Brevet FR2686748A1 — publié le 19930730

La présente invention concerne les circuits à découpage régulant le courant dans une charge. Nés dans les années 1960, les régulateurs à découpage à contrôle du courant ont de nombreux avantages par rapport aux régulateurs à modulation de durée d'impulsion: réjection intrinsèque des variations d'entrée, limitation automatique du courant, compensation fréquentielle aisée, temps de réponse amélioré, parallèlisation naturelle, simplicité, etc... Leur mise en oeuvre usuelle consiste à travailler à fréquence fixe en contrôlant uniquement la valeur crête du courant, sa dé- croissance étant impose par les paramètres d'impédance et de tension de la charge. Dans certains cas ces paramètres présentent une telle dynamique que l'excursion du courant de vient trop importante. On revient alors à une solution plus ancienne encore qui consiste à contrôler à la fois la valeur crête du courant (pendant sa croissance) et son excursion (pendant sa décroissance) la fréquence devenant tout à fait variable. Ce principe nécessite de pouvoir mesurer le courant à sa croissance et à sa décroissance, par exemple avec une sonde à effet HALL mise en série avec la charge. quand ce n'est pas possible, souvent pour des raisons de bande passante trop limitée, on utilise généralement deux sondes de mesure résistives ou captant une fraction image du courant de la charge, situées à des potentiels +ixes mais différents. Cette disparité des potentiels pose de sérieux problèmes de translation de niveaux, surtout lorsque l'on travaille à tension élevée. Certaines topologies de régulateur par exemple "Flyback à contrôle primaire , ne peuvent pas assurer, par leur principe même, la mesure de la décroissance du courant. Il faut alors "prédire" cette décroissance et plusieurs dispositifs inductifs ont déjà été proposés à cet effet, manquant toutefois de précision quand les paramètres de sortie varient largement, par exemple dans le cas d'une machine électrodynamique dont la tension électromotrice peut varier dans un rapport supérieur à 200. Par ailleurs, les dispositifs déjà existants ne peuvent s'adapter à des courants bidirectionnels (ponts en H), à moins d'entre doublés. C'est pourquoi l'invention a pour but de fournir un circuit à découpage de contrôle du courant utilisant la mé thode de prédiction de la décroissance du courant, le capteur de décroissance étant isolé galvaniquement de fanon à éviter l'usage de translateurs de niveaux entre potentiels diff6- rents, conservant une bonne précision pour une dynamique de tension de sortie supérieure à 200 et aisément adaptable dans le cas d'un courant bidirectionnel de la charge. Ce problème est résolu en convertissant le gradient temporel du courant de la charge en un échelon de tension isolée galvaniquement, puis en intégrant cet échelon dans un condensateur avec un circuit de précision à large dynamique après en avoir sélectionné la polarité convenable. 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 limitati+s, en révérence aux dessins ci-annexés sur lesquels: - La figure i représente un circuit réalisant avec deux channes distinctes la mesure de la croissance du courant et la prédiction de sa décroissance. - Les figures 2 à 5 offrent diverses solutions connues pour réaliser le circuit précédent. - La figure 6 représente une variante de circuit basée sur un échantillonneur-bloqueur traitant simultanément la croissance et la décroissance du courant. - Les figures 7 à 9 précisent diverses solutions de réalisation de la figure 6. Dans leur grande majorité, les régulateurs à découpage fonctionnent gracie à une inductance de puissance en série avec la charge, soit directement, soit au travers d'un transformateurs dont le courant oscille entre deux valeurs extrimes. ia tension aux bornes de cette inductance représente la dérivée du courant de la charge en fonction du temps et il est aisé d'en obtenir une image isolée galvaniquement, en bobinant un secondaire autour d'au moins une fraction de cette inductance, servant alors de capteur inductif. Pour reconstituer le courant à partir de cette information, I 'on doit compenser lreffet de la dérivation par une intégration temporelle conscutive, initialisée par la constante d'intégration adéquate. L'invention propose un circuit de contrôle du courant pour régulateur à découpage basé sur ce principe, une première variante utilisant une constante d'intégration fixe, une deuxième proposant un montage adaptatif La présentation sera tout d'abord faite avec des ensembles modulaires très généraux, puis plusieurs réalisations particulières seront proposées pour chaque module Pour faciliter la comparaison des modules de mOme type, leurs entrées/sorties homologues sont référencées identiquement. Le premier circuit, représenté par la figure 1, gère avec deux chaines distinctes la croissance et la décroissance du courant de la charge. Pendant la croissance, le signal fourni par des capteurs du courant de la charge référencés à un potentiel fixe est traité par le module interface d'adaptation 20, assurant selon les besoins les fonctions de protection, de sélection, d'amplification et d'inversion. Sa sortie VR est ensuite comparée à une consigne V1 de courant crête par le comparateur 427 de façon à désactiver la sortie d'une bascule d'état 43 des que la valeur crête autorisée est atteinte (les polarités d'entrée des comparateurs ne sont pas précisées, car dépendant de la polarité globale du montage). La décroissance du courant de la charge est prédite par une channe indépendante constituée du module 10, genérateur isolé galvaniquement d'ure courant proportionnel au gradient temporel du courant de la charge, ce générateur étant de po- larité commutable lorsque le courant de la charge est bidirectionnel, et du module 30 intégrateur de précision fournis- sant une tension VE proportionnelle à l'excursion de la décroissance du courant de la charge. Cette tension est compa- rée à une consigne V3 par le comparateur 41 de façon à réactiver la sortie de la bascule d'état 43 lorsque l'excursion souhaitée a été effectuées ce qui relance un nouveau cycle. Ta réalisation simplifiée du module 10 donnée en figure 1 s'applique à un courant unidirectionnel de la charge. Ce courant circule dans l'inductance 11, fraction ou totalité de 1 'inductance de puissance en série avec la charge, la tension à ses bornes A et B étant prélevée par le secondaire 12 isolé galvaniquement. La résistance 13, en série avec la résistance optionnelle 71, fait de ce module un générateur de courant proportionnel aux variations temporelles du courant de la charge (l'insertion d'une résistance 71 dans les branches C-E ou D-F permet de détecter à ses bornes l'éventualité d'une interruption du courant de la charge). La polarité de ce générateur de courant doit pouvoir etre inversée lorsque le sens du courant de la charge est inversé (quand celui-ci est bidirectionnel). Les figures 2 et 3 proposent deux exemples classiques d'inverseurs de polarité, l'un utilisant un inverseur complet à 4 interrupteurs, l'autre n'utilisant que deux interrupteurs mais nécessitant un secondaire 12 à point milieu (les interrupteurs pouvant bien sur entre réalisés avec des portes analogiques intégrées). La précision de cet étage tient à celle de l'inductance il, obtenue aisément avec un entrefer à air, et à celle des résistances 13 et 71 associées à celles des portes analogiques, de préférence apparies. L'intégrateur capacitif 30 de la figure 1 est un circuit de précision classique dont le suiveur de tension permet au potentiel du point F de suivre fidèlement celui du point E. Le courant fourni par le générateur 10 devient alors completement indépendant de la tension instantanée du condensateur 31. Ce montage est conseillé dans le cas d'un courant unidirectionnel de la charge, les amplificateurs suiveurs intégrés ayant généralement d'excellentes caractéristiques en tension de décalage et en vitesse de balayage. Le montage non moins classique de la figure 5, dit intégrateur capacitif à masse virtuelle, est par contre préférable dans le cas d'un courant bidirectionnel de la charge, car la tension constante des points E et F, égale à REF1, permet l'usage de portes analogiques simpllfiVes. L'intégrateur 30 est réinitialisé systématiquement à la tension REF1 pendant les phases de croissance du courant, en fermant l'interrupteur 32 réalisé de préférence avec un semiconducteur MOS ou JFET (ne présentant pas de tension de déchet). Ce montage procure une excursion de décroissance du courant proportionnelle à la différence entre V3 et REF1 . Sa précision, limitée par le courant de polarisation et la tension de décalage du circuit 33 ainsi que celle du comparateur 41, peut etre excellente grSce à la grande dynamique autorisée de V3-PEF1. On pourra bien entendu doter la bascule 43 d'entrées d'exception STOP et 50, permettant une activation et une disactivation prioritaires de cette bascule. Le module 20 est essentiellement une interface d'adaptation au type de capteurs de courant utilisé. Ainsi, il est rare que le module 2O ait besoin de deux entres, des circuits 21 de protection et d'un multiplexeur analogique 22, comme représenté sur la figure 1, ce cas correspondant par exemple à certains contrôleurs de courant quatre-quadrants. En effet, meme dans le cas d'un circuit en H contrôlant un courant bidirectionnel, il est souvent possible de ne disposer qu'une seule résistance de mesure du courant en série avec un des pâles d'alimentation. La tache est encore plus simple avec les composants de puissance récents, à miroirs de courant, fournissant une fraction image de leur courant principal. I1 suffit alors, comme indiqué par la figure 4, de relier ensemble les deux sorties de courant image des deux jambes du H, avant d'attaquer l'amplificateur à masse virtuelle 24 et éventuellement un amplificateur inverseur 23 L'ensemble de ces dispositions est à mEme d'offrir une précision remarquable, même lorsque la tension de sortie présente une dynamique très importante. Toutefois ce premier circuit ne peut s'adapter à des variations rapides de la consigne de courant crête Vi En effet, toute modification de Vi intervenant alors qu un cycle de décroissance est en cours ne sera prise en compte qu'à la fin de ce cycle, quelle qu'en soit la durée, ce qui peut Entre inacceptable dans certaines applications. I1 y a donc lieu de proposer une variante s'adaptant à des variations rapides des consignes, c'est le cas du circuit adaptatif décrit dans la figure 6. Ce circuit utilise les me mes modules 10 et 20 que précédemment décrits, mais se caractérise par un traitement unifié de la croissance et de la décroissance dans un module suiveur-bloqueur 50. Ce genre de circuit (track and hold chez les anglo-saxons) est bien connu de l'homme de l'art pour son utilisation de plus en plus fréquente en traitement du signal. Pendant la phase de croissance du courant de la charge, l'interrupteur 52 est ferme le module 50 se comportant alors comme un amplificateur de gain fixé par les résistances 55 et 56, sa source étant le module 20. Le signal VE est ainsi directement une image du courant de la charge et est comparé à la consigne Vi de courant crête autorisé. Des que cette va leur est atteinte, le comparateur 62 désactive la sortie de la bascule 63. Le potentiel REF2 peut entre non nul, de fanon à introduire une tension de décalage. L'interrupteur 52 est alors ouvert et le condensateur 51 se décharge à un rythme proportionnel au gradient de dé- croissance du courant de la charge, fourni par le module 10. Cette décroissance sera arrêtée dès que le signal VE atteint la consigne Vi-V2, V2 étant une tension proportionnelle à 1 r excursion souhaitée de la décroissance du courant de la charge. Le comparateur 61 réactive alors la sortie de la bascule 63 qui peut bien sur être dotée d'entrées d'exception STOP et 60 prioritaires. De cette façons toute variation des consignes Vi et V2 est immédiatement prise en compte que l'on soit en phase de croissance ou de décroissance. Le circuit de la figure 8 est une variante de suiveur-bloqueur bien connue de l'homme de 1 'art. Elle présente les mimes avantages que ceux de la +i- gure 5, à savoir une masse virtuelle qui permet aux interrupteurs analogiques de travailler à un potentiel fixe. Le comparateur 60 de la figure 6, comparant un signal VE à deux seuils haut et bas, est dit comparateur à fenêtre. Ce type de comparateur peut etre remplacé par le comparateur à seuil variable décrit en figure 7, avantagé par une très grande rapi- dité de déclenchement (par une torte réaction positive) et un faible nombre de composants. Son multiplexeur analogique peut être réalise très simplement en Fig 9 avec un paire diffe- rentielle 91 et 92 qui soustrait ou non à la tension V1 une tension vS aux bornes de la résistance 93. Ce deuxième circuit (Fig 6) a l'avantage de ne pas réclamer l'amplificateur éventuel du module 20, cette fonction pouvant etre réalisée par le suiveur-bloqueur. Il est évident aux yeux de l'homme de l'art que les circuits des figures t et 6 s'adaptent à la mesure de tensions aussi bien positives que négatives, les polarités des entées des comparateurs 40 et 60 étant choisies de manière adéquate. L'invention s'applique principalement aux circuits de contrôle du courant dans les régulateurs de puissance à découpage, particulièrement à haute fréquence. REVENDICATIONS 1- Circuit à découpage contrfllant la valeur créte à la croissance et l'excursion de décroissance du courant dans une charge caractérisé en ce que la mesure de la valeur crête du courant de la charge est faite par des capteurs ré+érencés à un potentiel fixe dont le signal est traité par un module 20 d'adaptation assurant selon les besoins les fonctions de sé- section, de protection, d'amplification et d'inversion, ce module 20 fournissant un signal VR proportionnel au courant de la charge qui est comparé à une tension de consigne Vî par un comparateur 42 de façon à désactiver la sortie d'une bascule d'état 43 lorsque cette consigne est atteinte, et caractérisé en ce que l'excursion de décroissance du courant de la charge est prédite au sein d'un module 10 grâce à un capteur inductif 11 en série avec la charge fournissant à ses bornes A et E une tension proportionnelle au gradient temporel du courant de la charge, cette tension étant prélevée et isolée galvaniquement par un secondaire 12 puis transformée en courant par un réseau résistif, ce courant étant intégré par un module 30 integrateur capacitif de précision dont la sortie VE est comparée à une consigne VS par un comparateur 41 de fanon à réactiver la sortie de la bascule 43 lorsque cette consigne est atteinte, cet intégrateur 30 étant initialisé à un potentiel de référence REFi pendant la phase de croissance du courant de la charge. 2- circuit selon la revendication précédente modifié en ce que les sorties des modules 10 et 20 sont traitées dans un môme module 50 suiveur-bloqueur, configuré d'une part pendant la phase de croissance du courant de la charge en suiveur du signal VR fourni par le module 20 avec un gain éventuel fixé par les résistances 55 et 56, la sortie VE du module 50 étant alors comparée à une consigne haute V1 par un comparateur 62 de façon à désactiver la sortie d'une bascule d'état 63 dès que cette consigne est atteinte, et configuré d'autre part pendant la phase de décroissance du courant de la charge en bloqueur dont le condensateur 52 intègre le courant généré par le module 10 de façon à ce que la tension de sortie VE prédise avec précision la décroissance du courant de la charge et soit comparée à une consigne basse V1-V2 par un comparateur 6t, V2 étant une tension proportionnelle à l'excursion souhaitée du courant de la charge, pour réactiver la bascule 63 dès que VE est égale à Vi-V2. 3- Circuit selon la revendication précédente caracterigE en ce que les comparateurs 61 et 62 sont remplacés par un unique comparateur à seuil variable dont le seuil est successivement égal à Vi pendant la phase de croissance du courant de la charge puis a V1-V2 pendant la phase de decrois- sance du courant de la charge. 4- Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le module 20 est adapté pour traiter le courant image du courant de la charge fourni par les semi-conducteurs à miroir de courant, par un premier étage amplificateur à masse virtuelle 24, puis par un even- tuel étage 23 amplificateur inverseur. 5- Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la polarité du courant fourni par le module 10 est sélectionnable par un dispositif inverser lorsque le courant de la charge est bidirectionnel.