Brevet FR2709386A1 — publié le 19950303

DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif électronique permettant d'isoler une source d'énergie électrique sans utiliser de circuit magnétique. Un isolement électrique peut se réaliser à l'aide d'un transformateur électromagnétique;composé au moins d'un enroulement primaire, d'un circuit magnétique et d'un enroulement secondaire.Ce type de transformateur permet un bon isolement d'énergie électrique, mais malgré les progrès éffectués au niveau des circuits magnétiques,leur miniaturisation reste limitée.De plus ils engendrent des perturbations électromagnétiques. On peut également obtenir un isolement électrique grace aux circuits opto-électriques.Généralement une photo-diode émet une lumière de longueur d'onde variable,et polarise un photo-transistor qui devient alors" conducteur".Ce type d'isolement est un isolement de signal,non d'énergie et nécessite donc deux sources d'énergie isolées. Le"transformateur électronique à isolement électrostatique", n'utilisant pas de circuit magnétique,ne génère pas de perturbations électromagnétiques.Il n'est composé que de "silicium" ou composants"discrèts",plus facilement intégrables. I1 permet d'obtenir à partir d'une source d'énergie électrique, une autre source d'énergie électrique isolée de la précédente. De même à partir d'un signal électrique on obtient un autre signal électrique en phase avec le prédédant,et isolé électriquement.Ni la technologie ni la nature des composants à utiliser,ne sont figées;les avantages au niveau applicatif les définiront.Ainsi la vitesse,la consommation, le coût,la facilité d'intégration ... orienterons sur telle ou telle technologie ( jonction;Cmos,HC,HCT,ACT,BCT,LVT...);sur telle ou telle nature de composants(transistor Mos,jonction...) (diode classique,shottky...)(élement capacitif plastique,céramique...) Le principe permettant d'obtenir un dispositif présentant en sortie une source d'énergie électrique isolée de la source d'énergie électrique présente à l'entrée est représenté figure 1. Ce dispositif comporte au moins deux étage d'éléments capacitifs (A1,B1) associé chacun à un étage réspectif de pompage de charge (A,B).Le premier étage de pompage (A), chargeant et déchargeant à partir de l'énergie d'entrée ("principale") les élements capacitifs du premier étage d'éléments capacitifs (Al).Chacun des étage de pompage succéssifs (B), chargeant et déchargeant à partir de l'énergie de sortie de l'étage d'éléments capacitifs précédents (Al),les éléments capacitifs de l'étage d'éléments capacitifs correspondant (B1).L'énergie de sortie (isolée) étant constituée par l'énergie de sortie du dernier étage capacitifs. La fréquence de pompage et les commandes de commutation du premier étage de pompage sont générées par le sous étage (C), à partir de l'énergie d'entrée "principale".La synchronisation et les commandes de l'étage suivant sont obtenues par le sous étage (D) à partir de l'énergie intermédiaire. L'étage (A) charge et décharge à partir de l'énergie "principale"des élements capacitifs de I'étage(Al). Se trouve alors en sortie de l'étage (A1) de l'énergie électrique disponible: énergie "intermédiaire". L'étage (B) charge et décharge à partir de l'énergie "intermédiaire",des élements capacitifs de l'étage (B1). Se trouve alors en sortie de l'étage (B1) de l'énergie électrique disponible: énergie "isolée". Le sous étage (C) génère la fréquence de pompage ainsi que les commandes de commutation de charge et de décharge (A/A1). Le sous étage (D) se synchronise sur la fréquence de pompage et génère les commandes de commutation de charge et de déchargee(B/B1). (D) est alimenté par l'énergie intermédiaire et se synchronise sur la fréquence de pompage déja isolée électrostatiquement, disponible au niveau de l'étage capacitif (Al);évitant ainsi une synchronisation isolée complexe. L'isolement entre énergie "principale" et énergie "intermédiaire" est correct aux commutations de charge et de décharge (A/A1) près. L'isolement entre énergie "intermédiaire" et énergie "isolée est correct aux commutations de charge et de décharge (B/Bl)près. Les sous étages(C)et(D)synchronisent les commutations de charge et de décharge des etages(A/Al)et(B/Bl)obtenant alors un véritable isolement électrique entre énergie "principale" et énergie "isolée". Chaque étage d'éléments capacitifs est constitué (figure 2) par deux éléments capacitifs d'entré : Ci,par un élément capacitif de sortie : Cs,et entre les éléments capacitifs d'entré et de sortie un ensemble d'éléments assurant les fonctions de redressement et de polarisation.La configuration "redressement/polarisation" peut varier en fonction du sens de commutation de l'étage précédent et de l'énergie souhaitée en sortie. Les commandes de commutation de charge et de décharge (pompage de charge) sont effectuées de manière à synchroniser les commutations des différents étages (A/A1,B/B1) en fréquence mais pas en phase.La non concordance des signaux de commande de commutation(et donc des commutations) de deux étages succéssifs garantie l'isolement électrique entre l'entrée et la sortie. Chaque étage de pompage se comporte comme deux interrupteurs assynchrones (figure 3),permettant une commutation d'énergie sur le point de sortie commun aux deux interrupteurs. V1,V2 étant les deux potentiels électriques de la source d'énergie électrique.Hl,H2 étant les deux interrupteurs (transistors,triacs...).I1,I2 étant les deux entrées de commande de commutation des interrupteurs.S1,S2 étant les deux sorties de pompage de charge ou S2 est la sortie active. La figure 4 représente un schéma électrique opérationnel de "transformateur électronique à isolement électrostatique". La source d'énergie "principale" est une tension continue : Vin; l'énergie "intermédiaire" : Vx ,et l'énergie" isolée" : Vout. L'étage pompage de charge (A) se compose de deux transistors NPN, T1 et T2. L'étage (Al) réalise l'isolement électrostatique via C1 et C2, l'énergie "intermédiaire" étant alors disponible aux bornes de C3. L'étage pompage de charge (B) se compose de deux transistors NPN T3 et T4. L'étage (B1) réalise l'isolement électrostatique via C4 et C5, l'énergie "isolée" étant alors disponible aux bornes de C6. L'étage (C) est essentiellement composé d'un circuit intégré : P, dans lequel se trouvent six "portes" trigger de Schmitt inverseurs. P est alimenté à partir de la source d'énergie "principale". P1 est utilisé en astable et génère la fréquence de pompage. P2,P3,P4,P5 et P6,mettent en forme et définissent les commandes de commutation de charge et de décharge de l'étage (A) via T1 et T2; de manière à ce que charge et décharge soient de même fréquence mais de phase décalée. L'étage (D) est essentiellement composé d'un circuit intégré: S, dans lequel se trouvent six "portes" trigger de Schmitt inverseurs. S est alimenté à partir de la source d'énergie "intermédiaire". S1,S2,S3,S4,S5 et S6 mettent en forme et définissent les commandes de commutation de charge et de décharge de l'étage (B) via T3 et T4. On obtient alors un déphasage entre charge et décharge de l'étage (B),mais également un déphasage par rapport à l'étage de pompage précédent (A).Il en résulte un véritable isolement électrique entre l'entrée principale et la sortie isolée. La quantité d'énergie "isolée" disponible est directement fonction de la fréquence de pompage et des éléments capacitifs de pompage; C1,C2 et C3,C4. La valeur d'isolement entre source d'énergie principale" et énergie "isolée" est fonction des élements capacitifs; C1,C2 et C3,C4. Le concept d'isolement électrique est fondamental dans de nombreux domaines. Le "transformateur électronique à isolement électrostatique" de par son principe et ses constituants est tout ou partie intégrable en circuit intégré. On peut donc concevoir une génération de composants électroniques intégrant un isolement électrique sans source d'énergie isolée supplémentaire;réduisant ainsi le nombre d'éléments nécessaires à une application donnée.Ceci aussi bien dans le domaine numérique,qu'analogique. On peut aussi concevoir des convertisseurs continu/continu exploitant l'isolement électrostatique afin de ne pas utiliser de circuit magnétique;ceci décliné à tous les types de convertisseurs; inversseurs, élévateurs, abaisseurs... On peut de même concevoir des alimentations ou chargeurs secteurs,isolés sans tranformateur électromagnétique volumineux. L'étage de pompage étant réalisé avec les éléments les mieux adaptés à chaque application, transistors,triacs,thyristors... On peut également concevoir de remplacer les transformateurs électromagnétiques d'impulsion qui nécessitant le transfert d'énergie pulsée isolée peuvent prendre des formes relativement volumineuses. On peut encore concevoir un "transformateur électronique à isolement électrostatique" avec une contreréaction de la source d'énergie isolée sur la fréquence de pompage(figure 5).La fréquence de pompage n'est plus fixe mais variable, asservie à l'énergie électrique isolée.L'asservissement se faisant par contreréaction isolée suivant le même principe en sens inverse,on obtient alors une régulation de source d'énergie électrique isolée. REVENDICATIONS 1) Dispositif électronique permettant d'isoler une source d'énergie électrique sans utiliser de circuit magnétique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux étage d'éléments capacitifs (Al,B1) associé chacun à un étage réspectif de pompage de charge (A,B).Le premier étage de pompage (A), chargeant et déchargeant à partir de l'énergie d'entrée (principale) les élements capacitifs du premier étage d'éléments capacitifs (Al).Chacun des étage de pompage succéssifs (B), chargeant et déchargeant à partir de l'énergie de sortie de l'étage d'éléments capacitifs précédents (Al),les éléments capacitifs de l'étage d'éléments capacitifs correspondant (Bl).L'énergie de sortie ("isolée") étant constituée par l'énergie de sortie du dernier étage capacitifs. La fréquence de pompage et les commandes de commutation du premier étage de pompage sont générées par le sous étage (C), à partir de l'énergie d'entrée "principale".La synchronisation et les commandes de l'étage suivant sont obtenues par le sous étage (D) à partir de l'énergie intermédiaire. 2) Dispositif selon la revendication 1,caractérisé en ce que chaque étage d'éléments capacitifs est constitué (figure 2) par deux éléments capacitifs d'entré : Ci,par un élément capacitif de sortie : Cs,et entre les éléments capacitifs d'entré et de sortie un ensemble d'éléments assurant les fonctions de redressement et de polarisation.La configuration "redressement/polarisation" peut varier en fonction du sens de commutation de l'étage précédent et de l'énergie souhaitée en sortie. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce que les commande de commutation de charge et de décharge (pompage de charge) sont effectuées de manière à synchroniser les commutation des différents étages (A/Al,B/B1) en fréquence mais pas en phase.La non concordance des signaux de commande de commutation(et donc des commutations) de deux étages succéssifs garantie l'isolement électrique entre l'entrée et la sortie. 4) Dispositif selon l'une quelconquedes revendications précédentes ,caractérisé en ce que chaque étage de pompage se comporte comme deux interrupteurs assynchrones (figure 3), permettant une commutation d'énergie sur le point de sortie commun aux deux interrupteurs.V1,V2 étant les deux potentiels électriques de la source d'énergie électrique.Hl,H2 étant les deux interrupteurs (transistors,triacs...).I1,I2 étant les deux entrées de commande de commutation des interrupteurs. S1,S2 étant les deux sorties de pompage de charge ou S2 est la sortie active. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce que l'étage (D) alimenté par l'énergie intermédiaire se synchronise sur la fréquence de pompage déja isolée électrostatiquement,disponible au niveau de l'étage capacitif (Al);évitant ainsi une synchronisation isolée complexe. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précedentes caractérisé en ce que la fréquence de pompage n'est plus fixe mais variable, asservie à l'énergie électrique isolée.L'asservissement se faisant par contreréaction isolée suivant le même principe en sens inverse,on obtient alors une régulation de source d'énergie électrique isolée.(figure : 5).