Brevet FR2686749A1 — publié le 19930730

CONVERTISSEUR DE TENSION L'invention a pour objet un convertisseur de tension destiné à être utilisé avec une source de tension non régulée. La conversion optimale de la puissance électrique entre une source de tension continue ou alternative et une source de tension régulée peut être réalisée avec un commutateur inverseur pour une source de tension continue ou bien un simple transformateur pour une source de courant alternative. Dans les deux cas, le rapport de tension du transformateur peut être optimisé pour correspondre au rapport de tension entre la sortie et l'entrée de manière à fournir la tension désirée sur la charge. Par contre, lorsque la tension d'entrée ou le courant de sortie varie par rapport à sa valeur nominale, l'ajustage en tension n'est pas conservé et il faut disposer d'une compensation pour maintenir la tension désirée en sortie. Ceci peut être réalisé de manière classique à l'aide d'un régulateur de tension additionnelle qui permet de maintenir constante la tension de sortie. Cependant, de tels convertisseurs présentent l'inconvénient de traiter toute la puissance électrique, ce qui correspond à une perte de rendement élevée. La présente invention a pour objet un convertisseur de tension ne présentant pas l'inconvénient précité. L'invention concerne ainsi un convertisseur de tension destiné à être utilisé avec une source de tension non régulée, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de courant alternatif non régulé alimenté par ladite source de tension non régulée et alimentant en série le primaire d'un premier transformateur (ou transformateur principal) dont le secondaire alimente une charge et le secondaire d'un deuxième transformateur (ou transformateur auxiliaire) dont le primaire est connecté à un circuit de régulation luimême alimenté par ladite source de tension non régulée, de telle sorte que le secondaire du deuxième transformateur présente à ses bornes une tension de régulation qui est une fraction de la tension de la source de tension non régulée. De la sorte, le deuxième transformateur fournit juste la tension de courant nécessaire pour réaliser la compensation, et de ce fait il n'est pas nécessaire de commuter la totalité de la puissance du convertisseur ni d'agir sur la totalité de sa puissance. Le circuit de régulation peut comporter un régulateur bi-directionnel et le générateur de courant alternatif non régulé peut comporter un pont inverseur présentant quatre commutateurs aux bornes desquelles sont respectivement connectées quatre diodes. Le convertisseur peut alors comporter deux commutateurs aux bornes desquelles sont respectivement connectées deux diodes et qui sont eux-mêmes connectés chacun à une borne du primaire du deuxième transformateur et fonctionnent en synchronisme avec lesdits quatre commutateurs du pont inverseur. Le convertisseur peut comporter un dispositif de mesure de la tension aux bornes de la charge et un détecteur de 0 permettant d'actionner l'un ou l'autre des deux commutateurs du primaire du deuxième transformateur. Le régulateur bidirectionnel peut être en particulier un générateur de signaux en dents de scie. Selon un mode de réalisation préféré, le premier transformateur comporte un deuxième secondaire connecté en série avec le primaire du deuxième transformateur à travers un régulateur de commutation agencé pour contrôler la tension à ses bornes à une valeur donnée. La valeur donnée peut être avantageusement réglable entre une valeur nulle et une valeur maximale prédéterminée de telle sorte que la tension aux bornes du secondaire du deuxième transformateur puisse varier continuement entre une valeur positive et une valeur négative par rapport à la tension aux bornes du primaire du premier transformateur. Le régulateur de commutation peut comporter un pont redresseur à diodes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins qui représentent - la figure 1, un schéma de principe d'un convertisseur de tension selon l'invention, - la figure 2, un premier mode de réalisation d'un convertisseur de tension selon l'invention, - la figure 3 étant un mode de réalisation préféré de la figure 2, - la figure 4 est une variante de la figure 3, - la figure 5 est un schéma de principe d'un convertisseur de tension selon un mode de réalisation préféré de l'invention, - la figure 6, un mode de réalisation du convertisseur de la figure 5, la figure 7, en constituant un mode de réalisation préféré. Selon la figure 1, un générateur 1 de tension alternative est alimenté par une source de tension S délivre une tension Vs susceptible de varier entre une valeur minimale VMIN et une valeur maximale VMAx. La tension Vs est appliquée à deux transformateurs T1 et T2, le primaire du transformateur principal T2 étant connecté en série avec le secondaire du transformateur auxiliaire T2. Le secondaire du transformateur principal T1 alimente une charge CH à une tension VAV. Le secondaire du transformateur T2 présente, à ses bornes, une tension Vs - VAV. En choisissant VAV = (VMAx + VMIN)/2, la fonction de régulation consomme une puissance minimale pour cette valeur médiane (Vs = VAV). Lorsque la tension de la source de tension est supérieure à VAV, la fonction de régulation soustrait cette valeur en excès de manière à fonctionner en mode de récupération et à recycler la puissance excédentaire à la source S. Cette puissance excédentaire a pour valeur (Vs - VAV) x IAV IAV désignant le courant traversant les primaires des transformateurs T1 et T2. Cette puissance est en général une faible fraction de la puissance VAV x IAV fournie par le transformateur T1 en supposant que la source S fournisse la tension Vs a ses variations limitées à des valeurs raisonnables données à + et - 25% de la valeur de VAV. De la même manière, lorsque la tension Vs est inférieure à VAV, la tension différentielle de la valeur absolue VAV - Vs est fournie par le régulateur avec le courant IAV de telle sorte que le convertisseur fonctionne en mode d'alimentation en fournissant une puissance additionnelle égale à (VAV - Vs) x IAV En choissant VAV à ladite valeur médiane entre VMIN et VMAx, la puissance maximale qui est susceptible d'intéresser le convertisseur que ce soit en mode d'alimentation ou en mode de récupération est égale à (Vx - VMIN)/2 1AV La figure 2 représente un mode de réalisation de la figure 1, dans lequel régulateur est un convertisseur bi-directionnel dans lequel le générateur 1 présente un montage en pont. Le montage en pont met en oeuvre quatre interrupteurs S5, S6, S7, S8 aux bornes desquels sont connectées des diodes en inverse D5, D6, D7, D8. Le rôle du convertisseur est de maintenir constante la tension aux bornes de la charge CH lorsque la tension VS de la source S varie. L1 et C1 représentent la self et le condensateur du filtre d'entrée de l'inverseur. Le convertisseur bi-directionnel comporte deux interrupteurs S1 et S2, en parallèle avec lesquels sont connectées des diodes D1 et D2 en inverse, ainsi qu'une self L2 connectée entre le point milieu commun aux interrupteurs S1 et S2 et le point milieu du primaire du transformateur T2. Un condensateur C2 (facultatif) est connecté entre le point milieu du primaire du transformateur T2 et la masse. Le convertisseur bi-directionnel étant ainsi connecté au point central de potentiel Vx du primaire du transformateur T2, on réalise un étage de commutation de type push-pull, et dans ce but, les interrupteurs S3 et S4 présentent en parallèle, des diodes en inverse D3 et D4 connectées entre les bornes extrêmes du primaire de T2 et la masse. La tension du secondaire du transformateur T2 est alors ajoutée ou soustraite à la tension d'alimentation Vs, ce qui permet à la tension primaire du transformateur T1 d'être augmentée ou diminuée de manière désirée de manière à obtenir une certaine régulation de la tension de charge VcH aux bornes de la charge CH. Le rapport de transformation du transformateur T1 est choisi de manière à fournir la tension de charge VCH désirée lorsque la source de tension Vs est à sa valeur médiane égale à VAV tel que défini ci-dessus. Le mode de fonctionnement peut être alors décrit de la manière suivante. On suppose tout d'abord que la tension Vs est supérieure à VAV. Dans ce cas, la tension aux bornes du primaire de T1 tend à être trop élevée. Le convertisseur doit créer en synchronisme la commutation du pont (paires d'interrupteurs S, 6 57, S8), une tension Vs - VAV aux bornes du secondaire du transformateur T2 de telle sorte que la tension du primaire du transformateur T1 soit maintenue à la valeur VAV. Si l'on suppose qu'il existe un rapport k entre le nombre de tours de chacun des demi-primaires du transformateur T2, c'est-à-dire chaque moitié du bobinage de primaire en push-pull, et son secondaire qui est en série avec le primaire du transformateur T1, la tension Vx doit avoir une valeur maintenue égale k x (VS - Var). On choisit k de telle sorte que, pour la plus faible valeur VMIN de la tension Vs, on ait k x (VAV - VMIN) Etant donné que la tension Vs est supposée supérieure à VAV, la régulation est obtenue en faisant fonctionner le convertisseur en mode de recyclage, le point milieu de T2 dans la source du convertisseur, et l'alimentation Vs étant la sortie. La topologie du convertisseur doit être telle que les interrupteurs S1 et S2 opèrent en modulation par largeur d'impulsion de manière à stocker de l'énergie dans la self L2 lorsque est fermé et à restituer de l'énergie à l'entrée lorsque S1 est fermée. Le courant circule alors depuis Vx vers Vs d'où un fonctionnement en mode de récupération. Les interrupteurs S3 et S4 fonctionnent en synchronisme avec les paires S5 et S6 et S7, S8, et de telle sorte qu'il existe sur le secondaire de T2 une tension qui se soustrait à Vs de manière à maintenir sur le primaire de T1 une tension VAV. Lorsque la tension Vs est inférieure à VAV, la phase de l'interrupteur S3 et S4 est inversée par l'intermédiaire d'un détecteur de O et d'une porte de telle sorte que le schéma de régulation est inversé et que la tension transformée qui est présente sur le secondaire du transformateur T2 est maintenant une tension additive en série avec Vs. Le convertisseur fonctionne alors en mode de fourniture selon lequel les interrupteurs S1 et S2 sont modulés par largeur d'impulsion de manière à stocker de l'énergie L2 lorsque l'interrupteur S1 est fermé et permettra à l'énergie stockée d'être fournie au point milieu du transformateur T2 lorsque l'interrupteur S2 est fermé. Le courant fonctionne maintenant depuis Vs vers Vx, c'est-à-dire en mode d'alimentation. La figure 3, montre un circuit de commande permettant de commander les interrupteurs S3 à S8 selon les modes de fonctionnement précités. On suppose que la tension VCH de la charge est mesurée par un enroulement supplémentaire (non représenté) du transformateur T1. Cette valeur est comparée avec une valeur de référence et amplifiée par un amplificateur d'erreur A1 dont la sortie peut être négative ou positive selon que Vs est supérieur ou inférieur à VAV. Le signal de sortie de A1 est utilisé pour commander directement le convertisseur bi-directionnel dans un mode de commande de conductance. La détection de la polarité en sortie de l'amplificateur A2 cascadé avec A1 commande un détecteur de passage par 0 constitué par un amplificateur A3 dont la borne d'entrée non inverseuse est à la masse. L'amplificateur A3 présente un gain unitaire (contre-réaction par deux résistances de valeur R1 avec interposition d'une diode D10). L'aplificateur A3 permet de déterminer la phase à appliquer aux interrupteurs S3 et S4. Le changement de phase est obtenu en comparant la sortie du circuit de passage par 0 avec des signaux d'horloge carrés. Une diode Zener Z (ici de 12 V) est disposée en série entre la sortie de A3 et une entrée de deux portes OU exclusives inverseuses 3 et 4 dont l'autre entrée reçoit des signaux carrés en opposition de phase (sortie Q et Q du diviseur par deux 5). Le changement de phase intervient lorque le courant de régulation est égal à O et lorsque Vx = O Volt. L'amplificateur A3 remplit également la fonction d'amplificateur de gain à unité (résistance R1 ; réaction) de manière à amplifier les signaux d'entrée positifs et négatifs avec le même gain. Ceci permet de réguler automatiquement les deux modes de fonctionnement précités. De la sorte, lorsque la tension régulée est faible, la sortie de l'amplificateur d'erreur est positive, la sortie du circuit de passage par 0 est positive étant donné que la sortie de l'amplificateur A3 est négative et actionne la logique de l'inversion de phase S3 et S4. Cette action augmente le rapport cyclique de fonctionnement de fermeture de S1 et par conséquent permet à la self L2 de fournir au point milieu de tension Vx un courant proportionnel à la tension de sortie de l'amplificateur de manière à produire sur le secondaire de T2 une tension qui s'ajoute à la tension d'entrée Vs. Lorsque la tension régulée est élevée, la sortie de l'amplificateur d'erreur est négative, le circuit de passage par 0 à sa sortie est également négative, mais la sortie de l'amplificateur A3 devient positive en raison de la contre-réaction à travers la diode D10. La tension augmente le rapport cyclique de S1 et de la sorte la self L2 extrait du courant de Vx de manière à produire la tension du secondaire du transformateur T2 qui se soustrait à la tension d'alimentation Vs. La sortie de l'amplificateur A3 présente une diode D10 dont la cathode est connectée à l'entrée non inverseuse d'un amplificateur A4 dont l'entrée inverseuse reçoit un signal en dents de scie. La sortie de A3 est ainsi comparée à ce signal de référence en dents de scie de manière à produire à sa sortie des signaux modulés en largeur d'impulsion, de manière à commander en alternance les interrupteurs S1 et (inverseur 6). La tension de sortie de l'amplificateur A2 est tout d'abord à sa valeur maximale positive étant donné que Vs a une faible valeur et demande un courant maximal de telle sorte que le convertisseur travaille en mode d'alimentation. Lorsque la valeur de Vs se rapproche de la valeur nominale, la sortie de A2 se rapproche de la valeur 0 et le cycle de fonctionnement diminue vers 0 et une énergie est fournie au point milieu de tension Vx du primaire du transformateur T2. Le courant positif dans la self L2 tend à devenir égal à o. La sortie de l'amplificateur d'erreur A1 change également de polarité et lorsque le courant atteint la valeur 0, la phase de S3 et S4 est inversée de telle sorte que la circulation du courant s'inverse. La tension Vx tend à augmenter mais est contrôlée par le fait que l'appel de courant négatif à la sortie de A1 augmente, ce qui à son tour modifie progressivement le fonctionnement de S1 et S2 en modulation de largeur d'impulsion pour augmenter le courant négatif dans la self L2 jusqu'à ce qu'un nouveau point de fonctionnement correspondant à la nouvelle valeur de Vs soit obtenu. La figure 4 représente une variante simplifiée de la figure 3 dans laquelle l'inverseur fonctionne en push-pull et ne comporte que les interrupteurs S6 et S8 et leurs diodes D6 et D8. Le fonctionnement en est par ailleurs, substantiellement identique au mode de réalisation de la figure 3. Selon la figure 5, le secondaire du transformateur auxiliaire TA (correspondant au transformateur T2 de la figure 1) de rapport de transformateur NA est en série avec un autre secondaire de rapport de transformateur NM du transformateur principal TM. Ils sont alimentés par un circuit de commande de commutation SVC (tension VC). La figure 6 représente un inverseur à pont associé avec un convertisseur bi-directionnel correspondant au principe de la figure 5. La source de tension continue Vs est hâchée par le circuit en pont comportant les interrupteurs S'1, S'2, S'3 et S'4 en parallèle desquels sont disposées les diodes en inverse D'1, D'2, D'3 et D'4. Le circuit en pont génère une tension alternative en signaux carrés entre les points A et B dont les valeurs de crête sont égales à Vs. Cette tension alternative est appliquée à la connexion en série du primaire du transformateur principal TM et du secondaire de TA. La tension à travers le primaire de TM, qui est égale à VM est, par conception, bien plus grande que celle à travers le secondaire principal du transformateur auxiliaire TA. Par exemple lOVM = VA. La tension du secondaire du transformateur TM (LMr VM) est choisie de manière à être approximativement égale à la moitié de la tension maximale de VC. Etant donné que cette valeur maximale est égale à Vs lorsque l'interrupteur S'5 est ouvert, alors le rapport de transformation NM du transformateur TM est égal approximativement à 1/2 et MM VM = 0,5 Vs. La self L'2, l'interrupteur S'5, et la diode D'5 forment un régulateur. En contrôlant le modulateur à largeur d'impulsion PWM, commandant l'interrupteur S'5, la tension Vc à travers le condensateur C'2 peut être maintenue à une valeur donnée, ce qui fait que VC peut varier entre une valeur égale à 0 lorsqu'un rapport cyclique est égal à 1 à une valeur Vs lorsque le rapport cyclique du régulateur VWM est égal à 0. En faisant varier la tension VR, aux bornes de C'2, la tension VR, aux bornes du primaire de TN et du secondaire de TA en série entre A et B peut également varier entre 0 et Vs en négligeant la chute de tension dans les diodes Ull à D"4 qui forment un pont redresseur. De cette sorte, la tension à travers le primaire du transformateur TA peut varier d'une valeur positive jusqu'à une valeur nulle, puis ensuite une valeur négative par rapport à la tension à travers le transformateur TM. Par conséquent, la tension primaire du transformateur TM peut être augmentée ou diminuée selon la valeur de VC conformément à l'équation n 5 cidessus. La figure 7 représente un mode de réalisation de la figure 6 avec un convertisseur en push-pull dans lequel seuls les interrupteurs S'1, S'2 sont conservés. En considérant seulement les valeurs en courant alternatif, on a VM = VS + VA (1) NA = NMVM - VC (2) NA(VM - VS) = NMVM - VC soit VM = (NAVs - VC) / (NA-NM) d'où VM/Vs = (NA - VC/VS) / (NA-NM) (3) Posons VM = (1 + t (4) l'équation (3) devient # = NM/(NA - NM) - (VC/VS)/NA - NM) (5) MAX = Nx/(NA - NM) (6) soit NA = NM (1 + # MAX) / #MAX (7) pour A = O, on a la condition Vc'/Vs = NM (8) VC' désignant la tension de commande permettant d'obtenir la valeur nominale de VM,# MIN désigne la valeur de ss donnant à VM sa valeur minimale, et en supposant #MIN = - on déduit de #MAX' l'équiation (6) MIN = (N%NMNM) (NA / (NA - NM) -2NM / (NA-NM) = (VC"/VS) (NA soit VC" = 2NMVS (9) VC" désignant la tension de commande permettant d'obtenir la valeur minimale de VM. Le rapport de transformation dépend de la valeur choisie par VC" et MAX Si par exemple # MAX = 0,5 et VC" = VS, alors on déduit de l'équation (8) NM = 0,5 et de l'équation (6) NA = 0,5 (1 + 0,05) / 0,05 = 10,5 Pour VM variant de + 5% autour d'une valeur nominale, le transformateur TA transmet 5% de la puissance et le régulateur de tension VC 10% de celleci, d'ou une efficacité élevée. Le fonctionnement en est par ailleurs sensiblement identique au mode de réalisation de la figure 6. REVENDICATIONS 1. Convertisseur de tension destiné à être utilisé avec une source de tension non régulée, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de courant alternatif non régulé alimenté par ladite source de tension- non régulée et alimentant en série le primaire d'un premier transformateur (T1) dont le secondaire alimente une charge et le secondaire d'un deuxième transformateur (T2) dont le primaire est connecté à un circuit de régulation lui-même alimenté par ladite source de tension non régulée, de telle sorte que le secondaire du deuxième transformateur (T2) présente à ses bornes une tension de régulation qui est une fraction de la tension de la source de tension non régulée. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de régulation comporte un régulateur bi-directionnel et en ce que le générateur de courant alternatif non régulé comporte un pont inverseur présentant quatre commutateurs (55, 56, 57, 58) aux bornes desquelles sont respectivement connectées quatre diodes (D5, D6, D7, D8). 3. Convertiseur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux commutateurs (53, 54) aux bornes desquelles sont respectivement connectées deux diodes (D1, D2) et qui sont eux-mêmes connectés chacun à une borne du primaire du deuxième transformateur (T2) et fonctionnent en synchronisme avec lesdits quatre commutateurs du pont inverseur. 4. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de mesure de la tension aux bornes de la charge et un détecteur de zéro permettant d'actionner l'un ou l'autre des deux commutateurs (53, 54) du primaire du deuxième transformateur (T2). 5. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le régulateur bi-directionnel est un générateur de signaux en dents dè scie. 6. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier transformateur (T1) comporte un deuxième secondaire connecté en série avec le secondaire du deuxième transformateur (T2) à travers un régulateur de commutation agencé pour contrôler la tension à ses bornes à une valeur donnée Vc. 7. Convertisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite valeur donnée est réglable entre une valeur 0 et une valeur maximale Vc de telle sorte que la tension aux bornes du secondaire du deuxième transformateur (T2) puisse varier continuement entre une valeur positive et une valeur négative par rapport à la tension aux bornes du primaire du premier transformateur (T1). 8. Convertisseur selon une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le régulateur de commutation comporte un pont redresseur a diodes.