Brevet FR2688360A1 — publié le 19930910

CONVERTISSEUR A DECOUPAGE AVEC RECUPERATION D'ENERGIE L'invention concerne un convertisseur comportant un transformateur, comportant un enroulement primaire et un enroulement secondaire, l'enroulement secondaire étant connecté à un premier élément redresseur, l'enroulement primaire étant connecté en série avec un premier interrupteur à semi-conducteur aux bornes d'une source de tension électrique, le convertisseur comportent des moyens de controle contrôlant 11 ouverture et la fermeture du premier interrupteur. Les convertisseurs d'énergie électrique à découpage, isolés galvaniquement, de types connus sont constitués par un transformateur d'isolement, des dispositifs de découpage ou d'inversion du courant dans le transformateur, des moyens de redressement primaire, si la source est en courant altertnatif, et des moyens de redressement secondaire si la charge doit etre en courant continu ou redressé. Le transformateur se compose généralement de deux enroulements, l'enroulement primaire relié au potentiel de la source et l'enroulement secondaire fournissant l'énergie électrique à la charge. De façon connue, les dispositifs de découpage ou d'inversion transforment le courant de la source (continu ou redressé) en un courant dont la fréquence est très élevée par rapport à celle d'un réseau de distribution électrique. Les dispositifs à découpage présentent l'ava-ntage de ne nécessiter qu'un seul interrupteur à semiconducteur. Les convertisseurs unidirectionnels à dispositif à découpage connu peuvent présenter deux modes de fonctionnement. Dans le premier mode de fonctionnement, de type "forward", le tranfert de 1 'énergie du primaire au secondaire du transformateur est directe. Le courant dans l'enroulement secondaire augmente ou diminue en même temps que celui de l'enroulement primaire. Dans le second mode de fonctionnement, de type "fly-back", le transfert de l'énergie entre le primaire et le secondaire du transformateur est différé. Lorsqu'une tension est appliquée sur l'enroulement primaire du transformateur, le courant secondaire est bloqué par un redresseur et reste nul, puis lorsque la tension primaire disparait la décroissance du courant primaire génère la sortie d'un courant secondaire. Tous ces convertisseurs possèdent un transformateur qui stocke de l'énergie dans ses inductances de fuite. Cette énergie doit être évacuée pour permettre un fonctionnement correct des convertisseurs. Dans la plupart des cas, cette énergie est dissipée dans un élément résistif qui affecte le rendement électrique des convertisseurs. D'autres systèmes proposent l'utilisation d'une capacité de résonance sur le primaire ou le secondaire du transformateur, mais cette solution ne satisfait pas tous les cas de fonctionnement et ne permet pas un contrôle simple du transfert d'énergie. L'invention a pour but d'améliorer le rendement électrique des convertisseurs en récupérant l'énergie emmagasinée dans les inductances de fuite du transformateur. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le convertisseur comporte des moyens de stockage de l'énergie emmagasinée dans des inductances de fuite du transformateur, les moyens de stockage étant connectés au point commun entre l'enroulement primaire et le premier interrupteur, et des moyens de restitution de ladite énergie connectés aux moyens de stockage, les moyens de contrôle étant connectés aux moyens de restitution. Selon un mode préféré de réalisation, les moyens de stockage de l'énergie emmagasinée dans les inductances de fuite du transformateur comportent un second élément redresseur en série avec un condensateur connectés en parallèle sur le premier interrupteur. Selon un mode préféré de réalisation, les moyens de restitution de l'énergie comportent un troisième élément redresseur en série avec un second interrupteur à semi-conducteur, connectés entre les moyens de stockage de l'énergie et une extrémité de l'enroulement primaire opposée à celle reliée au premier interrupteur. Dans un mode particulier de réalisation, le sens de branchement de l'enroulement secondaire du transformateur est inversé par rapport au sens de l'enroulement primaire, le premier élément redresseur étant connecté de manière à autoriser la circulation du courant dans l'enroulement secondaire lorsque l'interrupteur s'ouvre. Selon un mode différent de réalisation le sens de branchement de l'enroulement secondaire du transformateur est identique au sens de l'enroulement primaire, le premier élément redresseur étant connecté de manière à autoriser la circulation du courant dans l'enroulement secondaire lorsque l'interrupteur se ferme. Selon un développement de l'invention, les moyens de contrôle contrôlent la durée de fermeture des interrupteurs. La puissance de transfert maximale entre la source de tension et la sortie du convertisseur est contrôlée par la fréquence des cycles d'ouverture et de fermeture des interrupteurs ou par la durée de fermeture des interrupteurs. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et représenté aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente le schéma d'un convertisseur de type connu avec un dispositif d'absorption de l'énergie des inductances de fuite. La figure 2 représente le schéma d'un convertisseur avec un dispositif de stockage et de restitution de l'énergie des inductances de fuite, selon l'invention. La figure 3 représente le raccordement d'un convertisseur selon la figure 2 à une source de tension alternative. La figure 4 représente un cycle de fonctionnement d'un convertisseur selon les figures 2 et 3 pendant une période de transfert de l'énergie. La figure 5 représente la tension et le courant d'entrée d'un convertisseur selon la figure 3 connectés à une source de tension alternative. Un convertisseur continu-continu de type classique est représenté à la figure 1. Le but de ce type de convertisseur est de convertir une tension d'entrée continue ou redressée Ve en une tension de sortie, continue ou redressée, Vs. Les tensions d'entrée et de sortie sont isolées galvaniquement à l'aide d'un transformateur Tr comprenant un enroulement primaire 1 et un enroulement secondaire 2. L'enroulement secondaire est relié à un élément redresseur D2 en série avec un condensateur C2 aux bornes duquel est prélevée la tension de sortie Vs. La tension d'entrée Ve est découpée par un interrupteur statique 4 connecté en série avec l'enroulement primaire 1 aux bornes de la source 3. L'interrupteur statique 4 est commandé par un dispositif 5 de contrôle des cycles d'ouverture et de fermeture. Un élément redresseur D1 en série avec un circuit Rc, composé d'une résistance Ri en parallèle avec un condensateur C1, sont connectés en parallèle sur l'enroulement primaire 1. Ils permettent d'absorber l'énergie présente dans les inductances de fuite du transformateur lorsque l'interrupteur 4 s'ouvre. Le convertisseur de la figure 1 correspond à un montage de type "fly-back" où le transfert de l'énergie est différé. Lorsque l'interrupteur 4 se ferme, un courant s'établit dans l'enroulement primaire du transformateur. Mais les variations positives du courant Ip dans l'enroulement primaire 1 ne génèrent pas de courant dans l'enroulement secondaire à cause du sens de branchement de l'enroulement 2 et du redresseur D2. Lorsque l'interrupteur 4 s'ouvre, interrompant la liaison entre la source 3 et le transformateur Tr, le courant Ir fourni par la source s'annule, alors que le courant Ip dans l'enroulement primaire à tendance à persister. L'évacuation de ce courant Ip dû aux inductances de fuite du transformateur est faite à travers le redresseur D1 dans la résistance R1 et le condensateur C1. L'énergie ainsi dissipée dans la résistance R1 sous forme de chaleur est perdue. Les variations du courant primaire sont alors négatives et permettent donc une circulation du courant dans l'enroulement secondaire à travers le redresseur D2. La figure 2 représente le schéma d'un convertisseur incluant un mode préféré de réalisation de l'invention. Le convertisseur comporte des moyens de stockage de l'énergie emmagasinée dans les inductances de fuite du transformateur, et des moyens de restitution de cette énergie vers l'enroulement primaire du transformateur. Les moyens de stockage sont réalisés à l'aide d'un condensateur C3 en série avec le redresseur D1, connectés en parallèle sur l'interrupteur 4. Ainsi, dès que l'interrupteur 4 s ouvre, le courant Ip dans l'enroulement primaire charge le condensateur C3 à travers la diode D1. Lorsque le courant primaire s'annule, C3 est chargé à une tension plus élevée que celle de la source Ve. Le redresseur D1 évite la décharge du condensateur C3 vers l'interrupteur 4 lors de la fermeture de celui-ci. Les moyens de restitution de l'énergie stockée comportent un redresseur D3 et un interrupteur statique 6 connectés en série entre le point commun à la diode D1 et au condensateur C3 et l'extrémité de l'enroulement primaire du transformateur Tr, qui n'est pas connectée à l'interrupteur 4. La restitution de l'énergie est alors réalisée lorsque les deux interrupteurs 4 et 6 sont fermés. Le condensateur C3 se déchage alors à travers le redresseur D3, l'interrupteur 6, l'enroulement primaire 1 du transformateur T et l'interrupteur 4. La tension Vc aux bornes du condensateur C3 pouvant etre supérieure à la tension Ve de la source, il est nécessaire de bloquer le transfert de l'énergie stockée vers la source. Sur la figure 2, des moyens de blocage sont réalisés par un redresseur 4. Par les effets de blocage des redresseurs D3 et D4, la tension Vp appliquée à l'enroulement primaire du transformateur correspond à la plus élevée des tensions Ve et Vc. La charge du condensateur de stockage, qui se produit lors de l'ouverture de l'interrupteur 4, donne une tension VC équivalente à la somme de la tension Ve de la mesure d'alimentation 3, d'une surtension u créée par l'inductance de fuite et d'une tension Vs/k dans l'enroulement primaire représentative de la tension Vs aux bornes de l'enroulement secondaire et fonction du rapport k de transformation du transformateur. Les moyens de contrôle 5 commandent l'ouverture et la fermeture des interrupteurs 4 et 6. Leur but est d'assurer un stockage et une restitution efficaces de l'énergie des inductances de fuite du transformateur. Le stockage de l'énergie impose que l'interrupteur 6 ne reste pas fermé lorsque l'interrupteur 4 s'ouvre La restitution de l'énergie est possible lorsque les deux interrupteurs 4 et 6 sont fermés. La figure 3 représente un développement du mode de réalisation préférentiel de la figure 2. Dans ce cas la source 3 fournit une tension alternative Veac. Les moyens de blocage du transfert de l'énergie vers la source sont associés à des moyens de redressement de la tension alternative Veac. La source de tension alternative est connectée à un redresseur en pont D5 à D8 qui fournit en sortie la tension d'entrée Ve redressée du convertisseur. La figure 4 donne une représentation des courbes de différentes grandeurs présentées dans le convertisseur selon la figure 2, lors d'un cycle de transfert de l'énergie. Selon un mode particulier de réalisation et pour faciliter la description, les interrupteurs 4 et 6 s'ouvrent et se ferment en même temps. A l'instant to, les interrupteurs 4 et 6 sont fermés. La tension Vp aux bornes de l'enroulement primaire 1 du transformateur Tr est égale à la tension de stockage Vc dans le condensateur C3. Cette tension correspond à la somme Ve + (Vs/k) + u. Le courant Ip dans l'enroulement primaire augmente rapidement et les tensions Vp et Vc décroissent tant qu'elles sont supérieures à la tension Ve d'entrée. Le courant Is dans l'enroulement secondaire est nul. I1 est bloqué par le redresseur D2, dont le sens de branchement n'autorise pas le passage du courant lorsque les variations du courant dans l'enroulement primaire sont croissantes et positives. A l'instant tl, le transfert d'énergie est terminé, la tension Vc aux bornes du condensateur de stockage est égale à la tension d'entrée Ve et la tension aux bornes de l'enroulement primaire Vp correspond aussi à Ve. Le courant Ip croît avec une pente régulière et le courant secondaire Is reste bloqué. L'ouverture des interrupteurs 4 et 6 se produit à l'instant t2. Le courant Ir de la source est interrompu et le courant Ip dans l'enroulement primaire 1 charge le condensateur C3. La tension Vp aux bornes de l'enroulement primaire 1 s inverse et le transformateur se comporte comme un générateur. Pendant que le condensateur C3 se charge, le courant primaire Ip diminue jusqu'à s' annuler. Ces variations négatives du courant primaire génèrent alors un courant secondaire Is croissant dont la circulation est autorisée par la polarité du courant et le sens de branchement du redresseur D2. A l'instant t3, il n'y a plus d'énergie dans les inductances de fuite du transformateur, le courant primaire Ip s'annule et la charge du condensateur C3 est terminée. La tension Vc aux bornes du condensateur C3 est alors égale à la somme Ve + (Vs/k) + u. A partir de l'instant t3, le courant dans l'enroulement secondaire décrit, le condensateur C3 reste chargé puisque le redresseur Dl bloque sa décharge et l'interrupteur 6 est ouvert. La tension Vp de l'enroulement primaire ne dépend plus que de la tension secondaire et du rapport de transformation Is. A l'instant t4, le courant secondaire Is s'annule et le cycle de transfert est terminé. Les moyens de contrôle 5 sont conçus de façon à fermer les interrupteurs 4 et 6 après une période de transfert T supérieure à une période du cycle correspondant à un intervalle de temps compris entre les instants to et t4. Les impulsions du courant secondaire Is sont filtrées par un condensateur C2. Dans le convertisseur selon la figure 3, les impulsions du courant primaire Ip sont filtrées par le condensateur C4. Les impulsions de courant Ir prélevées sur la source d'alimentation ont des amplitudes proportionnelles à la tension d'alimentation. Lorsque la source est une tension alternative sinusoïdale (figure 3), les variations d'amplitude des impulsions suivent la forme de la tension Veac de la source. La figure 5 représente l'allure, en fonction du temps, des impulsions Ir et de la tension d'entrée Veac. La fréquence des impulsions étant supérieure à la fréquence du réseau, un filtrage de ces impulsions effectué par C4 transforme ce prélèvement en courant sinusoïdal, représenté sur la figure 5 par Ieac. Le mode de réalisation préférentiel décrit ci-dessus correspond à un convertisseur à transfert différé dit "fly-back". L'invention peut être appliquée à d'autres modes de réalisation, notamment les convertisseurs à transfert direct "forward". Dans ce cas, la seule différence par rapport aux schémas donnés en exemple dans les figures 1,2 et 3 est le sens de branchement de l'enroulement secondaire par rapport à l'enroulement primaire. Le même résultat peut être obtenu en inversant le sens du redresseur D2. Les variations de courant dans les enroulements primaire et secondaire sont alors simultanées, mais le transfert et le stockage de l'énergie dans le condensateur C3 sont inchangés. La source de tension alternative monophasée de la figure 3 peut être remplacée par une source triphasée, le redresseur étant adapté en conséquence. Les moyens de contrôle 5 commandent l'ouverture et la fermeture des interrupteurs suivant un cycle de transfert bien déterminé qui dépend des valeurs et des possibilités de transfert du transformateur. Selon un développement de l'invention, le contrôle du transfert de l'énergie, entre la source 3 et une charge d'utilisation connectée en sortie en parallèle sur le condensateur C2, est effectué par une modification du rapport cyclique entre les temps d'ouverture et les temps de fermeture des interrupteurs 4 et 6. Par exemple, si l'intervalle de temps compris entre les instants t2 et la fin de la période T, représentatif de l'état ouvert des interrupteurs, augmente, l'énergie transférée entre la source et l'utilisation diminue. Selon un autre mode de réalisation, une réduction de l'énergie de transfert est contrôlée par une diminution de l'intervalle de temps pendant lequel les interrupteurs sont fermés, ce qui a pour conséquence une limitation de la valeur maximale du courant primaire Ip. Les moyens de contrôle 5 peuvent également etre commandés par des moyens d'asservissement qui surveillent le niveau du courant secondaire Is ou de la tension de sortie Vs. REVENDICATIONS 1. Convertisseur comportant un transformateur (Tr), comportant un enroulement primaire (1) et un enroulement secondaire (2), l'enroulement secondaire étant connecté à un premier élément redresseur (D2), l'enroulement primaire étant connecté en série avec un premier interrupteur à semi-conducteur (4) aux bornes d'une source de tension électrique (3), le convertisseur comportent des moyens de contrôle (5) contrôlant l'ouverture et la fermeture du premier interrupteur (4), convertisseur caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (D1,C3) de stockage de l'énergie emmagasinée dans des inductances de fuite du transformateur, les moyens de stockage étant connectés au point commun entre l'enroulement primaire (1) et le premier interrupteur (4), et des moyens (6,D3) de restitution de ladite énergie connectés aux moyens de stockage, les moyens de contrôle (5) étant connectés aux moyens de restitution. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de stockage de l'énergie emmagasinée dans les inductances de fuite du transformateur (Tr) comportent un second élément redresseur (D1) en série avec un condensateur (C3) connectés en parallèle sur le premier interrupteur (4). 3. Convertisseur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de restitution de l'énergie comportent un troisième élément redresseur (D3) en série avec un second interrupteur à semi-conducteur (6) connectés entre les moyens de stockage de l'énergie et une extrémité de l'enroulement primaire apposée à celle reliée au premier interrupteur (4). 4. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (D4,D5 à D8) de blocage connectés entre la source (3) et le circuit série constitué par l'enroulement primaire (1) et le premier interrupteur (4) de manière à empêcher un transfert de l'énergiè stockée vers la source (3). 5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le sens de branchement de l'enroulement secondaire du transformateur est inversé par rapport au sens de l'enroulement primaire, le premier élément redresseur (D1) étant connecté de manière à autoriser la circulation du courant dans l'enroulement secondaire lorsque l'interrupteur (4) s' ouvre. 6. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le sens de branchement de l'enroulement secondaire du transformateur est identique au sens de l'enroulement primaire, le premier élément redresseur (D1) étant connecté de manière à autoriser la circulation du courant dans l'enroulement secondaire lorsque l'interrupteur (4) se ferme. 7. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de contrôle (5) contrôlent la fréquence des cycles d'ouverture et de fermeture des interrupteurs. 8. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de contrôle (5) contrôlent la durée de fermeture des interrupteurs.