéro du courant primaire pour procéder à l'ouverture du commutateur S1. Au cours d'une deuxième phase correspondant à un état ouvert des deux commutateurs S1 et S2, l'enroulement T2 continue néanmoins à être alimenté par le circuit D1, CR, LR, T2 comme en fin de première phase. Les durées de ces deux phases sont équivalentes. Le passage par zéro du courant primaire dont il a été question ci-dessus est obtenu grâce au condensateur CS qui se présente comme i0 un courtcircuit à la fréquence de résonance, et qui permet donc de ne pas tenir compte de la composante continue de courant dans la charge, ramenée par le transformateur, et de limiter le courant dans le commutateur S1i à sa seule composante alternative. Le commutateur S2 est ensuite fermé au passage par zéro du courant dans l'enroulement primaire T2, commandant ainsi une troisième phase durant laquelle le commutateur S1 sera maintenu ouvert. De même que précédemment l'enroulement primaire T2 est tout d'abord alimenté par un premier circuit à résonance composé du commutateur S2, de l'inductance LR et du condensateur CR, le circuit se refermant sur la source de tension continue d'entrée, ip2 désignant sur la figure 5a le courant primaire correspondant. De même que précédemment lorsque la tension sinusoïdale aux bornes du condensateur CR est suffisamment supérieure à la tention V10 la diode D2 conduit, entraînant simultanément l'alimentation de l'enroulement primaire T1 via un deuxième circuit à résonance composé de la diode D2, de l'inductance LR et du condensateur CR, et se refermant également sur la source de tension continue d'entrée. De même que précédemment, une quatrième phase est ensuite obtenue en ouvrant le commutateur S2 (le commutateur Si étant toujours à l'état ouvert) phase au cours de laquelle se prolonge l'alimentation de l'enroulement primaire T1 via le deuxième circuit à résonance (courant primaire ipl sur la figure 5a) le fonctionnement ainsi obtenu permettant ainsi, pour une fréquence de découpage donnée, de "multiplier par deux "la fréquence du courant secondaire, suivant l'importance de l'inductance. Lorsque l'inductance de fuite 1R est négligeable, les diodes D1 et D2 ne conduisent pas et les formes d'ondes sont celles de la figure 5b. Dans ce cas il n'y a pas de récupération sur la charge c'est-à-dire il n'y a pas de deuxième et de quatrième phases. La fréquence du courant secondaire est par ailleurs dans ce cas égale à la fréquence de résonance. En tout état de cause, l'absence de D1 et D2 entralne des surtensions sur S1 et S2 suivant l'importance de 1R. Le condensateur CR étant, en fin de cette quatrième phase, rechargé à la valeur V10, le circuit est à nouveau prêt pour un nouveau cycle de quatre phases, ces cycles pouvant être espacés pour permettre une régulation du courant débité dans la charge. Le convertisseur ainsi décrit permet donc d'obtenir une commuta- tion douce de tous les composants réduisant ainsi sensiblement les perturbations "EMI" (Electromagnetic Interférence) et supprimant les perturbations "RFI" (Radiofrequency Interférence) que généreraient les diodes en commutation forcée. Par ailleurs, l'absence totale de croisement courant tension au blocage permet de ne pas surdimensionner les commutateurs (notamment MOS) en tension. Le faible dv/dt sur les commutateurs au blocage et l'annulation naturelle du courant dans ces commutateurs commandés permet également d'envisager l'usage de "GTO" ("Gate Turn off Switch") ou de thyristors rapides, à des fréquences supérieures à 50 KHZ. Par ailleurs, avec ce montage, il n'est pas nécessaire d'avoir une diode de roue libre, le condensateur CS fonctionnant comme réservoir d'énergie pour le filtre et la charge. Par ailleurs, du fait de la disposition en série des commutateurs avec les deux enroulements primaires, il y a une autoprotection totale des commutateurs en cas de court-circuit accidentel au secondaire et aucune précaution supplémentaire ne s'impose au démarrage ou dans les séquences transitoires. Par ailleurs, le condensateur CS se comportant comme un court- circuit à la fréquence de résonance, la tension de sortie continue varie peu avec la charge, le filtre de sortie étant alimenté par une "source de courant" définie par les éléments de résonance 1R, CR, CS et la tension continue d'entrée. -7 REVENDICATIONS 1/ Convertisseur continu-continu à découpage, comportant une source de tension continue (V10) alimentant une charge (C) via au moins un circuit d'alimentation à découpage d'au moins un enroulement primaire (Ti, T2) d'un transformateur, caractérisé en ce que ce circuit d'alimentation à découpage est un circuit à résonance (LR, CR), un élément (CS) étant par ailleurs prévu au secondaire (T'1, T'2) du transformateur, dont la valeur de l'impédance à la fréquence de résonance fR permet de limiter le courant dans ce circuit d'alimenta- tion à découpage à sa seule composante alternative. 2/ Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément prévu au secondaire du transformateur est un condensateur (CS) branché en parallèle sur la charge et se comportant comme un court-circuit à la fréquence de résonance. 3/ Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les éléments de résonance sont formés par la self de fuite (LR) de l'enroulement primaire du transformateur et par un consendateur (CR). 4/ Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un circuit d'alimentation d'au moins un enroulement primaire du transformateur, dont la conduction est déclenchée pendant la conduction d'un circuit d'alimentation à découpage par emprunt d'énergie à celui-ci, et poursuivie au delà de l'ouverture de ce dernier, ce deuxième circuit d'alimentation étant également un circuit à résonance. / Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un circuit d'alimentation à déclenchement par un circuit d'alimentation à découpage a même fréquence de résonance que ce dernier. 6/ Convertisseur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'un circuit d'alimentation à déclenchement par un circuit d'alimentation à découpage emprunte son énergie à un circuit d'alimenta- tion à découpage par mise en commun d'un élément de résonance (CR). 7/ Convertisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que cet élément de résonance est un condensateur. 8/ Convertisseur selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé -8- en ce que le moyen de déclenchement d'un circuit d'alimentation à déclenchement par un circuit d'alimentation à découpage est une diode d'écrêtage (D1, D2) de la tension aux bornes du moyen de découpage du circuit d'alimentation à découpage. 9/ Convertisseur selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le transformateur est muni de deux enroulements primaires alimentés chacun par un circuit d'alimentation à découpage et par un circuit d'alimentation à déclenchement par un circuit d'alimentation à découpage, en ce que le transformateur est muni de deux enroulements secondaires correspondants, et en ce qu'un circuit d'alimentation à déclenchement par un circuit d'alimentation à découpage relatif à un enroulement primaire a sa conduction déclenchée par la conduction du circuit d'alimentation à découpage relatif à l'autre enroulement primaire, et son ouverture déclenchée par la conduction du circuit d'alimentation à découpage relatif au même enroulement primaire, de sorte qu'une énergie est restituée à la charge au cours de quatre phases successives dont une première correspond à un état ouvert du moyen de découpage d'un premier circuit d'alimentation à découpage et à un état fermé du moyen de découpage d'un deuxième circuit d'alimentation à découpage, une deuxième phase correspondant à un état ouvert de ces deux moyens de découpage, une troisième phase correspondant à des états de ces deux moyens de découpage inversés par rapport à la première phase, et une quatrième phase correspondant à nouveau à un état ouvert de ces deux moyens de découpage. 10/ Convertisseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque circuit d'alimentation à découpage comporte un seul moyen de découpage (S1, S2). 11/ Convertisseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de découpage (S1, S2) sont disposés en série avec les enroulements primaires. 12/ Convertisseur selon les revendications 3 et 9, caractérisé en ce que, lorsque l'élément de résonance formé par la self de fuite d'un enroulement primaire est suffisamment faible, il n'y a plus que deux phases successives, correspondant à la première et à la troisième phases.