Brevet FR2664777A1 — publié le 19920117

CONVERTISSEUR ASSURANT LA TRANSFORMATION REVERSIBLE AVEC ISOLEMENT, D'UNE TENSION CONTINUE EN UNE TENSION CONTINUE ET ONDULEUR D'APPEL TELEPHONIQUE EN FAISANT APPLICATION L'objet de la présente invention concerne Le domaine technique des convertisseurs au sens général, assurant une transformation réversible, avec isolement, d'une tension continue primaire en une tension continue secondaire. La présente invention vise, également, les dispositifs mettant en oeuvre de tels convertisseurs associés à au moins un appareil de conversion d'une tension continue en une tension alternative, tel qu'un onduleur. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des télécommunications où des dispositifs dénommés, en pratique, onduleurs d'appel et placés au niveau des centraux téléphoniques, sont utilisés pour engendrer une tension, composée de la somme d'une tension continue et d'une composante alternative. Selon cette application préférée, la composante alternative est isolée au niveau du poste téléphonique d'un abonné, par l'intermédiaire d'un condensateur, pour permettre le fonctionnement de la sonnerie du poste. Lorsque L'abonné décroche le poste téléphonique, la charge que constitue le poste consomme une tension continue qui est détectée au niveau du central téléphonique. D'une manière connue et classique, un onduleur d'appel utilise un transformateur comportant un primaire recevant une tension sinusoidale, délivrée par un onduleur alimenté par une source de tension continue. Le transformateur comporte deux secondaires associés à une tension continue. Le transformateur délivre donc un signal formé de la somme d'une tension continue et de deux tensions sinusoidales identiques, permettant de référencer les deux points de sortie du transformateur par rapport à la masse. En pratique, il apparaît que la composante de courant continu, produite par la tension continue, magnétise le transformateur, de sorte qu'il convient de surdimensionner ce dernier d'une manière importante pour lui permettre de continuer à assurer la transmission de la puissance alternative. Un tel surdimensionnement du transformateur a pour conséquence d'augmenter le coût des onduleurs d'appel, ainsi que leur poids. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients énoncés ci-dessus en proposant un convertisseur assurant des fonctions d'isolation et de transformation réversible d'une tension continue en une tension continue et adapté pour être associé à au moins un onduleur de transformation d'une tension continue en une tension sinusoidale. L'objet de l'invention vise, également, à proposer un onduleur d'appel téléphonique mettant en oeuvre un convertisseur de transmission d'énergie avec isolement associé à un onduleur à commande simple et rapide. Un autre objet de l'invention vise à offrir un appareil destiné à constituer un onduleur d'appel téléphonique, apte à générer un signal formé de la somme d'une tension continue et deux tensions alternatives engendrées chacune par rapport à un point fixe de référence sur lequel les composants électroniques de commande peuvent être référencés. Pour atteindre les buts énoncés ci-dessus, le convertisseur selon l'invention comporte : - un étage primaire raccordé à une source de tension continue délivrant le signal primaire et composé . d'un enroulement primaire d'un premier transformateur, - d'un circuit résonnant parallèle monté en série avec l'enroulement et comportant, d'une part, au moins un condensateur et, d'autre part, au moins une bobine primaire d'un second transformateur monté en parallèle avec le condensateur, . et de deux jeux primaires d'interrupteurs montés chacun en série avec une branche du circuit résonnant parallèle, - un étage secondaire délivrant le signal secondaire et composé d'au moins un enroulement secondaire du premier transformateur configuré en phase et monté en série avec un circuit parallèle comportant au moins une bobine secondaire du second transformateur et au moins deux jeux secondaires d'interrupteurs placés chacun dans les branches du circuit parallèle, - et des moyens de commande des interrupteurs assurant, pendant une phase déterminée, simultanément, L'ouverture des interrupteurs d'un jeu de L'étage primaire et d'un jeu de l'étage secondaire et la fermeture des interrupteurs des autres jeux des étages primaires et secondaires, et inversement, pendant une phase subséquente, de manière que, d'une part, le second transformateur assure la transmission d'une première tension de valeur moyenne non nulle, formée par des alternances consécutives de même nature et, d'autre part, le premier transformateur assure la transmission d'une seconde tension de valeur moyenne nulle, formée par des alternances consécutives de même nature, mais en opposition de phase par rapport à celle de la première tension, permettant d'obtenir, après sommation des première et seconde tensions, une tension continue. Selon une caractéristique avantageuse, un tel convertisseur est conçu pour un appareil destiné à constituer un onduleur d'appel et comportant : - au moins un onduleur comportant deux condensateurs recevant chacun une tension de l'étage secondaire et montés en relation de deux interrupteurs commandés, placés en série dont le point milieu est relié à une self-inductance, à une résistance et à un condensateur, - et un comparateur de niveau à seuil adapté pour commander, alternativement, les interrupteurs et recevant une sinusoïde de référence et la sinusoide de sortie. La fig.l illustre une première variante de réalisation, dite en demi-pont, d'un convertisseur conforme à l'invention. Les fig. 2A à 2G illustrent des tensions caractéristiques permettant d'expliciter le fonctionnement du convertisseur selon l'invention. La fig. 3 est une vue d'un détail caractéristique du convertisseur selon l'invention. La fig. 4 montre une autre variante de réalisation, dite en pont complet, d'un convertisseur conforme à l'invention. Les fig. 5 et 6 sont des exemples de réalisation du convertisseur permettant d'obtenir deux tensions continues à partir d'une tension continue. La fig. 7 est un schéma d'un exemple de mise en oeuvre du convertisseur selon l'invention. La fig. 8 est un détail caractéristique de l'exemple illustré à la fig. 7. La fig. 9 est un schéma bloc explicitant la mise en oeuvre de l'invention pour un onduleur d'appel. La fig. 1 illustre une première variante de réalisation d'un convertisseur 1 assurant la transformation réversible, avec isolement, d'une tension continue primaire E1 en une tension continue secondaire E2. Le convertisseur selon l'invention est 2 formé par un étage primaire I et par un étage secondaire II. L'étage primaire I est raccordé, entre des bornes A et B, à une source continue 2 délivrant la tension primaire E1. L'étage primaire est composé d'un enroulement primaire 3 associé en série avec un circuit résonnant parallèle 4. L'enroulement 3 constitue le primaire d'un transformateur T1 dont la fonction apparaitra plus clairement dans la suite de la description. Selon l'exemple de réalisation illustré à la fig. 1, le circuit résonnant parallèle 4 est formé par au moins un condensateur 5 associé en parallèle avec au moins une bobine primaire 6 présentant un point milieu C relié à l'enroulement 3. Le circuit résonnant 4 comporte, également, en série avec chacune de ses branches D-B et E-B, respectivement, un interrupteur commandé 7-8, en considérant les points D et E comme les points communs entre l'enroulement 6 et le condensateur 5. L'enroulement 6 constitue le primaire d'un transformateur T2 dont la fonction ressortira plus précisément dans la suite de la description. L'étage secondaire II, qui délivre la tension continue E2 entre les points F, G, est formé par au moins un enroulement secondaire il constituant le secondaire du transformateur T1. Il est à noter que le transformateur T1 est configuré de manière que le signal délivré par l'enroulement secondaire il se trouve en phase par rapport au signal engendré par l'enroulement primaire 3, comme illustré par les points indiqués en relation des enroulements 3 et 11. L'enroulement Il est monté en série avec un circuit parallèle 12 comportant au moins une bobine 13 dont le point milieu H est relié à l'enroulement 11. La bobine 13 constitue le secondaire du transformateur T2 qui est configuré de sorte que le signal délivré par la bobine 13 se trouve en phase avec celui engendré par la bobine 6. Le circuit parallèle 12 comporte, en série avec chacune des branches J-G et K-G, respectivement, un interrupteur commandé 14, 15, les points J et K constituant les bornes de la bobine 13. Des moyens de commande des interrupteurs, qui seront décrits dans la suite de la description, sont prévus pour assurer, pendant une phase déterminée, simultanément, l'ouverture d'un interrupteur de l'étage primaire et d'un interrupteur de l'étage secondaire (par exemple 7 et 14) et la fermeture des autres interrupteurs des étages primaire et secondaire (par exemple 8 et 15). Pendant une phase subséquente, les moyens de commande assurent un fonctionnement inversé des interrupteurs. Le fonctionnement du convertisseur selon l'invention découle directement de la description qui précède. La source de tension 2 et l'enroulement 3 se comportent comme une source de courant alimentant le circuit résonnant 4. En considération du mode de commande des interrupteurs, il apparaît, entre les bornes D, E, un signal périodique VD/E (fig. 2A) composé, pour chaque période élémentaire, d'une part, d'une alternance positive pendant laquelle l'interrupteur 7 est fermé et l'interrupteur 8 est ouvert et, d'autre part, d'une alternance négative pendant laquelle L'interrupteur 7 est ouvert et l'interrupteur 8 est fermé.La tension du point D par rapport au point B, c'est-à-dire VD/B, correspond au signal illustré à la fig. 2B et formé sur une demi-période, par une alternance positive d'amplitude maximale n.Ve. La tension VE/B (fig. 2C) est formée par une alternance positive apparaissant sur la demi-période complémentaire, en relation du signal VD/B et d'amplitude maximale égale à .Ve. Il en résulte que la tension du point C par rapport au point B, à savoir VC/B, correspond à celle illustrée à le fig. 2D et formée par des alternances consécutives de même nature, à savoir positives dans L'exemple illustré et de valeur d'amplitude maximale égale à 2 Ve. La tension VC/B présente une valeur moyenne 2 Ve non nulle.Il est à noter que la tension VA/C (fig. 2E) est formée d'alternances négatives centrées sur la référence de tension nulle. Au secondaire du convertisseur, il apparaît, entre les bornes H, G, en raison du transformateur T2, une tension VH/G de même nature que la tension VC/B, au coefficient près du transformateur T2. De la même façon, en raison du transformateur T1, il apparat, entre les bornes F et H, une tension VF/H (fig. 2F) qui correspond à la tension VA/C en phase. La tension VF/H est donc constituée d'alternances négatives centrées sur la référence de tension nulle. La tension secondaire E2 qui est la somme des tensions VF/H et VH/G (analogue à VC/B) correspond à une tension continue (fig. 2G). Il est à noter que si les transformateurs T1 et T2 comportent chacun des rapports de transformation unitaire, la tension primaire E1 est égale à la tension secondaire E2. Le convertisseur selon l'invention assure donc une isolation galvanique et une transformation d'une tension continue en une tension continue. Avantageusement, le convertisseur selon L'invention peut présenter un caractère réversible, puisque son fonctionnement est symétrique. Ainsi, si K est le rapport de transformation des deux transformateurs, il doit être considéré que la tension V F/G = K.VA/B. Par conséquent, si la tension V/B est fixée par une source de tension E1, tandis qu'une charge est placée entre les bornes F et G, le transfert de puissance s'effectue de L'étage primaire (VA/B) vers l'étage secondaire VF/G, avec VF/G = K.E1. Inversement, par la fonction de réversibilité du convertisseur selon l'invention, il peut être prévu de placer une charge entre les bornes A et B et entre les bornes F et G, une source de tension E2 qui détermine la tension VA/B et, par suite, le sens de transfert du flux d'énergie, de l'étage secondaire vers l'étage primaire. Par ailleurs, il doit être considéré que le circuit résonnant 4 peut être constitué, d'une part, par le condensateur 5 ou le condensateur 17 ou par les condensateurs 5 et 17 et, d'autre part, par la bobine 6 ou la bobine 13 du transformateur T2, seule ou associée, soit avec une bobine additionnelle 18 montée en parallèle sur la bobine 6, soit avec une bobine additionnelle 19 montée en parallèle sur la bobine 13, soit avec les bobines additionnelles 18 et 19. Par ailleurs, le convertisseur décrit ci-dessus peut être prévu pour constituer un montage auto-oscillant. A cet effet, conformément à la fig,3, chaque interrupteur 7, 8, 14, 15 est formé, par exemple, par un transistor métal-oxyde à effet de champ dont la grille est commandée par un amplificateur 19 relié au drain du transistor placé dans la branche complémentaire de L'étage correspondant. La fig. 4 illustre une forme de réalisation du convertisseur selon une variante du type en pont complet. Les bobines 6 et 13 du transformateur T2 ne présentent plus de point milieu. Par ailleurs, les bornes de chacune des bobines 6, 13 se trouvent raccordées par deux branches parallèles comportant chacune, en supplément des interrupteurs 7, 8, 14, 15, des interrupteurs 7', 8' et 14', 15'. Il est considéré que des jeux d'interrupteurs sont formés, à savoir 7-7', 8-8', 14-14' et 15-15', constitués chacun par deux interrupteurs placés en amont et en aval du circuit parallèle 4 ou 12, selon des branches opposées. Les interrupteurs d'un même jeu sont commandés simultanément. Le fonctionnement de cette variante de réalisation reste identique au fonctionnement de la variante précédemment décrite. Bien entendu, il peut être prévu de réaliser un convertisseur pour lequel l'étage primaire ou secondaire est réalisé sous la forme d'un demi-pont, l'étage complémentaire sous la forme d'un pont complet. La fig. 5 illustre une autre forme de réalisation de l'invention permettant d'obtenir, à partir d'une tension continue, deux tensions continues symétriques au niveau de l'étage secondaire II par exemple. A cet effet, l'étage secondaire est formé de deux unités symétriques A et B comportant chacune, entre des bornes a, o et o, b un enroulement secondaire 11A, 11B du transformateur T1 monté en série avec le circuit parallèle 12A, 12B. Chaque circuit parallèle comporte, dans une branche, une partie de la bobine secondaire 13A, 13B du second transformateur T2, placée en série avec un ensemble redresseur formé par un interrupteur 21 monté en parallèle avec une diode 22.Le circuit parallèle 12A de l'unité A est connecté à L'enroulement secondaire 11B de l'unité B, en un point O formant le point de référence correspondant à la tension nulle. Un interrupteur de l'unité A et un interrupteur de l'unité B sont commandés en phase pendant une période déterminée, tandis que les autres interrupteurs de l'unité A et B sont commandés en phase lors d'une phase subséquente. Bien entendu, la commande des interrupteurs 21 s'effectue en relation du pilotage des interrupteurs de l'étage primaire, comme décrit précédemment. L'unité A délivre donc, entre les bornes a, o, une tension continue positive composée, d'une part, d'une tension formée par des alternances négatives de valeur moyenne nulle (aux bornes de l'enroulement II 11A) et, d'autre part, d'une tension constituée par des alternances positives, de valeur moyenne non nulle (entre le point milieu de la bobine 13A et la borne o). L'unité B délivre, entre les bornes o, b, une tension continue résultant, d'une part, de la tension apparaissant aux bornes de l'enroulement 11B et formée d'alternances négatives de valeur moyenne nulle et, d'autre part, de la tension prise entre le point milieu de la bobine 13B et la borne b et constituée d'alternances positives de valeur moyenne non nulle. La fig. 6 illustre une autre forme de réalisation permettant d'obtenir deux tensions continues symétriques à l'étage secondaire II, par exemple à partir d'une tension continue appliquée à l'étage primaire non représenté. Selon cette variante, l'étage secondaire comporte, entre les bornes a et b, deux enroulements secondaires 11A, 11B opposés en signe et entre lesquels est interposé le circuit parallèle 12 composé d'un pont de quatre ensembles redresseurs 23 reliés entre eux par la bobine 13 du second transformateur T2 et dont le point milieu o correspond à la tension nulle. Chaque ensemble redresseur 23 est formé par un interrupteur 21 monté en parallèle avec une diode 22. Le convertisseur selon l'invention est particulièrement adapté pour assurer l'alimentation d'au moins un onduleur générant une tension sinusoidale régulée. Tel que cela ressort plus précisément de la fig. 7, L'appareil ainsi formé comporte le convertisseur 1 alimentant un onduleur 30 de structure en demi-pont capacitif. Cet onduleur 30 comprend des condensateurs 31, 32 adapté, respectivement, entre les bornes a, o et o, b du convertisseur. Entre les bornes a et b, sont montés en série deux interrupteurs 33, 34 qui sont commandés par un comparateur 35 de niveau à seuil, tel qu'un trigger de Schmidt. Entre le point commun des deux interrupteurs 33, 34 et la borne o, il est prévu d'associer, en série, une self inductance 36, une résistance 37 et un condensateur 38.L'une des entrées du comparateur 35 est reliée au point s commun entre la self inductance 36 et la résistance 37, tandis que l'autre entrée du comparateur reçoit une sinusoïde de référence. Le comparateur de niveau, qui compare la sinusoide de référence à la tension aux bornes de la résistance 37 et du condensateur 38, permet, simultanément, de fermer l'interrupteur 33 et d'ouvrir l'interrupteur 34, lorsque la tension de sortie Vs descend en dessous de la sinusoide de référence R, mais au seuil prédéterminé imposé par le comparateur (fig. 8). De la même façon, le comparateur 35 assure l'ouverture de l'interrupteur 33 et la fermeture simultanée de l'interrupteur 34 lorsque la tension de sortie atteint la sinusoide de référence plus le seuil déterminé. La tension de sortie contrôlée Vs évolue donc entre les deux seuils du comparateur 35 qui commande les deux interrupteurs en opposition de phase. La tension de sortie Vs est donc régulée de manière simple, en utilisant l'instabilité du système, et efficace, dans la mesure où la forme de la sinusoïde n'est pas déformée. Il est à noter que l'impédance du condensateur 38 doit être négligeable par rapport à la résistance 37. Par ailleurs, cette résistance apparaît nécessaire pour entraîner la dégénérescence du circuit composé de la self 36 et du condensateur 38, d'un caractère de second ordre à un circuit du premier ordre, à la fréquence de fonctionnement du découpage. La fig. 9 illustre un exemple d'application d'un appareil selon l'invention destiné à constituer un onduleur d'appel téléphonique. Cet appareil comporte le transformateur 1 alimentant deux onduleurs 30, 30' dont le principe de commande en puissance est conforme à celui décrit à la fig 7. Toutefois, il est à noter que l'un des onduleurs, par exemple 30', est associé à un amplificateur différentiel 40 alimenté par la tension de sortie Vs récupérée sur l'onduleur 30. Cet amplificateur 40 assure la commande en puissance de l'onduleur 30'. La tension de sortie Vs, de l'onduleur 30' se trouve donc en phase et à une fréquence identique par rapport à la tension de sortie Vs. Ces deux tensions VS et Vs, peuvent être additionnées à une source de tension continue pour constituer un onduleur d'appel téléphonique. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS : 1 - Convertisseur assurant la transformation réversible, avec isolement, d'une tension continue primaire (E1) en une tension secondaire continue (E2), caractérisé en ce qu'il comporte - un étage primaire (I) raccordé à une source de tension continue (2) délivrant le signal primaire et composé . d'un enroulement primaire (3) d'un premier transformateur (T1), . d'un circuit résonnant parallèle (4) monté en série avec l'enroulement (3) et comportant, d'une part, au moins un condensateur (5) et, d'autre part, au moins une bobine primaire (6) d'un second transformateur (T2) monté en parallèle avec le condensateur (5), .et de deux jeux primaires d'interrupteurs (7 ou 7-7' et 8 ou 8-8') montés chacun en série avec une branche du circuit résonnant parallèle, - un étage secondaire (II) délivrant le signal secondaire et composé d'au moins un enroulement secondaire (11) du premier transformateur (T1) configuré en phase et monté en série avec un circuit parallèle (12) comportant au moins une bobine secondaire (13) du second transformateur et au moins deux jeux secondaires d'interrupteurs (14 ou 14-14' et 15 ou 15-15') placés chacun dans les branches du circuit parallèle, - et des moyens de commande des interrupteurs assurant, pendant une phase déterminée, simultanément, l'ouverture des interrupteurs d'un jeu de l'étage primaire et d'un jeu de l'étage secondaire et la fermeture des interrupteurs des autres jeux des étages primaires et secondaires, et inversement, pendant une phase subséquente, de manière que, d'une part, le second transformateur assure la transmission d'une première tension de valeur moyenne non nulle, formée par des alternances consécutives de même nature et, d'autre part, le premier transformateur assure la transmission d'une seconde tension de valeur moyenne nulle,formée par des alternances consécutives de même nature, mais en opposition de phase par rapport à celle de la première tension, permettant d'obtenir, après sommation des première et seconde tensions, une tension continue 2 - Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit parallèle de l'étage secondaire (12) comporte un condensateur (17) placé en parallèle sur la bobine secondaire (13). 3 - Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit résonnant (4) comporte une bobine additionnelle (18) placée en parallèle avec le condensateur. 4 - Convertisseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit parallèle (12) comporte une bobine additionnelle (18) placée en parallèle avec la bobine secondaire. 5 - Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine primaire (6) présente un point milieu (C) raccordé à l'enroulement primaire (3) et en ce que les jeux primaires d'interrupteurs sont constitués chacun par un interrupteur (7, 8) placé dans une branche du circuit résonnant parallèle. 6 - Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine secondaire (11) présente un point milieu (H) raccordé à l'enroulement secondaire (11) et en ce que les jeux secondaires d'interrupteurs sont constitués chacun par un interrupteur (14, 15) placé dans une branche du circuit résonnant. 7 - Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque jeu d'interrupteurs primaire est constitué par une paire d'interrupteurs (7-7', 8-8'), placés, pour une paire, en aval et en amont du circuit résonnant parallèle, selon des branches opposées. 8 - Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque jeu d'interrupteurs secondaire (14-14' et 15-15') est formé par une paire d'interrupteurs placés, pour une paire, en aval et en amont du circuit parallèle, selon des branches opposées. 9 - Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage secondaire comporte, pour délivrer deux tensions continues symétriques par rapport à une référence, deux unités (A, B) comportant chacune un enroulement secondaire (11A, 11B) du premier transformateur monté en série avec le circuit parallèle comprenant, dans chaque branche, une bobine secondaire (13A, 13B > du second transformateur placé en série avec un ensemble redresseur (21, 22), les branches du circuit parallèle d'une unité étant reliées à l'enroulement secondaire de l'autre unité, en un point de référence. 10 - Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage secondaire comporte, pour délivrer deux tensions continues symétriques par rapport à une référence, deux enroulements secondaires (11A, 11B) du premier transformateur montés en série et entre lesquels est interposé le circuit parallèle composé d'un pont de quatre ensembles redresseurs reliés entre eux par une bobine secondaire du second transformateur, dont le point milieu correspond au point de référence. 11 - Appareil de production d'au moins une tension sinusoidale à partir d'un convertisseur réversible conforme à l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte - au moins un onduleur comportant deux condensateurs (31, 32) recevant chacun une tension de L'étage secondaire et montés en relation de deux interrupteurs (33, 34) commandés, placés en série dont le point milieu est relié à une self inductance (36), une résistance (37) et un condensateur (38), - et un comparateur (35) de niveau à seuil, adapté pour commander, alternativement, les interrupteurs et recevant une sinusoide de référence et la sinusoide de sortie. 12 - Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend deux onduleurs alimentés chacun par l'étage secondaire du dispositif de transformation, le signal délivré par l'un des onduleurs assurant le rôle de la sinusoide de référence. 13 - Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que les deux onduleurs sont connectés entre eux par l'intermédiaire d'une tension continue.