Brevet FR2655786A1 — publié le 19910614

La présente invention se rapporte à une alimentation du type convertisseur alternatif-continu à découpage, c'est-à-dire à une alimentation qui à partir d'une tension délivrée par un réseau alternatif va fournir une tension continue de sortie en utilisant pour cela un circuit redresseur d'entrée et, entre ce circuit et sa sortie, des moyens d'interruption commandés en fonction de la tension de sortie de l'alimentation pour réguler cette tension de sortie; de plus cette alimentation doit consommer sur le réseau un courant sinusoïdal en phase avec la tension afin d'optimiser le facteur de puissance de l'alimentation, c'est-à-dire afin que le rapport de la puissance active nécessaire sur la puissance apparente consommée sur le réseau soit sensiblement égal à 1. De telles alimentations existent et seront décrites à l'aide de la figure 1 ci-jointe Dans ces alimentations connues, qui sont dites à découpage anharmonique à commutation forcée, la commutation est amenée à s'effectuer au moment o des courants circulent dans les moyens d'interruption; il en résulte des pertes par commutation, des perturbations sous forme de pics de courants préjudiciables au bon état de fonctionnement des composants de l'alimentation et des perturbations par rayonnement De plus ces alimentations qui fonctionnent à des fréquences maximales de commutation de l'ordre de 200 k Hz, sont relativement volumineuses. La présente invention a pour but d'éviter ou, pour le moins, de réduire ces inconvénients Ceci est obtenu grâce à des moyens d'interruption disposés et commandés à des fréquences très élevées de manière que le courant qui les traverse soit nul au moment de leur ouverture et que leur volume soit faible. Selon l'invention, il est proposé une alimentation du type convertisseur alternatif-continu à découpage avec un circuit de redressement bialternances, suivi d'un filtre haute-fréquence couplé par un quadripôle à un filtre basse fréquence délivrant une tension de sortie, caractérisée en ce que le quadripole comporte à la suite entre sa première entrée et sa première sortie, un premier interrupteur unidirectionnel, une première inductance, une borne d'un premier condensateur, un second interrupteur unidirectionnelle, une borne d'un premier conducteur unidirectionnel, une seconde inductance et une borne d'un second condensateur et d'un second conducteur unidirectionnel, les secondes bornes des premier et second condensateurs et des premier et second conducteurs unidirectionnels étant couplées à la seconde entrée et à la seconde sortie du quadripôle, et en ce qu'elle comporte un circuit monostable dont l'état quasi-stable a une durée légèrement supérieure à l'inverse de la fréquence de résonance du circuit oscillant constitué par la première inductance et le premier condensateur, pour commander la fermeture du premier interrupteur et l'ouverture du second interrupteur pendant son état quasi-stable et inversement en dehors de son état quasi-stable et un circuit oscillateur, commandé en fonction de la tension de sortie, pour fournir des impulsions de déclenchement du circuit monostable. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figure s'y rapportant qui représentent: la figure 1, un schéma simplifié d'une alimentation selon l'art antérieur, la figure 2, un schéma d'une alimentation selon l'invention. La figure 1 est le schéma simplifié d'une alimentation du type convertisseur alternatif-continu à découpage selon l'art connu. Un pont redresseur P fournit entre ses bornes de sortie Bi, B 2, et à partir d'une tension alternative d'entrée, v, une tension formée d'arches de sinusoïdes redressées La borne Bl est couplée par une inductance L suivie d'une diode D, à l'une des deux bornes de sortie Si, 52 de l'alimentation; une charge R figurée par une résistance est branchée entre les bornes Si 52; la diode D est disposée pour être passante pour le courant redressé par le pont P La borne B 2 est reliée à la borne 52 par une résistance r Un condensateur Cs est branché entre les bornes Si 52 Un interrupteur électronique, T, figuré par un contact, est monté entre le point commun à l'inductance L et à la diode D, et la borne 52 Cet interrupteur est commandé par un premier comparateur 12 dont l'entrée "+" est reliée à la sortie d'un circuit multiplieur 11 et dont l'entrée "- est reliée à la borne 52 Un second comparateur 10 a son entrée T+ reliée à la borne Si et son entrée "-" reliée à une tension continue de référence V; la sortie du comparateur 10 est reliée à l'une des deux entrées du multiplieur 11 dont l'autre entrée est reliée à la borne Bi. Le comparateur 12 compare le courant qui circule dans l'inductance L et donc dans la résistance r, à un signal de consigne qui est une sinusoïde redressée de même fréquence que celle du réseau et d'amplitude proportionnelle à la puissance à transmettre; ce signal de consigne est obtenu en multipliant la valeur de la tension redressée fournie par le pont redresseur P, par le résultat de la comparaison effectuée par le comparateur 10 entre la tension de sortie de l'alimentation et la tension de référence V. Tel qu'il est monté l'interrupteur T s'ouvre et se ferme à un rythme de 100 à 200 k Hz; la valeur de ce rythme est déterminée en fonction de la valeur donnée à l'inductance L; et la commande de l'interrupteur T est réglée pour que l'enveloppe du courant dans l'inductance L soit une sinusoïde redressée. Avec le montage selon la figure 1 l'ouverture et la fermeture de l'interrupteur T, qui sont forcées par l'état de la sortie du comparateur 12 et qui se produisent alors que des courants circulent respectivement dans l'interrupteur T et dans la diode D, entraînent des pertes de commutation et des perturbations dans l'interrupteur. La figure 2 est le schéma d'une alimentation du type convertisseur alternatif-continu à découpage, selon l'invention. Un pont redresseur P fournit, entre ses bornes de sortie Bi, B 2, et à partir d'une tension alternative d'entrée, v, de 117 V et 400 Hz, délivrée par un réseau, une tension formée d'arches de sinusoïdes redressées La borne Bl est couplée par une inductance Le à une borne d'entrée Ai d'un quadripôle dont l'autre borne d'entrée porte la référence A 2 et les bornes de sortie les références A 3 et A 4 La borne B 2 est reliée à la borne A 2 et est couplée à la borne Ai par un condensateur Ce. La borne Ai est reliée à la borne A 3 par un premier interrupteur unidirectionnel Tl, suivi d'une inductance Li, suivie d'un second interrupteur unidirectionnel T 2, suivi d'une inductance L 2 Les interrupteurs unidirectionnels Tl et T 2 sont des transistors commandés respectivement par les sorties directe Q et inversée Q d'un basculeur monostable 3; ils ont été représentés sur la figure 2 par un contact en série avec une diode: dl pour Tl, d 2 pour T 2. Le quadripôle a sa borne d'entrée A 2 reliée à sa borne de sortie A 4; ces deux bornes sont couplées par un condensateur Ci, une diode Dl et un condensateur C 2 en parallèle avec une diode D 2, respectivement au point commun de l'inductance Ll et de l'interrupteur T 2, au point commun de l'interrupteur T 2 et de l'inductance L 2 et à la borne A 3. La borne A 3 du quadripôle est couplée à l'une, Si, des deux bornes de sortie de l'alimentation pour une inductance Ls La borne A 4 du quadripôle est reliée à la borne 52 de l'alimentation et est couplée par un condensateur Cs à la borne Si de l'alimentation Une charge R, figurée par une résistance, est branchée entre les bornes de l'alimentation. L'inductance Ls forme avec le condensateur Cs un filtre passe-bas qui est disposé en sortie de l'alimentation. Un comparateur 1 a son entrée "+" reliée à la borne de sortie Si de l'alimentation et son entrée "-l reliée à une source de tension de référence continue V. La sortie du comparateur 1 est reliée à l'entrée de commande d'un circuit oscillateur 2 qui, en fonction de son signal de commande, délivre des impulsions à une fréquence pouvant varier de O à 1 M Hz Ces impulsions commandent le basculement du basculeur 3. Le basculeur monostable 3 a une durée de son état quasi-stable qui est fixée à 280 ns Pendant la durée de son état quasi-stable il commande le fermeture de l'interrupteur TI et l'ouverture de l'interrupteur T 2 et inversement quand il n'est pas dans son état quasi-stable. Le courant qui circule dans l'interrupteur Tl est une demi-sinusoïde de haute fréquence dont la durée est déterminée par la fréquence de résonance du circuit oscillant constitué par les éléments Li, Ci et dont l'amplitude est proportionnelle à la valeur instantanée de la tension alternative d'entrée, v L'enveloppe du courant suit donc, en phase, la sinusoïde redressée de la tension d'entrée. Le filtre haute-fréquence d'entrée, constitué par les éléments Le, Ce permet, en éliminant les composantes à hautes fréquences du courant circulant dans l'interrupteur Tl, de ne garder que l'enveloppe sinusoïdale du courant d'entrée à la fréquence, F, du réseau. Lorsque l'interrupteur Ti est fermé, le condensateur Ci se charge sinusoïdalement, à travers l'inductance Ll jusqu'à deux fois la tension d'entrée Cette charge s'effectue en haute fréquence, le circuit oscillant Li-Cl ayant une fréquence de résonance de 2 M Hz La charge du condensateur Ci se fait pendant la durée de l'état quasi-stable du basculeur 3 et cette durée, égale à 280 ns, est supérieure à la demi- période du circuit oscillant Li-Ci, c'est-à-dire à 250 ns; ainsi le condensateur Cl a fini de se charger au moment ou l'interrupteur Tl s'ouvre, c'est-à-dire qu'il ne circule pas de courant dans cet interrupteur au moment o il s'ouvre. Le rôle de la diode dl est d'éviter la décharge du condensateur Cl en empêchant que le courant dans l'inductance Li s'inverse. A l'ouverture de Tl, le condensateur CI est chargé; à la fermeture de T 2, qui est simultanée avec l'ouverture de Tl, l'énergie stockée dans le condensateur Cl est transférée sinusoïdalement, en haute fréquence, à travers l'inductance L 2, dans la charge de sortie R et dans le condensateur C 2. La diode d 2 empêche le courant qui circule dans l'inductance L 2 de s'inverser et donc de recharger le condensateur Cl. La diode Dl, en dérivant à travers elle le courant de l'inductance L 2, empêche le condensateur Cl de se décharger jusqu'à une tension négative. De même la diode D 2, en dérivant à travers elle le courant de l'inductance Ls, empêche le condensateur C 2 de se charger négativement. Tant que, pendant un cycle de découpage c'est-à-dire pendant la durée d'une fermeture et d'une ouverture consécutives de l'interrupteur Tl, l'énergie stockée dans le condensateur Cl reste Inférieure à celle consommée par la charge R, le condensateur C 2 ne peut pas se charger car toute l'énergie stockée dans le condensateur Cl est entièrement consommée par la charge R. Lorsque, pendant un cycle de découpage, l'énergie stockée dans le condensateur Cl est supérieure à celle consommée par la charge R, le condensateur C 2 se charge en stockant la différence entre ces deux énergies et cette énergie stockée dans le condensateur C 2 est consommée par la charge R avant toute nouvelle charge du condensateur Cl, c'est-à-dire avant que commence un nouveau cycle de découpage. Cette façon de réguler la tension de sortie de l'alimentation est réalisée à l'aide du circuit oscillant 2 dont la fréquence est commandée par la tension de sortie du comparateur 1 qui joue le rôle d'amplificateur d'erreur en comparant la tension de sortie de l'alimentation à la tension de référence V; et, comme il a été vu ci- avant, les Impulsions que délivre le circuit oscillant 2 commandent la fermeture de l'interrupteur Tl pendant 280 ns et l'ouverture de l'interrupteur T 2 pendant le même laps de temps. Il est à noter que le comparateur 1 comporte un filtre passe-bas sur son entrée "+" afin de ne pas tenir compte de la faible ondulation résiduelle à la fréquence du réseau que présente la sortie de l'alimentation. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit, c'est ainsi, en particulier, qu'un transformateur de liaison peut être Inséré dans le quadripôle, en aval de l'interrupteur Tl De même les interrupteurs unidirectionnels Tl et T 2 peuvent être constitués par deux éléments distincts: un interrupteur bidirectionnel et un élément semi-conducteur et dans ce cas, sur la figure 2, les places occupées par les éléments dl et Ll peuvent être échangées. De même, dans l'exemple décrit, la fréquence de résonance du circuit oscillant Li-Ci a été choisie de valeur très élevée, par rapport à celle du réseau alternatif, puisqu'il y a un rapport de 5000 entre les deux fréquences; le rapport entre ces deux fréquences peut être moins élevé, tout en restant supérieur à 1000, à condition de réduire en conséquence la fréquence maximale que peut atteindre le circuit oscillateur 2 et de régler la durée de l'état quasi-stable du basculeur monostable 3 de manière qu'elle reste au moins égale ou juste un peu supérieure à la demi-période du circuit oscillant Ll, Cl. Cependant il est à remarquer que la puissance transmise à la charge sera d'autant plus importante que le nombre de fois par seconde o le condensateur Cl sera chargé et déchargé sera grand; ceci conduit donc à déterminer, pour une fréquence maximale de découpage du circuit 2 et pour la puissance maximale désirée, les valeurs de Li et Cl. REVENDICATIONS 1 Alimentation du type convertisseur alternatif-continu à découpage avec un circuit de redressement bi-alternances (P), suivi d'un filtre hautefréquence (Le, Ce) couplé par un quadripôle à un filtre basse fréquence (Ls, Cs) délivrant une tension de sortie, caractérisée en ce que le quadripôle comporte à la suite entre sa première entrée (Ai) et sa première sortie (A 3), un premier interrupteur unidirectionnel (Tl), une première inductance (Ll), une borne d'un premier condensateur, (Cl) un second interrupteur unidirectionnelle (T 2), une borne d'un premier conducteur unidirectionnel (Dl), une seconde inductance (L 2) et une borne d'un second condensateur (C 2) et d'un second conducteur unidirectionnel (D 2), les secondes bornes des premier et second condensateurs et des premier et second conducteurs unidirectionnels étant couplées à la seconde entrée (A 2) et à la seconde sortie (A 3) du quadripôle, et en ce qu'elle comporte un circuit monostable( 3) dont l'état quasi-stable a une durée légèrement supérieure à l'inverse de la fréquence de résonance du circuit oscillant (Ll, Cl) constitué par la première inductance et le premier condensateur, pour commander la fermeture du premier interrupteur et l'ouverture du second interrupteur pendant son état quasi-stable et inversement en dehors de son état quasi- stable et un circuit oscillateur ( 2), commandé en fonction de la tension de sortie, pour fournir des impulsions de déclenchement du circuit monostable. 2 Alimentation selon la revendication 1, dont le circuit de redressement (P) est branché sur un réseau fournissant une tension alternative de fréquence donnée, caractérisée en ce que la fréquence de résonance du circuit oscillant (Li, Cl) est plus de mille fois supérieure à la fréquence donnée.