Brevet FR2688359A1 — publié le 19930910

"Alimentation ou convertisseur électrique à transfert direct a d'énergie La présente invention concerne toutes les alimentations et tous les convertisseurs dits à transfert direct d'énergie, et connus aussi comme convertisseurs du type "forward", qu'ils soient résonnants ou non. Ces dispositifs électroniques, assurant une conversion courant alternatif / courant continu (alimentations) ou courant continu / courant continu (convertisseurs proprement dits), doivent être à isolement galvanique et utilisent à cet effet, dans la chaîne de transfert direct de l'énergie, un transformateur de puissance abaisseur ou élévateur de tension. De tels convertisseurs sont connus, par exemple, par la demande de brevet français NO 2608857 ou par le brevet US NO 4415959. Le transformateur de puissance comprend deux enroulements, l'un primaire qui a sa borne d'entrée reliée à une source de tension et sa borne de sortie reliée au drain d'un transistor MOS de puissance, et l'autre secondaire qui est relié à une diode de redressement et, par l'intermédiaire, d'un circuit de filtrage, à la charge à alimenter. L'inductance de fuite de ce transformateur peut être utilisée comme inductance de résonnance, dans le cas d'une alimentation ou d'un convertisseur à résonnance. Le transistor MOS, constituant l'organe de commutation, a sa source reliée à la masse, et sa grille reliée à un circuit de commande. il présente entre le drain et la source une capacité parasite de sortie notée Coss, qui varie en fonction de la tension drain-source et dans le sens inverse de cette tension. Quand le transistor MOS passe à l'état bloqué, sa capacité de sortie Coss agit en série avec l'inductance du primaire du transformateur, ce qui constitue un circuit résonnant du type "LC" en série, si l'on néglige la résistance de l'enroulement primaire du transformateur. Le transformateur est caractérisé par son inductance primaire qui est son inductance magnétisante. L'inductance magnétisante Lm du transformateur est définie par la perméance Al du circuit magnétique et par le nombre de spires N1 de son enroulement primaire, selon la formule Lm=Al. (Ni)2 Pour éviter la saturation du transformateur lors du transfert d'énergie de la source vers la sortie, une fraction de cette énergie est emmagasinée dans l'inductance magnétisante sous forme d'énergie magnétisante 2 Lm. 1m2 (Im étant le courant magnétisant). Lorsque le transistor MOS de puissance passe à l'état bloqué, l'énergie magnétisante 2 Lm. 1m2 stockée dans l'inductance magnétisante doit être évacuée, pour assurer le fonctionnement normal du système en régime permanent. A cet effet, on prévoit actuellement un circuit additionnel de démagnétisation du transformateur, en ajoutant au circuit de puissance soit un troisième enroulement en série avec une diode, soit un réseau à résistance, condensateur et diode, en parallèle avec l'enroulement primaire du transformateur ; une autre solution connue pour la démagnétisation consiste à utiliser un montage en demi-pont, avec un deuxième transistor MOS de puissance. Dans tous les cas, des composants additionnels, spécialement affectés à la fonction de démagnétisation, doivent être prévus. Ces composants sont d'autant plus nombreux que le circuit de démagnétisation proprement dit nécessite lui-même un circuit de commande. La présente invention permet de supprimer tout circuit additionnel de démagnétisation, en montrant que, de façon surprenante, l'énergie magnétisante stockée dans l'inductance magnétisante peut être évacuée sans ajouter d'autres composants du transformateur, en rendant fonctionnels des éléments considérés jusqu'à présent comme parasites, ce qui conduit à des réalisations plus simples, plus légères, plus compactes, plus fiables et plus économiques. A cet effet, l'invention a pour objet une alimentation ou un convertisseur électrique à transfert direct d'énergie, du type "forward", comportant un transformateur de puissance dont le primaire appartient à un circuit de puissance apte à être relié à une source de tension continue et comportant un transistor MOS de puissance avec circuit de commande constituant organe de commutation, qui possède entre son drain et sa source une capacité parasite de sortie en série avec l'inductance magnétisante du primaire du transformateur, tandis que l'enroulement secondaire du transformateur appartient à un circuit comprenant un organe de redressement et des moyens de filtrage pour l'alimentation d'une charge, l'alimentation ou le convertisseur étant caractérisé en ce que, pour assurer sans composants additionnels l'évacuation de l'énergie magnétisante stockée dans l'inductance magnétisante, lorsque le transistor MOS de puissance passe à l'état bloqué, l'inductance magnétisante du primaire du transformateur vérifie la relation 16 16 (toff max)2 x Lm s 9 2 X CDS1 dans laquelle - toff max est le temps de blocage maximal, correspondant à la fréquence minimale de commande du transistor MOS, et - CDS1 est la valeur de la capacité parasite de sortie de ce transistor MOS à la tension drain-source maximum. L'idée inventive consiste donc à utiliser un élément parasite, à savoir la capacité parasite de sortie du transistor MOS, pour évacuer entièrement l'énergie magnétisante, l'inductance magnétisante se déchargeant à travers cette capacité parasite. L'invention est applicable à une alimentation ou un convertisseur électrique forward comprenant des composants résonnants dans sa partie primaire ou dans sa partie secondaire. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, deux formes d'exécution de cette alimentation ou de ce convertisseur électrique à transfert direct d'énergie Figure 1 est un schéma électrique complet d'un convertisseur selon l'invention, avec résonnance secondaire Figure 2 est un schéma électrique partiel, illustrant une variante de l'invention avec résonnance primaire. La figure 1 montre, à gauche, la partie "primaire" et, à droite, la partie "secondaire" d'un convertisseur électrique à transfert direct d'énergie, avec résonnance secondaire. La partie primaire comprend un circuit de puissance P incluant l'enroulement primaire, caractérisé par son inductance magnétisante Lm, d'un transformateur T. La borne d'entrée du primaire du transformateur T est reliée à une source de tension continue d'entrée Ve. La borne de sortie de ce primaire est reliée au drain D d'un transistor MOS de puissance TR, dont on a symbolisé en D1 la diode inverse et par Coss la capacité parasite de sortie, située entre le drain D et la source S (reliée à la masse) de ce transistor MOS, ladite capacité parasite Coss se trouvant en série avec l'inductance Lm. La grille G du transistor NOS est reliée à un circuit de commande CC. La partie secondaire comprend l'enroulement secondaire, caractérisé par son inductance L2, du transformateur T, ainsi que les composants suivants - inductance de résonnance (fictive) Lr du transformateur T - diode de redressement D2 - condensateur de résonnance Cr diode de roue libre D3 - inductance de lissage Ls - condensateur de sortie Cs. Le circuit comprenant les composants précédents alimente une charge Rs, sous une tension de sortie notée Vs, le courant parcourant la charge étant désigné par Is. A la mise sous tension initiale, il y a, dans une première étape, augmentation du courant magnétisant Im dans le circuit de puissance P de la partie primaire, qui dure un certain temps tl imposé par la valeur du courant Is dans la charge Rs et par les valeurs des composants résonnants Lr et Cr. La deuxième étape consiste en une variation presque sinusoïdale du courant dans le même circuit de puissance P. Cette étape dure un certain temps t2, au bout duquel le transistor MOS de puissance TR coupe un courant magnétisant Im en introduisant des pertes par commutation négligeables dans le transistor MOS de puissance TR. Dans une troisième étape, le transistor MOS de puissance TR est à l'état bloqué, et il le reste pendant un temps de blocage toff. La partie primaire se comporte alors comme un circuit résonnant série de type "LC", formé par l'inductance magnétisante Lm du transformateur T (à laquelle s'ajoute l'inductance de résonnance Lr si celleci est au primaire comme illustré par la figure 2), d'une part, et par la capacité parasite de sortie Coss du transistor MOS de puissance TR. Cette capacité de sortie Coss possède sa valeur la plus grande à l'instant initial de l'étape de fonctionnement ici décrite. A ce moment apparaît un phénomène de transfert d'énergie entre l'inductance magnétisante Lm du transformateur T, ladite capacité parasite de sortie Coss et la source de tension Ve qui forment un circuit fermé. Ceci permet une réinitialisation de l'état du transformateur T, c'est-à-dire sa démagnétisation complète, à chaque cycle de transfert d'énergie. Pour que cette démagnétisation ait le temps de s'effectuer correctement et complètement, il faut que l'inductance magnétisante Lm du transformateur T vérifie la relation suivante 16 o 16 (toff max)2 x Lm s 9 2 X CDS1 dans laquelle - toff max désigne le temps de blocage maximal, correspondant à la fréquence minimale de commande du transistor MOS - CDS1 est la valeur de la capacité parasite de sortie Coss à la tension drain-source maximum. Pour que la réalisation pratique vérifie la formule précédente, il faut déterminer judicieusement l'inductance magnétisante Lm et/ou choisir le transistor MOS de puissance TR de façon adaptée. Plus particulièrement : - reprenant la formule Lm = Al. (Ni)2 donnée plus haut, on agit sur la perméance Al du circuit magnétique, imposant le choix du transformateur T, et/ou - le transistor MOS est choisi selon des critères électriques et la valeur CDS1 de sa capacité parasite de sortie à sa tension drain-source maximum. L'invention est aussi applicable à une alimentation ou un convertisseur du genre concerné, avec résonnance primaire comme illustré par la figure 2. Dans le circuit P, l'inductance de résonnance Lr est ici placée en série avec l'inductance magnétisante Lm, et le condensateur de résonnance Cr est monté en parallèle avec l'inductance magnétisante Lm, ces composants résonnants étant supprimés dans la partie secondaire qui n'est pas représentée. La valeur de l'inductance de résonnance Lr est pratiquement négligeable devant celle de l'inductance magnétisante Lm, lorsque cette dernière intervient dans sa fonction de démagnétisation ; le fonctionnement d'ensemble n'est donc pas sensiblement modifié par rapport à la description précédente. Par ailleurs, on notera que l'invention est applicable à une alimentation ou un convertisseur "forward" avec ou sans circuit connu d'secrétage de surtension (non représenté), protégeant le transistor MOS de puissance. REVENDICATIONS 1. Alimentation ou convertisseur électrique à transfert direct d'énergie, du type "forward", comportant un transformateur de puissance (T) dont l'enroulement primaire appartient à un circuit de puissance (P) apte à être relié à une source de tension continue (Ve) et comportant un transistor MOS de puissance (TR) avec circuit de commande (CC), constituant organe de commutation, qui possède entre son drain (D) et sa source (S) une capacité parasite de sortie (Coss) en série avec l'inductance magnétisante (Lm) du primaire du transformateur (T), tandis que l'enroulement secondaire du transformateur (T) appartient à un circuit comprenant un organe de redressement (D2) et des moyens de filtrage (Ls, Cs) pour l'alimentation d'une charge (Rs), caractérisé en ce aue, pour assurer sans composants additionnels l'évacuation de l'énergie magnétisante stockée dans l'inductance magnétisante (Lm), lorsque le transistor MOS de puissance (TR) passe à l'état bloqué, l'inductance magnétisante (Lm) du primaire du transformateur (T) vérifie la relation 16 (toff max)2 Lm B x CDSi 9w2 dans laquelle - toff max est le temps de blocage maximal, correspondant à la fréquence minimale de commande du transistor MOS et, - CDS1 est la valeur de la capacité parasite de sortie (Coss) de ce transistor MOS à la tension drainsource maximum. 2. Alimentation ou convertisseur électrique à transfert direct d'énergie, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des composants résonnants (Lr, Cr) dans sa partie primaire. 3. Alimentation ou convertisseur électrique à transfert direct d'énergie, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des composants résonnants (Lr, Cr) dans sa partie secondaire.