Brevet FR2662557A1 — publié le 19911129

-1 CONVERTISSEUR BASSE TENSION-HAUTE TENSION La présente invention se rapporte à un convertisseur basse tension-haute tension du type à retour rapide. Dans de nombreux cas o on ne dispose que d'une source d'alimentation en énergie à basse tension, par exemple dans le cas de matériels portés, on peut néanmoins avoir besoin d'une alimentation haute tension C'est par exemple le cas de munitions dans lesquelles la mise à feu se fait par inflammateur qui nécessite pour la mise à feu une impulsion de courant de forte amplitude délivrée pendant un temps très court (par exemple un courant de 3 à 5 k A pendant un temps compris entre 0,1 et 0, 5 gs) Dans ce cas là, on a besoin d'un système d'alimentation à haute tension chargeant un réservoir d'énergie tel qu'un condensateur qui doit ensuite être déchargé très rapidement, par exemple au moyen d'un commutateur statique tel qu'un éclateur commandé. Pour élaborer cette haute tension et charger le condensateur, on utilise un convertisseur basse tension-haute tension qui transforme la tension de bord en haute tension Pour des raisons de faisabilité du transformateur du convertisseur, c'est-à-dire pour pouvoir utiliser un rapport de transformation facilement réalisable ainsi qu'on le verra plus en détail dans la suite de la description, il est apparu nécessaire d'utiliser un convertisseur basse tension-haute tension du type à retour rapide ("flyback converter" dans la littérature anglo-saxonne). Ce type de convertisseur met à profit la surtension obtenue lorsqu'on ouvre le circuit primaire du transformateur à l'aide d'un interrupteur. Le principe de ces convertisseurs est qu'on accumule de l'énergie dans le noyau magnétique du transformateur pendant tout le temps Ton o l'interrupteur du circuit primaire est fermé et que cette énergie est restituée dans le circuit secondaire pour la charge d'un condensateur pendant le temps Toff o l'interrupteur est ouvert. Dans les convertisseurs de ce type connus, le temps de fermeture Ton de l'interrupteur est constant et on module le temps d'ouverture T off à l'aide d'une boucle de régulation secondaire qui fonctionne par comparaison de la tension de sortie obtenue avec une valeur de consigne. Cependant, malgré ses avantages, un convertisseur de ce type présente des problèmes de réalisation lorsque la tension d'alimentation basse tension peut varier dans de larges limites, comme c'est en particulier le cas lorsque la source d'énergie est une pile ou une batterie qui fournit une tension largement variable selon son état plus ou moins déchargé En effet, dans ce cas, comme le temps Ton est constant par principe, l'énergie primaire accumulée varie dans de grandes proportions et donc aussi le temps de charge du condensateur à chaque cycle On est ainsi amené à un dimensionnement défavorable du convertisseur qui doit être adapté à un temps de charge maximum lorsque la tension d'alimentation est minimum, le composant le plus sollicité étant le transformateur pour lequel on doit par ailleurs éviter d'atteindre la saturation lorsque la tension d'alimentation a sa valeur maximum. Un objet de la présente invention est donc d'éviter cet inconvénient et de prévoir un mode de régulation tel que le transformateur fonctionne toujours dans les conditions nominales quelle que soit la valeur de la tension d'alimentation dans sa gamme de fonctionnement. Un autre objet de l'invention est un convertisseur basse tension-haute tension dans lequel on fonctionne à énergie primaire accumulée constante. Selon l'invention, il est donc prévu un convertisseur basse tension-haute tension du type à retour rapide comportant un transformateur dont le primaire est relié par l'intermédiaire d'un interrupteur à une source de tension d'alimentation UA et dont le secondaire est relié aux bornes d'un condensateur par l'intermédiaire d'une diode de redressement, le convertisseur comprenant en outre une boucle de régulation secondaire qui commande le temps d'ouverture Toff de l'interrupteur en comparant la tension de sortie aux bornes du condensateur à une première tension de consigne, ledit convertisseur étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre une boucle de régulation primaire qui régule le temps de fermeture Ton de l'interrupteur de manière à maintenir constante l'énergie primaire accumulée dans le transformateur durant chaque temps de fermeture T on L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints o la figure 1 représente le schéma d'un convertisseur basse tension-haute tension du type à retour rapide connu appliqué à la mise à feu par inflammateur à haute énergie; la figure 2 est le schéma de principe d'une première variante de convertisseur selon l'invention; la figure 3 montre le schéma détaillé des boucles de régulation du convertisseur de la figure 2; et la figure 4 est le schéma d'une seconde variante de convertisseur selon l'invention. Sur la figure 1 est représenté le schéma d'un convertisseur connu de type à retour rapide ("flyback") pour une commande de mise à feu par inflammateur à haute énergie. On dispose à bord de la munition d'une source d'alimentation basse tension U A On veut fournir à un dispositif de mise à feu 1 à "inflammateur" un courant de l'ordre de 3 à 5 k A pendant un temps très bref à partir d'un condensateur C réservoir d'énergie chargé à une haute tension, par exemple comprise entre 2 et 4 k V Le dispositif de mise à feu est par exemple constitué d'un inflammateur connecté aux bornes du condensateur par un interrupteur statique formé par un éclateur commandé par un circuit de déclenchement 6 recevant l'ordre de mise à feu appliqué sur la borne 5. Pour charger le condensateur C à une haute tension, on utilise donc un convertisseur à retour rapide comportant un transformateur T dont l'enroulement primaire est relié aux bornes 3, 4 d'application de la tension d'alimentation UA par l'intermédiaire d'un interrupteur Q représenté schématiquement mais qui peut être constitué par exemple par un transistor. L'enroulement secondaire du transformateur T est relié aux bornes du condensateur C par l'intermédiaire d'une diode de redressement CR Un pont diviseur de résistances Rl, R 2 est connecté en parallèle aux bornes du condensateur C pour prélever une tension proportionnelle à la tension de sortie aux bornes de C Cette tension proportionnelle est envoyée à une boucle de régulation secondaire 2 qui la compare à une valeur de consigne et régule en conséquence le temps d'ouverture T Off de l'interrupteur Q Le fonctionnement est le suivant. On veut une tension de sortie égale au moins à la valeur de consigne pour la tension d'alimentation la plus basse. Dans les convertisseurs classiques de type direct, il faudrait donc un rapport de transformation de l'ordre de 200 si la tension d'alimentation minimum est de 15 V, ce qui est très difficilement réalisable On a donc choisi un convertisseur à retour rapide utilisant la surtension primaire obtenue lors d'une ouverture très rapide de l'interrupteur Q Cette surtension pouvant atteindre quelques centaines de volts, on peut se contenter d'un rapport de transformation de l'ordre de quelques dizaines, ce qui est beaucoup plus facilement réalisable. Pendant la fermeture de l'interrupteur Q, le courant primaire permet d'accumuler dans le noyau magnétique du transformateur T l'énergie primaire Ep E = 1/2 L I 2 p p max o Lp est l'inductance du primaire et Imax est la valeur maximum atteinte par le courant primaire Au moment de l'ouverture de l'interrupteur Q, on génère une tension dt o le flux c est proportionnel au courant Il faut que dt soit le plus faible possible (de l'ordre de quelques dizaines de nanosecondes) Au secondaire apparaît alors la tension E x N o n est le rapport de transformation Cette tension est redressée par la diode CR. Par principe dans un tel convertisseur à retour rapide, le temps de fermeture Ton pendant lequel on accumule l'énergie E est constant et on module le temps d'ouverture p Toff de l'interrupteur à l'aide de la boucle de régulation secondaire. Cette modulation peut être du type tout ou rien en comparant la tension du diviseur potentiométrique à une valeur de consigne, ce qui permet une réalisation particulièrement simple. Cependant l'énergie Ep accumulée pendant un temps de fermeture Ton constant varie beaucoup en fonction de la valeur Imax qui elle-même dépend de la valeur de Ton et de la valeur de la tension d'alimentation UA. D'ou l'obligation de prendre garde de ne pas atteindre la saturation du transformateur T lorsque la tension d'alimentation est à sa valeur maximale. Sur la figure 2, on a représenté le schéma d'une première variante de convertisseur à retour rapide selon l'invention L'idée de base de l'invention est de fonctionner à énergie primaire Ep constante de façon que le transformateur T fonctionne toujours dans les conditions nominales, ce qui permet de l'optimiser Dans la variante de la figure 2, on obtient ce résultat en prévoyant une boucle de régulation primaire basée sur un asservissement du courant I max Pour cela, on prévoit dans le circuit primaire un capteur de courant 7 et on régule la valeur du temps de fermeture Ton pour avoir Imax constant, donc l'énergie primaire accumulée constante, grâce à un dispositif de régulation 20. Ce dispositif est représenté plus en détail sur la figure 3 La sortie du capteur 7 est envoyée à un amplificateur A pour augmenter la dynamique du signal La sortie de l'amplificateur A est appliquée à une entrée d'un comparateur C 2 dont l'autre entrée reçoit une tension de consigne Ref 2 La sortie du comparateur C 2 qui fournit un signal logique haut ou bas selon que le courant primaire I est inférieur ou supérieur à une valeur de consigne prédéterminée est reliée à une première entrée d'une porte ET 21. Le signal venant du pont diviseur Rl, R 2 est appliqué à un comparateur Cl qui reçoit d'autre part une tension de consigne Ref 1 La sortie de ce comparateur qui fournit également un signal logique est reliée à l'autre entrée de la porte ET 21 Le signal de sortie de la porte ET commande l'interrupteur Q. Tant que la tension aux bornes du condensateur C est supérieure à la valeur de consigne, la tension du diviseur Rl, R 2 est supérieure à Ref 1 et le comparateur Cl fournit un signal de niveau bas qui bloque la porte ET 21 L'interrupteur Q reste alors constamment en position ouverte et le convertisseur ne consomme aucun courant d'alimentation Dès que la tension du diviseur tombe en dessous de la tension de consigne, le signal de niveau haut de Cl autorise la porte ET 21 qui permet alors à la boucle de régulation primaire de fonctionner L'interrupteur Q va se fermer jusqu'à ce que le courant I atteigne la valeur I Max désirée, moment à partir duquel le comparateur C 2 va commander l'ouverture rapide de l'interrupteur Q La régulation va continuer jusqu'à ce que la tension aux bornes de C redevienne supérieure à la valeur prédéterminée choisie. On a ainsi un convertisseur très simple fournissant une très bonne régulation quelque soit la tension d'alimentation UA et sans qu'il soit besoin d'effectuer une régulation préalable de UA, source de pertes Importantes et d'une complexité accrue. La figure 4 illustre une autre variante de l'invention selon laquelle on obtient de fonctionner à énergie primaire Ep constante en asservissant le temps de fermeture Ton de l'interrupteur Q à la valeur de la tension d'alimentation UA. Pour ce faire, il est possible d'adopter des méthodes analogiques ou numériques Les méthodes analogiques bien que réalisables sont plus complexes à mettre en oeuvre en raison notamment des dérives en température des composants Sur la figure 4, on a donc représenté le schéma d'une méthode numérique. La tension d'alimentation U est prélevée directement à l'entrée du convertisseur à retour rapide et est convertie en une valeur numérique par un convertisseur analogique numérique 8 Cette valeur numérique de UA ainsi que le signal logique fourni par le comparateur Cl de la boucle de régulation secondaire sont envoyés à un microcontrôleur 9. Celui-ci fournit à partir des signaux qu'il reçoit les valeurs optimisées de commande de l'interrupteur Q Une façon très simple de réaliser le microcontrôleur 9 est d'utiliser une mémoire par exemple de type mémoire morte dans laquelle on stocke les valeurs de Ton optimales pour chaque valeur de UA et d'adresser cette mémoire par la valeur de UA fournie par le convertisseur 8 Le grand avantage d'une telle structure est qu'on peut prévoir un adressage de la mémoire en fonction de paramètres complémentaires tels que la température mesurée par un capteur 10. Les valeurs stockées dans la mémoire peuvent aussi être déterminées préalablement en analysant le comportement du convertisseur dans une phase d'apprentissage puis de programmation de la mémoire permettant de prendre en compte les imprécisions des éléments du convertisseur ainsi que les dérives. Une telle solution a l'avantage d'être très peu coûteuse car ne nécessitant pas de composants précis, pouvant être intégrée et utilisant un transformateur constamment dans les conditions nominales. On pourrait aussi prévoir un microcontrôleur programmé effectuant à chaque instant le calcul de Ton à partir des paramètres mesurés selon un algorithme adéquat. Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatifs de l'invention; en particulier le type de logique utilisée peut être différent de celui montré sur la figure 3 sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Convertisseur basse tension-haute tension du type à retour rapide comportant un transformateur (T) dont le primaire est relié par l'intermédiaire d'un interrupteur (Q) à une source de tension d'alimentation UA et dont le secondaire est relié aux bornes d'un condensateur (C) par l'intermédiaire d'une diode de redressement (CR), le convertisseur comprenant en outre une boucle de régulation secondaire (Rl, R 2, 2) qui commande le temps d'ouverture T off de l'interrupteur (Q) en comparant la tension de sortie aux bornes du condensateur (C) à une première tension de consigne (Ref 1), ledit convertisseur étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre une boucle de régulation primaire ( 20; 7, A, C 2, 21; 8, 9) qui régule le temps de fermeture Ton de l'interrupteur de manière à maintenir constante l'énergie primaire accumulée dans le transformateur (T) durant chaque temps de fermeture Ton. 2 Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens ( 21, 9) de combinaison des boucles de régulation primaire et secondaire pour maintenir ledit interrupteur (Q) ouvert tant que la tension de sortie testée par la boucle secondaire est supérieure à ladite tension de consigne. 3 Convertisseur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite boucle de régulation primaire régule l'énergie primaire accumulée à partir de la mesure du courant primaire circulant dans l'enroulement primaire du transformateur (T). 4 Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite boucle de régulation primaire comprend un capteur de courant ( 7) disposé sur le circuit de courant de l'enroulement primaire et un dispositif (A, C 2) d'amplification du signal du capteur et de comparaison à une seconde tension de consigne (Ref 2), ledit dispositif fournissant un premier signal logique dont le niveau dépend de ce que le courant dans l'enroulement primaire est inférieur ou supérieur au courant primaire maximum correspondant à ladite valeur constante d'énergie primaire accumulée, en ce que ladite boucle de régulation secondaire comprend des moyens (Rl, R 2) de prélèvement d'un signal proportionnel à la tension de sortie aux bornes dudit condensateur (C) et un comparateur (Cl) pour comparer le signal desdits moyens de prélèvement à ladite première tension de consigne (Ref 1), ledit comparateur fournissant un second signal logique dont le niveau dépend de ce que la tension de sortie est inférieure ou supérieure à une valeur prédéterminée de consigne, et en ce que lesdits moyens de combinaison comprennent une porte logique ( 21) recevant sur ses entrées lesdits premier et second signaux logiques et fournissant à sa sortie le signal de commande dudit interrupteur (Q) - 5 Convertisseur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite boucle de régulation primaire régule l'énergie primaire accumulée à partir de la mesure de la tension d'alimentation UA. 6 Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite boucle de régulation primaire comprend un convertisseur analogique numérique ( 8) recevant ladite tension d'alimentation UA et fournissant la valeur numérique de ladite tension d'alimentation, en ce que ladite boucle de régulation secondaire comprend des moyens (Rl, R 2) de prélèvement d'un signal proportionnel à la tension de sortie aux bornes dudit condensateur (C) et un comparateur (Cl) pour comparer le signal desdits moyens de prélèvement à ladite première tension de consigne (Ref 1), ledit comparateur fournissant un signal il logique de niveau bas ou haut suivant que la tension de sortie est inférieure ou supérieure à une valeur prédéterminée de consigne, et en ce que lesdits moyens de combinaison comprennent un microcontrôleur numérique ( 9) pour élaborer le signal de commande dudit interrupteur (Q) à partir des valeurs fournies par ledit convertisseur analogique numérique ( 8) et ledit comparateur (Cl). 7 Convertisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit microcontrôleur ( 9) comprend une mémoire morte contenant les diverses valeurs de signal de commande et des moyens d'adressage de ladite mémoire à partir desdites valeurs fournies par le convertisseur analogique numérique ( 8) et par le comparateur (Cl).