Brevet FR2671922A1 — publié le 19920724

i PROCEDE POUR REDUIRE LES PERTES DE COMMUTATION CREEES PAR UN COMMUTATEUR DE PUISSANCE L'invention est relative aux commutateurs de puissance tels que les transistors et diodes de puissance et elle concerne en particulier un moyen pour réduire les pertes de commutation qu'introduisent les commutateurs de puissance modulés par modulation d'impulsions en largeur. Ces pertes de commutation constituent la principale cause de limitation de l'emploi des commutateurs de puissance avec des fréquences de commutation élevées telles que celles qui sont nécessaires dans un conver- tisseur de puissance, par exemple, pour réduire la masse des composants magnétiques et capacitifs. Divers circuits ont été proposés jusqu'à présent pour résoudre ce problème important et on peut citer, par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique n O 4669023 Toutes les propositions connues ont cepen- dant pour inconvénient de ne présenter qu'un rendement faible, dé sorte qu'elles ne procurent jamais qu'un gain de puissance total relativement faible. Dans la plupart des dispositifs connus, c'est le com- mutateur de puissance qui est utilisé pour acheminer l'énergie au circuit, ce qui a une double conséquen- ce: 1) une contrainte supplémentaire se trouve appliquée au commutateur de puissance, 2) le commutateur de puissance est choisi avec une faible résistance, mais cela constitue un handicap pour la partie commutation du cycle de fonctionne- ment car une faible résistance est normalement in- compatible avec une vitesse de commutation élevée. La présente invention a pour but de réduire les pertes de commutation créées par les commutateurs de puissan- ce modulés par modulation d'impulsions en largeur, avec un meilleur rendement qu'avec les moyens anté- rieurs. Ce but est atteint grâce à l'invention en connectant en parallèle sur le commutateur de puissance, un con- vertisseur à commutation active sans pertes Ce con- vertisseur comprend par exemple un commutateur connec- té pour commuter sous la tension d'entrée et un con- densateur connecté en parallèle sur le commutateur de puissance, lequel commutateur de puissance a son élec- trode de commande connectée pour recevoir une impul- sion de commutation lorsque la tension de sortie du dispositif est égale à la tension d'entrée de manière que le commutateur de puissance ne commute dans son état conducteur qu'après le commutateur du convertis- seur de courant. Un mode d'exécution exemplaire comprend un transforma- teur ayant un enroulement primaire connecté en série avec un commutateur sur la tension d'entrée et un en- roulement secondaire connecté en série avec un commu- tateur unidirectionnel sur la tension de sortie, et un condensateur connecté en parallèle avec le commutateur de puissance. Dans un autre mode d'exécution exemplaire, le conver- tisseur à commutation active comprend un transforma- teur ayant un enroulement primaire connecté en série avec un commutateur aux bornes du commutateur de puis- sance, et un enroulement secondaire connecté en série avec un commutateur unidirectionnel sur la tension de sortie, et un condensateur connecté en parallèle avec le commutateur de puissance. Il est à remarquer que l'invention peut être appliquée à de nombreuses topologies de convertisseurs et régu- lateurs, par exemple un convertisseur élévateur ou abaisseur de tension, un convertisseur direct, un convertisseur en montage push- pull, etc. L'invention est exposée dans ce qui suit à l'aide des dessins joints. La figure 1 est un schéma d'un régulateur abaisseur de courant exemplaire selon l'art antérieur. La figure 2 est un schéma du régulateur de la figure 1 dans lequel est incorporée l'invention. Les figures 3 à 9 illustrent le fonctionnement du dis- positif représenté dans la figure 2. Les figures 10, 11 et 12 illustrent l'application de l'invention à trois autres convertisseurs exemplaires typiques. L'invention va être décrite dans son application à un régulateur abaisseur de courant classique représenté à la figure 1 Un tel régulateur comprend un commutateur Si modulé en largeur d'impulsion, qui règle l'amplitu- de du courant dans l'inductance Lo en fonction de la tension de sortie Vo ou du courant de sortie Io re- quis Le commutateur Si est représenté à titre d'exem- ple par un transistor alimenté par une source de ten- sion Vs Le commutateur unidirectionnel Dl (par exem- ple une diode) fournit un passage pour le courant de l'inductance Lo lorsque le commutateur SI est bloqué. Le commutateur Si a des temps d'ouverture et de ferme- ture finis et la diode Dl, lorsqu'elle commute dans l'état bloqué, laisse passer un courant de recouvre- ment inverse Ces conditions non idéales pendant les commutations du commutateur SI ont pour conséquence que le courant dans le dispositif et la tension à ses bornes existent simultanément, provoquant une perte dans le commutateur Cette perte de commutation est proportionnelle à la fréquence. Le circuit exemplaire décrit ci-dessus est modifié conformément à l'invention comme illustré dans la fi- gure 2 La modification consiste à connecter aux bornes du commutateur Si, un convertisseur 10 travail- lant sur la tension d'entrée Vs pendant les phases de commutation du commutateur SI Le convertisseur 10 comprend un transformateur Ti, un commutateur 52 con- necté en série avec l'enroulement primaire w P du transformateur Ti, un commutateur unidirectionnel D 2 connecté en série avec l'enroulement secondaire w S du transformateur Tl et un condensateur Cl en parallèle sur le commutateur Si. La fonction du convertisseur 10 est d'amener la ten- sion sur le commutateur Si à une valeur voisine de zéro pendant la durée des transitions de courant (mon- tée et descente de courant), de manière à réduire ainsi les pertes de commutation pratiquement à zéro. Le fonctionnement du convertisseur 10 est illustré par les figures 3 à 8: la figure 3 représente des formes d'ondes typiques dans le montage de la figure 2 et les figures 4 à 8 montrent les trajets de courant établis dans le montage durant cinq tranches de temps succes- sives. Période to-tl (figure 4) On supposera que le commutateur Si est bloqué et qu'un courant I Di traverse la diode Dl Avant que le commu- tateur Si devienne conducteur, le commutateur 52 est rendu conducteur à l'instant to Un courant Iws par- court l'enroulement secondaire du transformateur TI et traverse la diode D 2 Par suite de l'inductance équi- valente Le du transformateur Tl, ce courant croît li- néairement à partir de zéro à une vitesse n Vs/Le (n est le rapport des nombres de tours secondaire/primai- re de TI) jusqu'à ce que, à l'instant tl, il atteigne la valeur IL du courant dans l'inductance Lo. Période tl-t 2 (figure 5) Le secondaire du transformateur Tl fournit tout le courant IL, le courant traversant la diode Dl devient nul et Dl se bloque de sorte que la tension VD 1 à ses bornes croît Comme le courant Iws croît à une vitesse contrôlée, la commutation de Dl se fait en douceur, c'est-à-dire que le courant de recouvrement inverse est pratiquement nul Le commutateur 52 étant toujours conducteur; le courant Iws continue à circuler et la tension aux bornes du condensateur Cl baisse jusqu'à zéro à l'instant t 2 La décharge de Cl a une allure sinusoïdale par suite de la résonance entre Cl et Le. A l'instant t 2, si le courant Iws est toujours plus grand que IL, le courant en excès tente de faire mon- ter la tension mais cela ne se peut parce que la diode anti-parallèle de Si verrouille cette tension sur la tension d'entrée Vs. Période t 2-t 3 (figure 6) A l'instant t 2 o la tension est pratiquement nulle aux bornes de Si, ce commutateur peut commuter dans l'état conducteur avec une perte de commutation très faible Entre t 2 et t 3, le courant Iws baisse jusqu'à zéro et à l'instant t 3 le commutateur 52 commute dans l'état bloqué avec un faible courant seulement le tra- versant Comme le courant qui les traverse est faible, les commutateurs Si et 52 commutent avec des pertes de commutation très faibles La somme des courants Iws et Isl est égale à la valeur instantanée du courant IL, le courant Isl dans le commutateur Si croît à partir de zéro à une vitesse égale à celle avec laquelle baisse le courant Iws. Période t 3-t 4 (figure 7) Entre les instants t 3 et t 4, le courant dans le secon- daire de TI est nul et le commutateur Si laisse passer le courant IL. Période t 4-t 5 (figure 8) A l'instant t 4, le commutateur Si commute dans l'état bloqué Le courant IL est alors fourni par le conden- sateur Ci La tension Vsl sur le commutateur Si tombe depuis la valeur Vs jusqu'à zéro à l'instant t 5 lors- que la diode DI devient conductrice Pendant la commu- tation de Si, c'est le condensateur Ci qui fournit la majeure partie du courant IL, de sorte que la perte est très faible pendant la commutation de Si. De la description du fonctionnement exposée ci-avant il ressort que le commutateur SI ne doit commuter que lorsque la tension à ses bornes est pratiquement nul- le, ce qui se produit lorsque la tension sur la diode Di est égale à la valeur de la tension d'entrée Vs Le commutateur Si est donc commandé par un circuit d'ex- citation Il (figure 9) qui produit une impulsion de commande en réponse à une impulsion d'autorisation ENAB générée par un dispositif de détection 12 connec- té pour mesurer la tension VD 1 sur la diode Dl et gé- nérer ladite impulsion d'autorisation lorsque la ten- sion VD 1 a atteint la valeur Vs. Un avantage de l'utilisation d'un convertisseur de courant conformément à l'invention est que toute la puissance du convertisseur se trouve transmise depuis l'entrée jusqu'à la sortie, ce qui contribue à l'ob- tention d'un rendement total élevé. D'autre part, le convertisseur de courant assure auto- matiquement une protection de la source de tension Vs en cas de défaillance de la diode Dl En effet, si la diode Dl provoque un court-circuit, la tension de sor- tie VD 1 est zéro et le commutateur Si est empêché de commuter dans l'état conducteur comme expliqué plus haut La tension Vs ne peut donc être court-circuitée comme c'est le cas dans les montages connus o, pour éviter ce court-circuit, il est usuel de placer deux diodes Dl en série L'économie d'une diode supplémen- taire, grâce à l'invention, permet aussi un gain de rendement. Il est à remarquer que l'invention peut être appliquée à de nombreuses autres topologies de convertisseurs, par exemple un convertisseur élévateur, un convertis- seur direct ou un convertisseur en montage push-pull. La figure 10, par exemple, représente le circuit d'un convertisseur élévateur typique incorporant l'inven- tion; la figure 11 représente le circuit d'un conver- tisseur direct typique incorporant l'invention La figure 12 représente le circuit typique (connu en soi) d'un convertisseur à commutation en montage push-pull incorporant l'invention Ce montage comprend un trans- formateur T 2 et deux commutateurs de puissance Si et Si' Conformément à l'invention, en parallèle avec chaque commutateur de puissance est connecté un con- vertisseur à commutation active 10, 10 ' tel que repré- senté dans la figure 10 Chaque convertisseur à commu- tation active contrôle le commutateur de puissance correspondant comme décrit plus haut. Les exemples décrits dans ce qui précède sont des exemples donnés à titre illustratif et l'invention n'est nullement limitée à ces exemples Toute modifi- cation, toute variante et tout agencement équivalent doivent être considérés comme compris dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé pour réduire les pertes de commutation créées par un commutateur de puissance (Si) modulé par modulation d'impulsions en largeur, caractérisé par l'utilisation d'un convertisseur ( 10) à commutation active sans pertes, connecté en parallèle avec le ou chaque commutateur de puissance (Si). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur à commutation active ( 10) com- prend un commutateur ( 52) connecté pour commuter sous la tension d'entrée (Vs) et un condensateur (CI) con- necté en parallèle sur le commutateur de puissance (Si), lequel commutateur de puissance (Dl) a son élec- trode de commande connectée pour recevoir une impul- sion de commutation lorsque la tension de sortie (VD 1) du dispositif est égale à la tension d'entrée (Vs) de manière que le commutateur de puissance (Si) ne commu- te dans son état conducteur qu'après le commutateur ( 52) du convertisseur de courant ( 10). 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit convertisseur à com- mutation àctive ( 10) comprend un transformateur (TI) ayant un enroulement primaire (WP) connecté en série avec un commutateur ( 52) sur la tension d'entrée (Vs) et un enroulement secondaire (WS) connecté en série avec un commutateur unidirectionnel (D 2) sur la ten- sion de sortie (Vo), et un condensateur (CI) connecté en parallèle avec le commutateur de puissance (SI). 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit convertisseur à com- mutation active ( 10) comprend un transformateur (TI) ayant un enroulement primaire (WP) connecté en série avec un commutateur ( 52) aux bornes du commutateur de puissance (Si), et un enroulement secondaire (WS) connecté en série avec un commutateur unidirectionnel (D 2) sur la tension de sortie (Vo), et un condensateur (CI) connecté en parallèle avec le commutateur de puissance (Si).