Brevet FR2685145A1 — publié le 19930618

DISPOSITIF D'ECRETAGE DE SURTENSION POUR CONVERTISSEUR D'ALIMENTATION A RESONANCE L'invention concerne les convertisseurs résonants ou quasi-résonants dans lesquels la commutation de ltinterrupteur, à la fermeture et à l'ouverture, S t effectue à courant nul et, plus particulièrement dans de tels convertisseurs, un dispositif d'écrêtage des surtensions oscillatoires importantes qui apparaissent aux bornes du transistor de l'interrupteur lors de son ouverture et qui obligent à surdimensionner en tension le transistor de l'interrupteur. La figure 1 est un schéma d'un convertisseur connu sous le nom de convertisseur "fly-back" quasi-résonant qui comprend une source 10 de tension continue Ve, un transformateur 12 comportant un enroulement primaire 14 et un enroulement secondaire 16. Une borne d'entrée A de l'enroulement primaire 14 est connectée directement à un des pôles de la source 10 tandis que l'autre borne d'entrée B est connectée à l'autre pôle de la source 10 par une diode D1 et un transistor T1 qui peut être à effet de champ réalisé en technologie à semi-conducteur Métal-Oxyde comme le montre le symbole utilisé sur la figure 1. Une diode D2 est montée en antiparallèle aux bornes du transistor T1 et de la diode D1 et est plus connue sous le nom de diode de roue libre. La grille G du transistor T1 est connectée à un générateur 18 de signaux rectangulaires 20 qui commandent la fermeture et l'ouverture du transistor T1. L'enroulement secondaire 16 a deux bornes de sortie C et D qui sont connectées à un circuit de charge 22 par l'intermédiaire d'un circuit de redressement et filtrage 20 constitué schématiquement d'une diode de redressement D3 et d'un condensateur de filtrage Cf. Les bornes de sortie du circuit 20 sont référencés S1 et S2. La tension aux bornes de la charge 22 est notée Vs. Sur le schéma, on a représenté par Lr en série dans l'enroulement primaire 14, l'inductance du circuit résonant et par Cr en parallèle sur l'enroulement secondaire 16 la capacité du circuit résonant. Généralement Lr est intégrée dans le transformateur et est constituée par l'inductance de fuite du transformateur 12. Dans un transformateur pour alimentation à découpage classique, on cherche à diminuer au maximum cette inductance de fuite car elle génère des parasites et des pertes indésirables en optimisant le bobinage du transformateur. Au contraire, dans un convertisseur résonant, le transformateur est bobiné de façon à obtenir l'inductance de résonance désirée. De ce fait, l'inductance de fuite est beaucoup plus importante que celle d'un transformateur pour convertisseur classique et il en résulte que les énergies parasites sont plus importantes dans le convertisseur résonant que dans le convertisseur classique. En fonctionnement et, plus particulièrement, en haute fréquence (1 mégahertz) la combinaison de l'inductance de résonance Lr avec la capacité parasite Ct du transistor T1 et les capacités parasites C1 et C2 en parallèle respectivement sur les diodes D1 et D2 et liées au recouvrement inverse desdites diodes, provoque aux bornes du transistor T1, lors de son ouverture, des surtensions oscillatoires importantes qui sont représentées par la courbe 24 de la figure 2. Cette courbe 24 représente la variation de la tension Vt aux bornes du transistor T1 et de la diode D1 en fonction du temps et montre que la pointe 26 de l'oscillation positive dépasse la valeur 2.Ve. En outre, ces oscillations parasites créent des pertes supplémentaires dans le convertisseur. Dans les convertisseurs classiques de l'art antérieur, il a été proposé de limiter ces surtensions parasites aux bornes de l'interrupteur par l'utilisation d'un circuit limiteur dissipatif ou d'un enroulement primaire d'écrêtage, dit de clamping. Le circuit limiteur dissipatif 28 (figure 3) est monté en parallèle sur l'enroulement primaire 14 entre les points A et B et est constitué d'une résistance Rd et d'fun condensateur Cd en série. Ainsi, l'énergie parasite est dissipée dans la résistance Rd. Un tel circuit limiteur 28 peut aussi être utilisé dans un convertisseur résonant mais comme l'inductance de fuite est plus grande, l'énergie à dissiper sera aussi plus grande. L'enroulement primaire d'écrêtage est un enroulement auxiliaire 30 (transformateur 12' de la figure 4) qui est connecté en série avec une diode D4, l'ensemble de l'enroulement auxiliaire 30 et de la diode D4 étant monté en parallèle sur l'enroulement primaire 14, la diode D1 et le transistor T1. Cet enroulement auxiliaire 30 est connecté de telle sorte que le potentiel à ses bornes soit déphasé de 1800 par rapport à celui de l'enroulement primaire. Le rapport de transformation entre l'enroulement primaire 14 et l'enroulement auxiliaire 30 est égal à l'unité. Les deux enroulements sont bobinés de manière à avoir un bon couplage et l'enroulement auxiliaire est généralement bobiné en même temps que l'enroulement primaire, chaque spire de l'enroulement primaire étant jointive d'une spire de l'enroulement auxiliaire. Le fonctionnement du circuit de la figure 4 est alors le suivant. Lorsque le transistor T1 est fermé, aucun courant ne circule dans la diode D4, ni dans la diode D3. A l'ouverture du transistor T1, la tension Vt aux bornes du transistor T1 va croître instantanément (celui de la diode D4 va décroître) jusqu'à ce que la diode D4 conduise : le potentiel aux bornes du transistor T1 se maintiendra à 2.Ve jusqu'à ce que l'énergie stockée dans l'inductance de fuite devienne nulle. Ensuite, ce potentiel Vt diminuera instantanément jusqu'à (Ve + nVs) si n est le rapport de transformation entre les enroulements primaire 14 et secondaire 16. Ainsi, par ce fonctionnement, l'énergie stockée dans l'inductance de fuite a été "renvoyée" vers la source 10. Un tel montage avec enroulement primaire auxiliaire d'écrêtage est utilisé dans les convertisseurs classiques de faible court car elle permet de bobiner simplement les transformateurs : bobinage simultané de l'enroulement primaire et de l'enroulement auxiliaire puis bobinage de l'enroulement secondaire en prévoyant une bonne isolation diélectrique, ce qui conduit à un mauvais couplage entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire mais il y a limitation des surtensions grâce à l'enroulement auxiliaire. Le montage de la figure 4 pourrait être utilisé dans les convertisseurs résonants pour "renvoyer" l'énergie de l'inductance de résonance dans la source 10 mais il présente deux inconvénients (a) le potentiel aux bornes du transistor T1 est égal à 2.Ve pendant l'écrêtage et le dimensionnement du transistor T1 doit être prévu en conséquence; (b) la surtension 2.Ve devient gênante en fonctionnement à haute fréquence F avec une tension d'entrée ou de sortie variable. En effet, du fait de la diode D1 en série avec le transistor T1, le potentiel aux bornes du transistor T1 restera à un potentiel de 2.Ve de sorte que les pertes de commutation liées à la capacité parasite du transistor T1 ne seront plus optimisées C 2 elles seront égales à P = ~ .(2.Ve) 2 C 2 au lieu de P optimum = C . (Ve + nVs) F Le but de la présente invention est donc de réaliser, dans un convertisseur résonant, un dispositif de limitation de la tension aux bornes du transistor de commutation qui ne présente pas les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur. L'invention concerne donc dans un dispositif d'écrêtage de surtension pour convertisseur d'alimentation à résonance, ledit convertisseur comprenant - un transformateur qui comporte un enroulement primaire de N1 spires ayant une première borne d'entrée et une deuxième borne de sortie et un enroulement secondaire de N2 spires ayant une première borne de sortie et une deuxième borne de sortie, - au moins un interrupteur dont une borne est connectée à la deuxième borne d'entrée dudit enroulement primaire, - une source de tension continue dont une borne est connectée à la première borne d'entrée dudit enroulement primaire et dont l'autre borne est connectée à l'autre borne dudit interrupteur, - un dispositif de commande de la fermeture et de l'ouverture dudit interrupteur, - un dispositif de redressement et filtrage connecté aux première et deuxième bornes de sortie dudit enroulement secondaire, ledit dispositif d'écrêtage étant caractérisé en ce qu'il comprend - au moins un enroulement auxiliaire couplé à l'enroulement primaire, ledit enroulement auxiliaire ayant deux bornes de sortie qui sont connectées respectivement aux bornes de sortie du circuit de redressement et filtrage. D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite en relation avèc les dessins ci-annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma d'un convertisseur résonant auquel s'applique la présente invention; - la figure 2 est un diagramme montrant la variation de la tension Vt aux bornes du transistor T1 de la figure 1; - la figure 3 est un schéma d'un convertisseur classique comportant un dispositif d'écrêtage dispositif selon l'art antérieur, - la figure 4 est un schéma d'un convertisseur classique comportant un dispositif d'écrêtage selon l'art antérieur; - la figure 5 est un schéma d'un convertisseur résonant comportant un dispositif d'écrêtage selon l'invention; - la figure 6 est un schéma équivalent simplifié du descriptif d'écrêtage selon l'invention en vue d'expliquer son fonctionnement; - la figure 7 est une coupe simplifiée d'une partie d'un premier transformateur qui peut être utilisé pour réaliser le dispositif d'écrêtage selon l'invention; - la figure 8 est une coupe simplifiée d'une partie d'un deuxième transformateur qui peut être utilisé pour réaliser le dispositif d'écrêtage selon l'invention, et - la figure 9 est un diagramme montrant la variation de la tension Vt aux bornes du transistor T1 de la figure 5 avec un dispositif d'écrêtage selon l'invention. Dans les différentes figures, les références identiques désignent les mêmes éléments. Par ailleurs, les figures 1, 2, et 3 et 4 qui ont été utilisées dans le préambule pour décrire l'art antérieur ne seront pas décrites à nouveau. Le schéma électrique de la figure 5 est celui d'un convertisseur résonant qui comporte un dispositif d'crêtage selon l'invention. Le convertisseur résonant comprend les différents éléments en trait plein du schéma de la figure 1 mais il comporte, en plus, un circuit auxiliaire 32 qui réalise, en combinaison avec ltenroulement primaire et l'enroulement secondaire, le dispositif d'écrêtage selon l'invention. Ce circuit auxiliaire 32 est constitué de plusieurs enroulements auxiliaires L1, L2, L3 qui sont bobinés sur un transformateur 12"; chaque enroulement auxiliaire L1, L2, L3 a une première borne de sortie B1, B2 ou B3 qui est connectée à un point commun M1 et une deuxième borne de sortie B'1, B'2 ou B'3 qui est connectée respectivement à l'anode d'une diode D5, D6 ou D7, les cathodes desdites diodes étant connectées à un point commun M2. Le point commun M1 est connecté à une borne de sortie S1 du convertisseur tandis que l'autre point commun M2 est connecté à l'autre borne de sortie S2 du convertisseur. Le circuit primaire comprend un seul enroulement qui comporte N1 spires tandis que le circuit secondaire comprend un ou plusieurs enroulements secondaires qui comportent N2 spires. Les enroulements auxiliaires L1, L2 et L3 sont disposés en sandwich dans l'enroulement primaire et ont (N2-1) spires; ils sont répartis de telle sorte qu'ils embrassent au mieux le flux de fuite de l'enroulement primaire; il en résulte que l'ensemble des enroulements auxiliaires L1, L2 et L3 est parfaitement couplé avec l'enroulement primaire, c'est-à-dire que le flux de fuite entre ces enroulements primaire et auxiliaires est très faible. Le diamètre des fils des enroulements auxiliaires L1, L2 et L3 est très petit car l'énergie qui y circule correspond à l'énergie parasite liée à l'inductance de résonance Lr (figure 1) et à la capacité Ct du transistor T1. Les enroulements L1, L2 et L3 peuvent être directement mis en parallèle, c'est-à-dire sans diode D5, D6 et D7, s'ils sont disposés sur une même couche et bobinés en parallèle, chaque spire d'un enroulement côtoyant la spire correspondante des autres enroulements. Dans le cas où les enroulements L1, L2 et L3 ne sont pas physiquement disposés au même endroit, les flux qu'ils embrassent sont différents et il est nécessaire qu'ils soient couplés par les diodes D5, D6 et D7 pour tenir compte des tensions différentes à leurs bornes. Le sens de branchement des enroulements L1, L2 et L3 est tel que ces enroulements fonctionnent en mode de restitution, c'est-à-dire qu'ils sont connectés de telle sorte que le potentiel appliqué aux bornes des diodes D5, D6 et D7 pendant la fermeture du transistor T1 les empêche de conduire. Le fonctionnement du dispositif d'écrêtage selon l'invention sera expliqué à l'aide du schéma équivalent simplifié de la figure 6. Sur ce schéma, le transistor T1 a été représenté par un interrupteur T'1 comportant la capacité parasite Ct en parallèle. Par ailleurs, le couplage entre l'enroulement primaire 14 et l'enroulement secondaire 16 ainsi que celui entre l'enroulement primaire 14, y compris l'inductance de fuite Lr, avec les enroulements auxiliaires L1, L2 et L3 ont été représentés respectivement par les symboles Syl et SY2 de deux cercles associés à un rapport de transformation dans lequel n = N1/N2. Les diodes D5, D6 et D7 ont été remplacées par une seule diode Dc. Sur ce schéma équivalent, lorsque l'interrupteur T1 s'ouvre, le potentiel à ses bornes est limité à Ve + (n-1) .Vs jusqu'à ce que l'une des diodes D5, D6 ou D7 se mette à conduire. Cette limitation persiste tant que l'énergie emmagasinée dans Lr n'est pas évacuée. Ensuite, ces diodes D5, D6, D7 resteront bloquées et l'énergie de restitution stockée dans l'inductance primaire sera envoyée vers la charge 22 à travers la diode D3 et le potentiel aux bornes de T1 sera égal à Ve + n.Vs La courbe 34 de la figure 9 montre la variation de la tension Vt aux bornes du transistor T1 en fonction du temps t dans le cas du dispositif d'écrêtage selon l'invention en utilisant la même échelle que sur la figure 2. Cette courbe montre que le pic 36 de surtension a une hauteur qui est nettement inférieure à 2.Ve. Les enroulements auxiliaires L1, L2 et L3 ont une spire de moins que l'enroulement secondaire pour éviter que la restitution de l'énergie primaire ne se fasse à travers les enroulements auxiliaires. Les figures 7 et 8 montrent, de manière schématique, deux manières de réaliser le transformateur 12" en y introduisant les enroulements auxiliaires L1, L2 et L3 du dispositif d'écrêtage selon l'invention. Chaque figure 7 ou 8 représente en coupe un demi-transformateur suivant un plan contenant le circuit magnétique. Sur la figure 7, les spires des différents enroulements primaire 14, auxiliaires L1, L2, L3 et secondaire 16 sont enroulées sur un même mandrin 40 monté à l'intérieur dlun circuit magnétique fermé 42 dont une branche traverse le moyeu du mandrin. Les couches 141, 142 et 143 des spires de l'enroulement primaire 14 sont bobinées à proximité du moyeu. Chaque enroulement auxiliaire L1, L2 et L3 est bobiné entre chaque couche de l'enroulement primaire. Les spires de l'enroulement secondaire 16 sont enroulées autour des enroulements primaire 14 et auxiliaires L1, L2 et L3 en couches concentriques. Les différentes couches de spires des différents enroulements sont séparées par des couches 44 en matériau isolant. Sur la figure 8, les spires des enroulements primaire 16 et auxiliaires L1, L2, L3 sont bobinées sur un premier mandrin 401 tandis que les spires de l'enroulement secondaire 16 sont bobinées sur un deuxième mandrin 402, les premier et deuxième mandrins étant traversés par la même branche 50 d'un circuit magnétique 42' et étant séparés l'un de l'autre par un espace 52. Les spires des enroulements primaire et auxiliaires sont bobinées de manière similaire à celle de la figure 7 et les couches successives sont séparées par des couches 44 en matériau isolant. Sur le deuxième mandrin 402, les spires de l'enroulement secondaire sont aussi bobinées en couches séparées par les couches 44 en matériau isolant. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'écrêtage de surtension pour convertisseur d'alimentation à résonance, ledit convertisseur comprenant - un transformateur (12") qui comporte un enroulement primaire 14 de N1 spires ayant une première borne d'entrée (A) et une deuxième borne de sortie (B) et un enroulement secondaire (16) de N2 spires ayant une première borne de sortie (C) et une deuxième borne de sortie (D), - au moins un interrupteur (T1) dont une borne est commutée à la deuxième borne d'entrée (B) dudit enroulement primaire (14), - une source (10) de tension continue dont une borne est connectée à la première borne d'entrée (A) dudit enroulement primaire (14) et dont l'autre borne est connectée à l'autre borne dudit interrupteur (T1), - un dispositif de commande (18) de la fermeture et de l'ouverture dudit interrupteur (T1), - un dispositif de redressement et filtrage (20) connecté aux première (C) et deuxième (D) bornes de sortie dudit enroulement secondaire et comportant deux bornes de sortie S1, S2 connectées à la charge, ledit dispositif d'écrêtage étant caractérisé en ce qu'il comprend - au moins un enroulement auxiliaire (L1, L2, L3) couplé à l'enroulement primaire, ledit enroulement auxiliaire ayant deux bornes de sortie (Bl, B'1, B2, B'2, B3, B'3) qui sont connectées respectivement aux bornes de sortie (S1, S2) du circuit de redressement et filtrage (20). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque enroulement auxiliaire (L1, L2, L3) comprend une diode (D5, D6, D7) dont l'anode est connectée à une borne de sortie (B'1, B'2, B'3) dudit enroulement auxiliaire et dont la cathode est connectée à une borne de sortie (S1 ou S2) du circuit de redressement et filtrage (20). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les spires de chaque enroulement auxiliaire (L1, L2, L3) sont bobinées en même temps que les spires de l'enroulement primaire (14) de manière à être couplées fortement avec ce dernier. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les spires de l'enroulement secondaire (16) sont bobinées en couches concentriques à celles des enroulements primaire (14) et auxiliaires (lui, L2, L3) de manière à envelopper lesdits enroulements primaire et auxiliaires. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les spires de l'enroulement secondaire (16) sont bobinées sur un mandrin différent de celui portant les enroulements primaire (14) et auxiliaires (L1, L2, L3) et séparé de ce dernier par un espace isolant.