Brevet FR2658674A1 — publié le 19910823

CONVERTISSEUR CONTINU-CONTINU A COMMUTATION A TENSION NULLE L'invention concerne un convertisseur continu-continu à commutation à tension nulle. Les convertisseurs de ce type sont, essentiellement, constitués autour d'un transformateur comprenant deux enroulements primaires montés en opposition et reliés sélectivement à une source de tension constante par l'intermédiaire d'un organe de commutation La commutation est contrôlée de manière à relier de façon alternée les enroulements afin de produire, à chaque alternance, une inversion corrélative du flux magnétique dans le transformateur, ce qui permettra de recueillir aux bornes d'un enroulement secondaire de celui-ci une tension alternative qui sera ensuite redressée et filtrée de façon appropriée. L'une des difficultés rencontrées lorsque l'on souhaite concevoir et mettre au point un tel convertisseur tient au comportement indésirable des éléments parasites du transformateur (principalement son inductance de magnétisation et sa capacité entre spires) et des organes de commutation. En effet, si l'on cherche à piloter un transformateur présentant une capacité parasite importante, pour inverser la tension aux bornes de cette capacité parasite il faudra délivrer des courants présentant des valeurs crête élevées, entraînant alors des pertes de commutation importantes dans le convertisseur En outre, la transition brusque du courant à une valeur élevée sera génératrice de parasites haute fréquence Ces inconvénients sont d'autant plus sensibles que l'on travaille à des fréquences élevées 'et avec des rapports de transformation importants. Pour pallier cet inconvénient, on utilise la technique dite de "commutation à tension nulle", consistant à piloter le convertisseur de manière que la tension aux bornes du commutateur soit nulle ou quasi- nulle à l'instant du passage de l'état ouvert (bloqué) à l'état fermé (conducteur) du commutateur Le courant traversant celui-ci sera alors initialement nul et croîtra ensuite progressivement, permettant ainsi une commutation "en douceur" de l'enroulement, avec un rendement élevé et un niveau de parasites minimal. Le document US-A-4 443 840 décrit un convertisseur de ce type dans lequel, pour s'assurer que la commutation a bien lieu à tension nulle, on impose l'écoulement d'un laps de temps prédéterminé, fixe, entre l'ouverture de l'un des commutateurs et la fermeture du commutateur opposé. Pendant ce laps de temps, les deux commutateurs sont ouverts et l'énergie accumulée dans l'inductance parasite de magnétisation du transformateur se décharge dans la capacité (parasite) entre spires de ce transformateur, produisant ainsi, par oscillation spontanée du circuit LC ainsi formé, un retournement de polarité de la tension aux bornes des enroulements primaires Une fois obtenu ce retournement de polarité, et après l'écoulement complet du laps de temps prédéterminé indiqué plus haut, la logique de commande ordonne la fermeture du commutateur approprié. L'un des inconvénients du convertisseur décrit dans ce document est que le laps de temps indiqué plus haut (que l'on appellera par la suite "temps mort") est une durée fixe, qui doit être calculée pour chaque configuration particulière de convertisseur, notamment en fonction de la fréquence de résonance propre du transformateur, elle-même déterminée par les caractéristiques parasites inductives et capacitives de celui-ci Ces paramètres pouvant varier de façon considérable d'un 3 2658674 transformateur à l'autre, il est nécessaire, pour chaque configuration de convertisseur différente, de calculer ou déterminer expérimentalement à nouveau la valeur du temps mort que l'on devra imposer. Un second inconvénient du convertisseur décrit dans ce document est que, même pour une configuration de convertisseur donnée, il est généralement nécessaire de prévoir un réglage final de la valeur du temps mort pour chacun des appareils réalisés, en raison des dispersions importantes des caractéristiques des composants utilisés: les caractéristiques déterminant la fréquence d'oscillation spontanée, et donc le temps mort prédéterminé à prévoir, sont en effet, comme on l'a indiqué plus haut, des caractéristiques parasites du transformateur, qui sont difficilement maîtrisables à la fabrication. Le document précité souligne d'ailleurs cette difficulté et prévoit pour y remédier des moyens d'ajustement fin de la durée du temps mort. Enfin, un troisième inconvénient du convertisseur décrit par ce document est qu'il nécessite une logique de commande particulièrement complexe pour assurer le séquencement des diverses commutations. L'un des buts de l'invention est de proposer un convertisseur continu-continu à commutation à tension nulle qui pallie l'ensemble de ces inconvénients, en permettant une adaptation automatique de temps mors, et qui donc: ne requière aucune adaptation particulière en fonction de la configuration de convertisseur choisie, compense automatiquement, pour une même configuration, les dispersions des composants utilisés, même si ces dispersions' sont importantes, puisse compenser automatiquement les variations des conditions de charge et des facteurs d'environnement (température de fonctionnement, notamment), et ne nécessite qu'une logique de commande extrêmement simplifiée. A cet effet, l'invention propose, essentiellement, qu'après l'ouverture de l'un des commutateurs, la fermeture du commutateur opposée soit automatiquement inhibée tant que l'oscillation spontanée du transformateur n'aura pas amené à zéro ou à une valeur quasi-nulle la tension aux bornes du commutateur, cette condition étant détectée par des moyens de détection appropriés. De ce fait, à la différence de la technique de l'art antérieur, le temps mort ne sera pas une durée fixe prédéterminée, mais une durée variable, contrôlée automatiquement en fonction de la tension détectée aux bornes du commutateur dont on doit commander la fermeture. Cette technique permet de supprimer le besoin qu'il y avait, dans l'art antérieur, de déterminer et d'ajuster le temps mort entre l'actionnement des commutateurs, et permet donc de s'affranchir de tous les inconvénients résultant de cette obligation. Plus précisément, l'invention s'applique à un convertisseur continucontinu du type (décrit par exemple dans le document précité) comprenant un transformateur, avec deux enroulements primaires montés en opposition de part et d'autre d'un point milieu et au moins un enroulement secondaire relié à une charge par des moyens de redressement et de filtrage; une source de tension constante, dont une première borne est reliée au point milieu du transformateur; deux moyens formant commutateurs, montés chacun en série entre la seconde borne de la source de tension et un enroulement primaire respectif; et des moyens de commande de ces commutateurs, pour relier alternativement et périodiquement la seconde borne de la source de tension à l'un ou à l'autre des enroulements primaires, ces moyens de commande imposant, entre l'ouverture de l'un des commutateurs et la fermeture ultérieure de l'autre commutateur, un temps mort pendant lequel ces commutateurs sont tous deux à l'état ouvert isolant ainsi de la source de tension le circuit formé par le transformateur et ses éléments capacitifs et inductifs associés, ce temps mort étant de durée suffisante pour obtenir, par l'oscillation propre dudit circuit, un retournement de polarité aux bornes des enroulements primaires et permettre ainsi une commutation à tension essentiellement nulle. Selon l'invention, on prévoit en outre des moyens d'ajustement automatique du temps mort, ces moyens comportant: des moyens détecteurs pour comparer la tension de chacun des enroulements primaires à un potentiel de référence; et des moyens inhibiteurs, pour empêcher, après l'ouverture de l'un des commutateurs, la fermeture de l'autre commutateur tant que la tension de l'enroulement primaire correspondant à ce dernier n'est pas devenue inférieure audit potentiel de référence. Avantageusement, ces moyens inhibiteurs peuvent comprendre, pour chacun des commutateurs, des moyens logiques formant porte dont l'une des entrées reçoit des moyens de commande un signal d'ouverture du commutateur, dont l'autre entrée reçoit des moyens détecteurs un signal indiquant que la tension de l'enroulement primaire respectif n'est pas devenue inférieure audit potentiel de référence, et dont la sortie commande la fermeture du commutateur respectif. Dans un premier mode de réalisation, le convertisseur est un convertisseur à pilotage externe, c'est-à-dire que ce signal de fermeture du commutateur est un signal logique de pilotage produit à partir d'un signal d'horloge externe. Dans un second mode de réalisation, le convertisseur est un convertisseur à oscillation auto- entretenue, c'est à dire que ce signal de fermeture du commutateur est un signal de réaction produit à partir de la tension délivrée par un enroulement auxiliaire du transformateur. Avantageusement, dans l'un ou l'autre cas, les moyens détecteurs peuvent comprendre, pour chacun des commutateurs, une diode montée entre la borne distale de l'enroulement primaire respectif et l'une des bornes d'un pont diviseur dont l'autre porte est reliée à une source de tension de référence, les moyens inhibiteurs étant commandés par un signal prélevé au point milieu de ce pont diviseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore plus clairement à la lecture de la description qui va suivre et des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 montre le schéma d'un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 2 donne les chronogrammes des différents signaux produits par le circuit de la figure 1, la figure 3 montre le schéma d'un second mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un premier mode de réalisation de l'invention, correspondant à un convertisseur à pilotage externe, c'est à dire dont la fréquence de répétition est imposée par un signal d'horloge appliqué de l'extérieur. le convertisseur comporte essentiellement un transformateur 10 avec, au primaire, deux enroulements 11, 11 ' montés en opposition de part et d'autre d'un point milieu 12 et, au secondaire, un ou plusieurs enroulements permettant de recueillir la tension alternative produite Dans l'exemple de la figure, le transformateur comporte deux enroulements secondaires 13, 15 débitant sur des moyens de redressement et de filtrage respectifs 14, 16 de manière à produire une tension de sortie respective Vouti, Vout 2. Les enroulements primaires 11, li' coopèrent chacun avec un organe de commutation respectif 20, 20 ' qui peut être de tout type connu, par exemple, comme illustré sur la figure, un transistor MOSFET de puissance On notera cependant que les enseignements de l'invention sont totalement indépendants de la technologie des composants choisie. On a représenté en traits interrompus en 17 l'inductance de magnétisation du transformateur en 18 la capacité parasite entre spires de ce même transformateur, et en 21, 21 ' la capacité parasite entre drain et source des commutateurs 20, 20 ' que présentent ceux-ci lorsqu'ils sont à l'état ouvert. Le point milieu 12 est relié à une source de tension continue Vin d'alimentation du convertisseur, l'autre borne (borne distale) de chacun des enroulements primaires 11, il' étant reliée sélectivement à la masse par l'intermédiaire du commutateur respectif 20, 20 ' (on notera que l'on pourrait, aussi bien, utiliser la configuration inverse, avec le point milieu 12 relié à la masse et les bornes distales des enroulements primaires reliées sélectivement à la source de tension Vin par l'intermédiaire des commutateurs 20, 20 '). Cette configuration est en elle-même classique, et les deux commutateurs 20, 20 ' sont pilotés de façon appropriée par application sur leur grille de signaux de commande respectifs Vg, Vg' de manière à les faire fonctionner en push-pull (c'est à dire que, pour pouvoir fermer l'un des commutateurs, l'autre doit être nécessairement ouvert). Selon l'invention, ce pilotage en push-pull est réalisé de façon particulière, grâce aux éléments de circuit que l'on va maintenant présenter. On prévoit, de façon symétrique, pour chaque moitié du montage push-pull, une diode respective 30, ' dont la cathode est reliée à la borne distale de l'enroulement 11, il' correspondant, et dont l'anode est reliée à un potentiel de références Vref par l'intermédiaire d'un ensemble série de deux résistances 31, 32 et 31 ', 32 ' Le point commun de ces deux résistances est relié à l'une des entrées d'une porte "NON OU" respectivement 40, 40 ' sur laquelle on applique un signal A, A', l'autre entrée recevant un signal parmi deux signaux complémentaires Q Q' produits par un diviseur de fréquence 50 recevant le signal d'horloge externe CK. on va maintenant décrire le fonctionnement de ce circuit, à l'aide des chronogrammes de la figure 2, qui illustrent, respectivement, l'évolution: du signal d'horloge CK, des deux signaux logiques Q' et Q obtenus en sortie du diviseur 50 (Q' étant le complément logique de Q), de la tension Vp présente à l'extrémité distale de l'enroulement il (cette tension correspondant également à la tension entre drain et source du commutateur 20), du signal logique Vg constituant la tension de commande appliquée sur la grille du commutateur 20, l'état logique haut (" 1 ") correspondant à l'état fermé (conducteur) et l'état logique bas (" O ") correspondant à l'état ouvert (bloqué) du commutateur, de la tension Vp' présente à l'extrémité distale de l'enroulement 11, (cette tension correspondant également à la tension entre drain et source du commutateur 20 '), et du signal logique Vg constituant la tension de commande appliquée sur la grille du commutateur 20 '. Initialement (c'est à dire juste avant un instant to), le commutateur 20 ' est fermé et le commutateur 20 ouvert (c'est à dire que l'on a Vg = " O " et Vg' = " 1 ") Dans cet état, la tension Vp est approximativement égale au double de la valeur de la tension continue d'entrée Vin, de sorte que la diode 30 se trouve polarisée en inverse, isolant ainsi de cette tension Vp les résistances 31 et 32 La tension au point milieu de ces deux résistances, correspondant au signal A appliqué à la porte 40, est alors égale à la tension Vref, que l'on a choisie de manière qu'elle corresponde approximativement au niveau logique " 1 ", de sorte que l'on a A = " 1 " sur l'entrée correspondante de la porte 40 Cette dernière étant une porte "NON OU" (c'est à dire qu'elle délivre en sortie un " 1 " si et seulement, si ses entrées sont toutes deux à zéro), elle délivre un " O " en sortie, c'est à dire que l'on a Vg = " O ", verrouillant ainsi le commutateur 20 à l'état ouvert. Toujours à t Par ailleurs, le commutateur 20 ' étant passant, la cathode de la diode 30 ' se trouve au potentiel de la masse (on néglige la chute de tension entre drain et source du commutateur 20 '), de sorte que cette diode se trouve polarisée en direct, mettant ainsi le point commun des résistances 31 ' et 32 ' à un potentiel inférieur à Vref et donc inférieur au niveau logique " 1 " (les valeurs des résistances sont choisies de façon appropriées pour aboutir à ce résultat). On a donc A' = " O " et, comme on a également Q' = 11011, la porte 40 ' produit en sortie un " 1 " (Vg' = " 1 "), verrouillant ainsi à l'état fermé le commutateur '. A l'instant to, on a un front montant du signal d'horloge CK, qui provoque une inversion des valeurs logiques des signaux Q et Q', donnant donc Q = " O " et Q' = " 1 ". Dès que Q' passe à " 1 ", la porte 40 ' bascule, donnant Vg' = " O " et provoquant ainsi une ouverture immédiate du commutateur 20 ' Quant à la porte 40, elle reçoit sur l'une de ses entrées le signal Q = " O " mais, comme la tension Vp est encore au niveau 2 x Vin, la diode 30 reste bloquée, et l'autre entrée A demeure au niveau " 1 ", maintenant ainsi le signal de commande à Vg = " O ", c'est à dire maintenant le commutateur 20 ouvert. On voit que, à ce stade, les commutateurs 20 et 20 ' sont maintenant tous deux ouverts. Après l'ouverture du commutateur 20, le primaire du transformateur se trouve isolé de la source de tension Vin, et l'énergie accumulée dans l'inductance de magnétisation 17 crée un courant chargeant la capacité entre spires 18 et les capacités parasites des commutateurs 21 et 21 ' La tension Vp, de la valeur 2 x Vin, retombe alors vers zéro, cette chute de tension ayant lieu à la fréquence de résonance propre du circuit résonnant LC formé des éléments indiqués plus haut Simultanément, la tension V'p croît de zéro vers 2 x Vin. A un instant tl, la tension Vp passe au- dessous de la tension Vref, ce qui inverse la polarisation de la diode 30, qui devient conductrice. La tension A passe alors de " 1 " (potentiel Vref) à " O ". On a alors A = Q = " O ", ce qui provoque le basculement de la porte 40, donnant Vg = " 1 " et provoquant ainsi la fermeture, de l'interrupteur 20. Un choix approprié des résistances 31, 32 permet de déterminer exactement, en fonction de la tension de seuil de la porte 40 choisie, le niveau de tension Vp à partir duquel la logique change d'état. En tout état de cause, la mise en conduction du commutateur 20 interviendra avec un niveau de tension Vp extrêmement faible à ses bornes, donc avec des pertes de commutation minimales et un très faible niveau de parasites générés. La fermeture du commutateur 20 est verrouillée par la rétroaction positive sur l'entrée A, mise au potentiel de la masse du fait de la conduction de la diode 30 et de la faible chute de tension drain- source du commutateur 20. On notera incidemment que la tension Vg à laquelle se produit la commutation peut, en fait, être nulle ou même légèrement négative du fait de la conduction de la diode formée par le corps du MOSFET, la mise en conduction de ce dernier étant légèrement retardée en raison de la nécessité qu'il y a de charger sa capacité grille-source et sa capacité de Miller. On voit ainsi que, après l'ouverture du commutateur 20 ', on a automatiquement contrôlé la fermeture du commutateur 20 par les résistances 31, 32, la diode 30 et la porte "NON OU" 40, la durée (temps mort) A t = tl-t O pendant laquelle la fermeture du commutateur 20 est inhibée ne dépendant que du retour à zéro de la tension aux bornes du transformateur, quels que soient les facteurs (paramètres électriques, température, dispersion des composants, etc) déterminant ce retour à zéro En d'autres termes, cette durée d'inhibition ou temps mort i t est une durée variable et ajustée automatiquement en fonction de la réponse du circuit. Au front montant suivant de l'impulsion d'horloge (instant t 2) le même cycle se répète, les rôles des composants des deux moitiés droite et gauche du circuit étant inversés, assurant alors un passage "en douceur" de l'ouverture du commutateur 20 à la fermeture du commutateur 20 '. On notera que le circuit représenté figure 1 ne correspond qu'à un exemple parmi d'autres de réalisation de l'invention, la porte "NON OU" pouvant être remplacée par exemple par un comparateur logique ou analogique ou une logique à transistor ou à diode simple, de manière à réaliser une fonction OU inversé appropriée permettant d'obtenir l'inhibition voulue, c'est à dire permettant de s'assurer que la tension d'enroulement est redescendue au voisinage de zéro avant d'autoriser la fermeture du commutateur. La figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel le convertisseur n'est plus un convertisseur à pilotage externe mais un convertisseur à oscillation auto- entretenue. Sur cette figure, les signes de référence renvoient à des éléments ou à des signaux semblables à ceux de la figure 1 Par souci de simplicité, on ne les décrira pas à nouveau puisque leur rôle est identique. Le circuit de ce second mode de réalisation se distingue du précédent en ce que le pilotage, qui était auparavant réalisé par les signaux Q et Q' dérivés du signal externe d'horloge CK est, ici, réalisé par un signal de réaction dérivé de la tension produite par des enroulements auxiliaires 19, 19 ' montés en opposition. Ces enroulements auxiliaires coopèrent avec un circuit 60 comprenant un pont diviseur 61, 62 alimenté par le potentiel de référence Vref et dont le point milieu est relié au point commun des enroulements 19, 19 ' de façon à décaler le signal produit par ceux- ci d'un niveau de tension continu approprié Une diode 63 met sélectivement à la masse la résistance 62 en fonction de la polarisation. Les enroulements auxiliaires 19, 19 ' commandent directement les portes logiques "NON OU" d'inhibition 40, 40 ' afin de s'assurer que, après l'ouverture de l'un des commutateurs 20 ou 20 ' (qu'il s'agisse d'une ouverture automatique due à la saturation ou d'une ouverture forcée due à la synchronisation), la fermeture du commutateur opposée soit inhibée tant que le retournement de tension aux bornes de l'enroulement primaire correspondant n'aura pas permis d'atteindre aux bornes de ce dernier commutateur un niveau de tension suffisamment faible pour assurer une commutation sans pertes. Une fois cette condition remplie, la logique autorise alors la transmission au commutateur du signal de réaction produit par l'enroulement auxiliaire correspondant, provoquant ainsi la fermeture de ce commutateur. Comme on peut le voir, dans l'un ou l'autre mode de réalisation la logique de commande est réduite à sa plus simple expression (une diode, deux résistances et une porte), tout en assurant un fonctionnement totalement sûr du convertisseur, quelles que soient les caractéristiques et les conditions de fonctionnement de ce dernier. REVENDICATIONS 1 Convertisseur continu-continu à commutation à tension nulle, du type comprenant un transformateur ( 10), avec deux enroulements primaires ( 11, 11 ') montés en opposition de part et d'autre d'un point milieu ( 12) et au moins un enroulement secondaire ( 13, 15) relié à une charge par des moyens de redressement et de filtrage ( 14, 16), une source de tension constante (Vin), dont une première borne est reliée au point milieu du transformateur, deux moyens formant commutateurs ( 20, 20 '), montés chacun en série entre la seconde borne de la source de tension et un enroulement primaire respectif, et des moyens de commande ( 50, 60) de ces commutateurs, pour relier alternativement et périodiquement la seconde borne de la source de tension à l'un ou à l'autre des enroulements primaires, ces moyens de commande imposant, entre l'ouverture de l'un des commutateurs et la fermeture ultérieure de l'autre commutateur, un temps mort ( At) pendant lequel ces commutateurs sont tous deux à l'état ouvert, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'ajustement automatique du temps mort, lesdits moyens d'ajustement incluant des moyens détecteurs ( 30, 31, 32; 30 ', 31 ', 32 ') pour comparer la tension de chacun des enroulements primaires à un potentiel de référence (Vref), et des moyens inhibiteurs ( 40, 40 '), pour empêcher, après l'ouverture de l'un des commutateurs, la fermeture de l'autre commutateur tant que la tension de l'enroulement primaire correspondant à ce dernier n'est pas devenue inférieure audit potentiel de référence. 2 Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens inhibiteurs comprennent, pour chacun des commutateurs, des moyens logiques formant porte ( 40; 40 ') dont l'une des entrées reçoit des moyens de commande un signal (Q; Q') de fermeture du commutateur, dont l'autre entrée reçoit des moyens détecteurs un signal indiquant que la tension de l'enroulement primaire respectif n'est pas devenue inférieure audit potentiel de référence, et dont la sortie commande la fermeture du commutateur respectif. 3 Convertisseur selon la revendication 2, dans lequel ledit signal de fermeture du commutateur (Q Q') est un signal logique de pilotage produit à partir d'un signal d'horloge externe (CK). 4 Convertisseur selon la revendication 2, dans lequel ledit signal de fermeture du commutateur (Q Q') est un signal de réaction produit à partir de la tension délivrée par un enroulement auxiliaire ( 19; 19 ') du transformateur. 5 Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens détecteurs comprennent, pour chacun des commutateurs, une diode ( 30; 30 ') montée entre la borne distale de l'enroulement primaire respectif et l'une des bornes d'un pont diviseur ( 31, 32; 31 ', 32 ') dont l'autre borne est reliée à une source de tension de référence (Vref), les moyens inhibiteurs étant commandés par un signal (A, A') prélevé au point milieu de ce pont diviseur.