Brevet FR2684500A1 — publié le 19930604

La présente invention concerne les générateurs de ten- ion bipolaire à isolation galvanique assurant en particulier la commande des semi-conducteurs de puissance Certaines applications électroniques et électrotech- ni quels nécessitent un générateur i sol e gai vani quement four- naissant une tension successivement positive et négative, d'amplitude et de durée éventuellement inégales. C'est le cas par exemple de la commande de commutateurs de puissance haute tensiorls caractérisée par de fortes puissances transitoires. Les convertisseurs piézoélectriques ou photo-élec- triques répondent rarement à ce problème car trop limités en puissance actuellement. La solution classique consiste à utiliser un coupleur optique suivi d'une interface de puissances l'énergie étant fournie par un transformateur alimentant un pont redresseur Ce montage a plusieurs inconvénients: il double les chemins critiques d'isolation le coupleur optique a une faible immunite contre les gradients rapides de tension, enfin, une complexité certaine handicape la fiabilité. Le brevet français 2556905 propose de transmettre magnétiquement l'énergie nécessaire et l'information de polarite de la tension Mais il faut alors soit deux transformd- teurs, soit un seul ayant de nombreux enroulements isolés ce qui en augmente le coût de fabrication. D'autres solutions n'employant qu'un seul transformateur à deux enroulements ont été proposes récemment, mais elles restent encore complexes et ne fournissent pas aisément une sortie négative. C'est pourquoi l'invention a pour but de générer une tension isolée galvaniquement, négative ou positive selon la commande, en utilisant un unique transformateur à deux enroulements isoles et très peu d'autres composants Ce problème est résolu en envoyant à travers le transformateur deux types de signaux bipolaires ayant des formes d'ondes différentes, cette différence étant détectée au seconduire du transformateur pour commander la polarité de la tension à générer La détection se fait sur la tension des impulsions, plutôt que sur leur durée, pour obtenir un montage discriminateur plus fiable Le circuit devient alors avantageusement simple, son unique transformateur supportant de plus de forts gradients de tension de mode commun. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront avec la description qui va suivre de certains de ses modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins ci-annexés sur lesquels: - La figure i représente le schéma de principe général, les commutateurs étant supposés parfaits. - La figure 2 représente un exemple d'oscillogramme relevé en différents points de la figure t. Les indications iton" et toff" indiquent que les interrupteurs correspondants sont respectivement fermés et ouverts. - La figure 3 représente un circuit récepteur équipé de transistors dits "M0SFETs" à effet de champ à grille isolée. - La figure 4 représente une variante de circuit recep- teur équipé de transistors bipolaires NPN. - La figure 5 représente un circuit émetteur partageant la me me alimentation 5 volts que les circuits logiques. Comme on l'a dit précédemment, l'invention nécessite de fournir à travers un transformateur d'isolation 30 un signal Vc-Vd comprenant deux types de trains d'impulsions differen- ciées par leurs niveaux de tension. Cette différence, apparente sur la figure 2, consiste en ce que l'amplitude des impulsions positives et négatives du premier train (généré lorsque l'interrupteur 9 est fermés est respectivement nettement supérieure et nettement inférieure à celle des impulsuions positives et négatives du deuxième train généré lorsque l'interrupteur e est fermé, la composante continue restant nulle à chaque période pour réduire le courant magnétisant Un exemple d'émetteur 20 fournissant de tels signaux est donné en figure 1. Lors du premier train dtimpulsions l'interrupteur 9 est fermé (on) en permanence. Chaque fois que l'interrupteur 12 se ferme, le primaire 31 du transformateur est soumis à une différence de potentiel positive V2-REF transmise au secondaire 32, à un facteur de multiplication près. Simultanément le courant de magnétisation croft linéairement. Quand l'interrupteur 12 s'ouvre, ce courant s'écoule via la diode de récupération 10 et diminue linéairement jusqu'à zéro. Pendant ce temps la différence de potentiel VaVb aux bornes du primaire s'inverse (si V3 > V2) pour atteindre la valeur V2-V3. Le deuxième train d'impulsions est obtenu en fermant en permanence l'interrupteur 8 et en actionnant l'interrupteur 1 quand celui-ci s'ouvre, le courant de magnétisation s'écoule via la diode de récupération il Csi V4 > Vi). Les tensions Vi à V4 peuvent être differentes dans une certaine mesure, ce qui permet d'obtenir des polarités de sortie Ve-Vf asymétriques. Les impulsions sont espacées de telle façon que 1 'on soit sûr que le courant de magnétisation soit annulé, à moins de disposer d'un moyen de mesure direct de ce courant. Ce genre de montage a déjà été vu en de multiples occasions, en particulier en transmission de données. La figure en propose une variante fon~tionnant avec une unique alimentation basse tension de 5 volts caractéristique de la plupart des circuits numériques. On pourra remplacer avec profit les transistors par des transistors à effet de champ à rille isolee, dits MOSFETs, susceptibles de pointes de courant plus intenses et possédant une diode intrinsèque. Les paramètres du transformateur 30 seront définis de telle façon que le courant de magnétisation ramené au secondaire soit très inférieur au courant crete demande par la charge totale de sortie. Sa taille sera très petite si les impulsions actives sont de courte durée. Le récepteur 40 est équipe de deux discriminateurs de tensions 6 et 5, dont les seuils Vz1 et Vz2 prélevés sur des points intermédiaires du secondaire 32 sont respectivement intermédiaires entre les amplitudes des impulsions positives des premier et deuxième trains, et les amplitudes des impulsions négatives des premier et deuxième trains (illustrEs sur les chronogrammes Vc-Vd et Ve-Vf de la figure 2). Lors du premier train d'impulsions (9 fermé) la tension des impulsions positives dépasse la valeur Vzi de seuil du discriminateur 6 (alors que la tension des impulsions négatives est insuffisante pour déclencher le discriminateur 5), lequel ferme le commutateur 4 et permet le redressement des alterîaar'r=es positives du signal Vc-Vd par la diode i dans le condensateur 7 de mémorisation et de filtrage. La tension de sortie Ve-Vf est alors positive et son module est égal à l'amplitude des impulsions positives du premier train d'impulsions Vc-Vd (aux seuils des semi-conducteurs pres). Lors du deuxième train d'impulsions (S fermé), la situation est inversée: le discriminateur 5 déclenche le redressement des alternances négatives du signal Vc-Yd au travers de la diode 2 et de l'interrupteur 3, alors que le discriminateur 6 reste inhibé, maintenant ouvert l'interrupteur 4. La tension de sortie Ye-Vf devient négative, d'amplitude égale à celle des impulsions négatives du signal Vc-Vd. On remarquera que ce montage est particulièrement immunisé contre les défauts propres aux semi-conducteurs actuels, tels le temps de récupération inverse des diodes et le temps de stockage des transistors. En effet, dans toutes les évenqualités considérées, le courant de décharge du condensateur 7 est toujours strictement limité au courant magnétisant. Par ailleurs la commande de polarité K (Fig 5) peut Entre le plus souvent parfaitement asynchrone de la phase des impulsions. La figure 3 est une variante de réalisation du récepteur 40 utilisant des transistors MOSFETs avantagés par leur diode intrinsèque. Chaque discriminateur est constitué d'une diode référence Zener et d'une résistance, son seuil étant la somme de la tension de claquage inverse de la diode Zener et du seuil du transistor MOSFET. Le blocage de ces MOSFETs est particulièrement aise, les charges stockées dans la capacité grille-source s'évacuant par la Zener en conduction directe. Dans la variante de la figure 4, les transistors 3 et 4 sont des bipolaires NPN, ce qui nécessite l'adjonction des diodes externes 1 et 2. Les discriminateurs ont un schéma imbriqué, de façon à réduire un peu la consommation du montage. Ici les seuils sont égaux à la somme de deux seuils de diode en direct et de la tension de claquage inverse de la diode Zener correspondante. Ces deux variantes ont l'avantage de ne pas nécessiter de point intermédiaire pour le secondaire 32. Il est évident aux yeux de l t homme de l'art que les variantes précédentes des figures 3, 4 et 5 ne sont que des exemples de réalisation, dont on pourra aisément changer le type et la polarité des semi-conducteurs interrupteurs ou l'agencement des discriminateurs, pourvu que les principes de base des figures t et 2 soient respectes, L'invention s'applique particulièrement aux générateurs de tension à isolation galvanique de polarité commutable. REVENDICATIONS 1- Dispositif générateur d'une tension bipolaire successivement positive et négative isolée galvaniquement comprenant un émetteur 20 envoyant alternativement à un recepteur 40, à travers un transformateur 30 ayant un seul primaire et un seul secondaire isolés, deux types de trains d'impulsions bipolaires de valeur moyenne nulle à chaque pe- riode tels que l'amplitude des impulsions positives et négatives du train de premier type soit respectivement nettement supérieure et inférieure à celle des impulsions positives et négatives du train de deuxième type, dispositif car,-cterise en ce que le récepteur 40 est équipe de deux discriminateurs 6 et 5 de tension respectivement positive et négative, de seuils Vzl et VzZ prélevés su. des points intermédiaires du secondaire 32 , commandant respectivement les interrupteurs 4 et 5 et présentant des valeurs respectivement intermédiaire entre les amplitudes des impulsions positives des trains de premier et deuxième type, et intermediaire entre les amplitudes des impulsions négatives des trains de premier et deuxième type, de façon que seules les alternances positives du premier train au secondaire 32 du transformateur soient redressées au travers de la diode i et du commutateur commandé 4, et que seules les alternances négatives du deuxième train au secondaire 32 du transformateur soient redressées au travers de la diode 2 et du commutateur commandé 3, le redressement s'effectuant sur un condensateur 7 de mémorisation et de filtrage. 2- Dispositif selon la revendication i, caractérisé en ce que le secondaire 32 du transformateur n'a aucun point intermédiaire, en ce que les seuils Vz1 et Vz2 des discriminateurs 6 et 5 sont ajustes par des diodes références de tension mises en série avec des résistances, et en ce que les commutateurs sont des transistors bipolaires NPN. 3- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les transistors NPN sont remplacés par des transistors à effet de champ à grille isolée possédant une diode intrinsèque remplissant les fonctions des redresseurs i et 2.