Brevet FR2698500A1 — publié le 19940527

Circuit interrupteur électronique de moyenne ou forte puissance. et convertisseur de tension continu-continu en faisant application. La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux circuit interrupteurs électroniques de moyenne ou forte puissance, à faibles pertes de commutation et protégés contre l'influence électromagnétique ambiante, ainsi qu'aux convertisseurs de tension continu-continu pour moyenne ou forte puissance, à faibles pertes de commutation et protégés contre l'influence électromagnétique ambiante. Dans les interrupteurs électroniques de moyenne ou forte puissance fonctionnant à des vitesses élevées, les pertes de commutation deviennent prohibitives particulièrement lorsque la charge à commuter est selfique. Cette difficulté est généralement résolue par l'adjonction d'un réseau "d'aide à la commutation" qui, lors des commutations, permet de faire travailler l'interrupteur à tension nulle ou à courant nul, ce qui réduit considérablement, voire annule les pertes. Un exemple très couramment employé d'interrupteur électronique associé à un réseau d'aide à la commutation est représenté à la fig. 1 du dessin annexé. Ce circuit est simple à mettre en oeuvre et ne comporte qu'un nombre réduit de composants, savoir - une inductance LR montée en série avec la charge A dont l'autre borne est raccordée à une borne de tension d'alimentation V, cette inductance LR pouvant éventuelle ment n'être que la propre composante selfique de la charge A ; et - un condensateur Cor monté en série avec une diode DR aux bornes de laquelle est connectée en parallèle une résis tance R R' l'ensemble étant connecté en parallèle aux bornes d'un interrupteur I dont la borne de sortie est raccordée à l'autre pôle de tension d'alimentation. Lors de la fermeture de l'interrupteur I, la présence de l'inductance LR en série avec la charge fait que la commutation s'effectue à courant nul, l'inductance LR retardant et contrôlant l'établissement du courant dans la charge A. Lors de l'ouverture de l'interrupteur I, le courant continue de circuler en passant par la diode DR pour charger le condensateur CR. Dans ces conditions, l'ouverture de l'interrupteur s'effectue à tension nulle, la tension aux bornes du condensateur CR, donc aux bornes de l'interrupteur I (à la tension aux bornes de la diode DR près), s'élevant progressivement suivant l'équation de charge donnée par le condensateur C R' l'inductance LR et la charge A ; le condensateur CR cesse de se charger lorsque toute l'énergie magnétisante de l'inductance LR lui a été transférée. La décharge du condensateur CR s'effectue à travers la résistance RR lors de la phase suivante de conduction de l'interrupteur I. Cette solution connue présente certes l'avantage de supprimer les pertes de commutation, mais présente par contre l'inconvénient que toute l'énergie magnétisante accumulée dans l'inductance LR lorsque l'interrupteur I est passant est transférée ensuite dans le condensateur CR lors de l'ouverture de l'interrupteur I, pour être ensuite dissipée dans la résistance RR lors de la phase suivante de conduction de l'interrupteur I. Il en résulte des pertes sensibles dans des circuits fonctionnant à fréquence élevée. On connaît certes des solutions permettant de remédier à cet inconvénient, mais cela conduit à accroître la tension aux bornes de l'interrupteur I, lequel est constitué en pratique par un transistor ou un ensemble de transistors qui doivent alors être choisis avec des caractéristiques plus élevées et qui sont par conséquent plus chers; il en résulte également une plus grande difficulté pour assurer une modulation en largeur. D'une façon générale, le circuit devient plus complexe et plus onéreux. Par ailleurs, ces circuits interrupteurs connus sont sensibles aux perturbations électromagnétiques ambiantes, ce qui limite leurs possibilités d'utilisation dans certains domaines d'application en atmosphère perturbée électromagnétiquement. L'invention a essentiellement pour but de remédier aux inconvénients des circuits interrupteurs électroniques connus et de proposer un circuit perfectionné qui donne mieux satisfaction aux diverses exigences de la pratique, en particulier qui présente des pertes moindres pour des fréquences de fonctionnement élevées, qui demeure de structure simple, avec peu de composants et qui soit peu coûteux, et qui présente une bonne immunité contre les perturbations électromagnétiques ambiantes. A ces fins, un circuit interrupteur électronique tel que précité, étant agencé conformément à l'invention, se caractérise essentiellement en ce qu'il comprend un circuit interrupteur primaire, en soi connu, fonctionnant en tout ou rien et incluant un condensateur de charge et un circuit résonnant raccordé aux bornes du susdit condensateur de charge du circuit interrupteur primaire et excité à la commutation dudit circuit interrupteur primaire pour récupérer l'énergie électrique stockée dans le condensateur. Grâce à cet agencement original, le circuit résonnant récupère l'énergie stockée dans le condensateur et le transfère soit dans la source, soit sur un moyen d'utilisation (tension de sortie dans le cas d'un convertisseur continu-continu). Ce circuit résonnant auxiliaire joue le rôle de la résistance de décharge R R des circuits de l'art antérieur (fig. 1) et a sa commande synchronisée sur celle de l'interrupteur principal. Il en résulte une diminution notable des pertes de commutation, ainsi qu'un antiparasitage des interrupteurs électroniques en pratique constitués par des transistors. Dans un mode de réalisation préféré, le circuit interrupteur primaire comprend un premier organe interrupteur aux bornes duquel est connecté le condensateur et le circuit résonnant de décharge comprend un second organe interrupteur commandé en synchronisme avec le susdit premier organe interrupteur du circuit interrupteur primaire. Dans ce cas, le circuit résonnant de décharge peut avantageusement comprendre, disposés en série, une inductance et le second organe interrupteur branchés en parallèle aux bornes du condensateur. Lorsque le circuit ainsi agencé est destiné à avoir un mode de fonctionnement permanent, avec un facteur de forme sensiblement constant, le condensateur de charge peut être branché directement en parallèle sur le premier organe interrupteur. Par contre, pour des circuits fonctionnant en mode discontinu et avec un facteur de forme variable, il est souhaitable que le circuit interrupteur primaire comprenne, disposés en série, une diode et ledit condensateur branchés en parallèle sur le premier organe interrupteur. Un circuit interrupteur électronique agencé conformément à l'invention trouve tout son intérêt dans l'alimentation d'une charge selfique, son intérêt étant maximal pour l'alimentation d'une charge selfique pure, avec une puissance moyenne ou forte (c'est-à-dire égale ou supérieure à environ 40 W), dans une gamme de fréquences très étendue allant des fréquences très basses (aussi basses que souhaité) jusqu'à des fréquences de l'ordre du mégahertz (au-delà de laquelle un simple convertisseur résonnant se révèle suffisant). Le circuit conforme à l'invention n'exige qu'un nombre de composants restreints et peu coûteux, et son prix de revient reste faible eu égard aux avantages essentiels recueillis. Le circuit interrupteur électronique conforme à l'invention trouve une application particulièrement intéressante (bien que non exclusive) dans la réalisation de convertisseurs de tension continu-continu pour moyenne ou forte puissance, à faibles pertes de commutation et protégé contre l'influence électromagnétique ambiante, un transfor mateur de sortie T étant alors inclus dans le circuit résonnant de décharge. De préférence alors, un enroulement primaire du transformateur est monté en série avec l'inductance et le second organe interrupteur du circuit résonnant de décharge. En pratique, il est avantageux que l'inductance du circuit résonnant de décharge soit constituée, au moins en partie, par l'enroulement primaire du transformateur. Grâce à cet agencement, l'enroulement secondaire du transformateur permet la récupération de l'énergie du circuit résonnant dans une charge qui peut être une tension de sortie dans le cas envisagé de l'incorporation du circuit interrupteur dans un convertisseur de tension continucontinu (ou dans toute autre source de tension dans le cas d'emploi de l'interrupteur pour la commande d'un moteur ou d'un autre type de charge selfique). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de deux modes de réalisation particuliers de convertisseur de tension continu-continu, donnés uniquement à titre purement illustratif et représentés respectivement aux figures 2 et 3 du dessin annexé. Aux figures 2 et 3, on a conservé les mêmes références littérales pour désigner les organes ou éléments identiques à ceux de la figure 1. Le circuit interrupteur représenté aux figures 2 et 3 comprend toujours un circuit interrupteur primaire fonctionnant en tout ou rien -qui est en soi connu-, constitué par l'inductance LR connectée en série entre la charge A et l'interrupteur principal I et par le condensateur CR connecté aux bornes de l'interrupteur I. La résistance RR du circuit antérieur de la figure 1 est remplacée par un circuit résonnant connecté en parallèle aux bornes du condensateur CR et excité à la commutation dudit circuit interrupteur primaire, en synchronisme avec celui-ci, pour récupérer l'énergie électrique stockée dans le condensateur et la restituer soit à la source, soit à un moyen d'utilisa tion. Le circuit résonnant auxiliaire comprend un second organe interrupteur Ix commandé en synchronisme avec l'interrupteur I du circuit interrupteur primaire et, en série avec l'interrupteur Ix, une inductance Lx, l'ensemble étant branché aux bornes du condensateur CR de telle sorte que l'inductance Lx et le condensateur CR forment le susdit circuit résonnant. Dans le cas d'un circuit interrupteur destiné à fonctionner sur un mode permanent avec un facteur de forme sensiblement constant, le condensateur CR peut être monté directement en parallèle sur l'interrupteur I (fig. 3). Par contre, dans le cas d'un circuit à fonctionnement discontinu avec un facteur de forme variable, il est souhaitable, pour faciliter l'amorçage du circuit, d'interposer une diode DR entre l'inductance LR, d'un côté, et le point commun au condensateur CR et à l'inductance Lx, de l'autre côté (fig. 2). La puissance récupérée dans le circuit résonnant peut être transférée dans un circuit quelconque (tension de sortie dans le cas d'un convertisseur continu-continu comme représenté aux figures 2 et 3) par la mise en oeuvre d'un transformateur T dont l'enroulement primaire L1 est inséré en série dans la branche Lx, Ix du circuit résonnant et dont l'enroulement secondaire L2 peut comporter un redresseur (diode 9 pour un redressement monoalternance) pour délivrer une tension continue de sortie. En pratique dans ce cas, l'inductance Lx pourra être constituée simplement, en tout ou partie, par l'enroulement primaire L1 du transformateur T. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Circuit interrupteur électronique de moyenne ou forte puissance, à faibles pertes de commutation et protégé contre l'influence électromagnétique ambiante, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit interrupteur primaire (I, LR, CR), en soi connu, fonctionnant en tout ou rien et incluant un condensateur de charge (CR) et un circuit résonnant (I, Lx, C R) raccordé aux bornes du susdit condensateur de charge (CR) du circuit interrupteur primaire et excité (Ix) à la commutation dudit circuit interrupteur primaire pour récupérer l'énergie électrique stockée dans le condensateur. 2. Circuit interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit interrupteur primaire comprend un premier organe interrupteur (I) aux bornes duquel est connecté le condensateur (CR) et en ce que le circuit résonnant de décharge comprend un second organe interrupteur (Ix) commandé en synchronisme avec le susdit premier organe interrupteur du circuit interrupteur primaire. 3. Circuit interrupteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit résonnant de décharge comprend, disposés en série, une inductance (lux) et le second organe interrupteur (Ix) branchés en parallèle aux bornes du condensateur (CR). 4. Circuit interrupteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le condensateur (CR) est branché en parallèle sur le premier organe interrupteur (I). 5. Circuit interrupteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit interrupteur primaire comprend, disposés en série, une diode (DR) et ledit condensateur (CR) branchés en parallèle sur le premier organe interrupteur (I). 6. Convertisseur de tension continu-continu pour moyenne ou forte puissance, à faibles pertes de commutation et protégé contre l'influence électromagnétique ambiante, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit interrupteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, un transformateur de sortie (T) étant inclus dans le circuit résonnant de décharge (lux, IXT CR). 7. Convertisseur de tension continu-continu selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un enroulement primaire (L1) du transformateur (T) est monté en série avec l'inductance (Lx) et le second organe interrupteur (Ix) du circuit résonnant de décharge. 8. Convertisseur de tension continu-continu selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'inductance (Lx) du circuit résonnant de décharge est constituée, au moins en partie, par l'enroulement primaire (L1) du transformateur (T).