Brevet FR2733862A1 — publié le 19961108

DISPOSITIF D'ALIMENTATION A DECOUPAGE L'invention concerne un dispositif d'alimentation à découpage. Elle s'applique aux dispositifs d'alimentation en tension stabilisée à partir d'un réseau alternatif et utilisant des redresseurs non commandés, comme notamment dans les domaines de l'éclairage ou de la télévision. Il est habituel dans les dispositifs d'alimentation utilisant un redresseur non commandé, d'utiliser un convertisseur de tension continu-continu derrière un condensateur de filtrage d'entrée, pour fournir une tension stabilisée en sortie à partir de la tension d'entrée fournie par le redresseur aux bornes du condensateur de filtrage. ces convertisseurs sont des circuits d'alimentation à découpage qui utilisent un circuit de commande d'au moins un interrupteur électronique de puissance, pour contrôler un convertisseur direct, à accumulation ou encore asymétrique, de manière à asservir le niveau de la tension de sortie à un niveau de référence. On obtient ainsi une tension de sortie stabilisée, nivelée. Mais on est aussi intéressé à avoir une bonne valeur du facteur de puissance du dispositif. On rappelle que le facteur de puissance est le rapport de la puissance réelle à la puissance totale apparente. Pour un réseau alternatif à courant sinusoïdal, le facteur de puissance est le cosinus de l'angle de déphasage courant-tension. Mais un redresseur tire un courant non sinusoïdal d'un système alternatif et les composantes harmoniques du courant contribuent à rendre le facteur de puissance inférieur au cosinus de l'angle de déphasage. Ainsi, même si le courant tiré par le redresseur est en phase avec la tension (ce qui est le cas avec un redresseur à diodes), si le courant contient des composantes harmoniques, le facteur de puissance est toujours inférieur à l'unité. En pratique, cela entraîne que le réseau alternatif est rendu moins efficace, car il fournit de la puissance aux fréquences harmoniques différentes de la fréquence de ligne. Cela entraîne aussi que la valeur nominale du courant que l'on peut tirer est réduite. Dans l'invention, on s'intéresse plus particulièrement aux dispositifs d'alimentation à découpage à redresseur non commandé. Améliorer le facteur de puissance dans un tel dispositif, c'est alors réduire le niveau des composantes harmoniques du courant tiré par le redresseur non commandé. Des dispositifs ont alors été étudiés pour élever la tension aux bornes du condensateur de filtrage. Ces dispositifs comprennent une inductance dont le transfert d'énergie est commandé par un interrupteur électronique de puissance dont la commande d'ouverture ou fermeture est fournie par un circuit de controle complexe, comprenant notamment une mesure de courant. Ces dipositifs permettent d'obtenir une tension régulée en sortie très élevée et une forme d'onde du courant d'entrée identique à celle de la tension d'entrée: on obtient un facteur de puissance très proche de l'unité. Mais ces dispositifs sont particulièrement côuteux, ce qui empêche notamment leur utilisation dans certains domaines particulièrement concurentiels, comme celui de la télévision. Un objet de l'invention est de résoudre ce problème technique d'amélioration de la forme d'onde du courant tiré par le redresseur d'une manière plus simple et moins coûteuse. Dans l'invention, on a découvert que l'on pouvait utiliser le circuit de commande du circuit de découpage pour commander l'ouverture et la fermeture d'un interrupteur électronique de puissance contrôlant le transfert de l'énergie de l'inductance dans le condensateur. On a pu mettre en évidence que cette imbrication des structures du circuit de découpage et du dispositif d'élévation de tension conduisait à une forme d'onde du courant d'entrée relativement proportionnelle à celle de la tension d'entrée et qui, soumis à une tension sinusoidale, donnait un bon facteur de puissance, proche de l'unité. Telle que revendiquée, l'invention concerne donc un dispositif d'alimentation à partir d'une tension d'entrée délivrée par un redresseur non commandé, comprenant un circuit de découpage d'alimentation, connecté en entrée aux bornes d'un condensateur de filtrage et qui comporte un circuit de commande d'un interrupteur électronique de puissance pour réguler l'amplitude de la tension de sortie Vs du dispositif et un dispositif d'élévation de la tension aux bornes du condensateur de filtrage qui comprend une inductance à transfert d'énergie contrôlé par un interrupteur électronique de puissance. Selon l'invention, l'interrupteur électronique de puissance du dispositif d'élévation de tension est commandé par le circuit de commande du circuit de découpage. Dans un perfectionnement, l'interrupteur électronique de puissance du circuit de découpage d'alimentation est aussi l'interrupteur électronique de puissance du dispositif d'élévation de tension. Pour des puissances de sortie élevées, on utilise habituellement un circuit de découpage à transformateur à double commande, avec un premier interrupteur électronique de puissance, commandé directement par un circuit de commande et un deuxième interrupteur électronique de puissance commandé à travers le transformateur. Le dispositif d'élévation de tension selon l'invention est obtenu en plaçant de manière judicieuse une inductance dans ce circuit de découpage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention sont détaillés dans la description suivante, à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente un schéma de principe d'un dispositif d'alimentation selon l'invention; - la figure 2, représente les formes d'onde du courant et de la tension d'entrée obtenues. - la figure 3 est un schéma d'un dispositif d'alimentation de l'invention pour un circuit de découpage avec transformateur, - la figure 4 est un schéma détaillé d'un perfectionnement de l'invention, appliqué au schéma de la figure 3, - la figure 5 est un schéma détaillé d'un autre mode de réalisation de l'invention pour un dispositif à transformateur à double interrupteur. La figure 1 représente un schéma de principe de l'invention. Un dispositif d'alimentation à découpage comprend habituellement un redresseur non commandé 1, un condensateur de filtrage Cl et un circuit 2 de découpage de la tension disponible aux bornes du condensateur. Le redresseur non commandé 1 est un circuit à diodes, qui délivre une tension d'entrée Ve et tire un courant d'entrée Ie à partir d'un réseau alternatif. La tension Ve est appliquée au condensateur C1. Quand cette tension est basse, le condensateur sert de réservoir d'énergie pour le circuit 2 à découpage. Le circuit 2 à découpage est un convertisseur continu-continu qui comprend au moins un interrupteur électronique Q1 de puissance, commandé par un circuit de commande 20, pour asservir la tension de sortie Vs à un niveau de référence ref. Le circuit 2 de découpage peut être avec transformateur, et du type convertisseur direct, à accumulation ou symétrique. Selon l'invention, le dispositif d'alimentation comprend en outre, entre le redresseur non commandé et le condensateur, un dispositif 3 d'élévation de tension, commandé par le circuit 2 de commande 20 de l'interrupteur du circuit de découpage. Ce dispositif d'élévation de tension comprend une inductance L traversée par le courant d'entrée Ie, et un interrupteur électronique de puissance Q2 pour commander le transfert d'énergie de l'inductance vers le condensateur Ci. Une diode D2 de protection est placée entre l'inductance et le condensateur C1. Selon l'invention, l'interrupteur Q2 est commandé par le circuit de commande 20. Ainsi, l'interrupteur Q1 pour la régulation de la tension de sortie et l'interrupteur Q2 pour la régulation du courant d'entrée, fonctionnent avec le même rapport cyclique. Ce rapport cyclique peut être considéré comme constant pour un condensateur Cl suffisamment gros (c'est-à-dire pour un faible taux d'ondulation de la tension Vc aux bornes du condensateur). De cette manière, on obtient un courant Ie relativement proportionnel à la tension Ve, comme représenté sur la figure 2, pour une demi-alternance de tension. L'analyse harmonique d'un tel courant montre que les valeurs efficaces des composantes harmoniques sont très diminuées. Le facteur de puissance est donc très amélioré, proche de l'unité. L'inductance L sera dimensionnée pour obtenir sa démagnétisation complète pour chaque nouvelle période (mode discontinu). En effet, si la démagnétisation n'est pas complète (mode continu) le courant résiduel entraîne une forme d'onde résultante peu favorable avec des pics de courants aux valeurs élevées de tension, ce que l'on veut éviter. La figure 3 représente un schéma détaillé d'un mode de réalisation de l'invention en accord avec le principe exposé ci-dessus. Le circuit à découpage représenté est du type à accumulation avec transformateur Tl(flyback). Le primaire du transformateur T1 a son entrée reliée à la borne positive du condensateur Cl et son neutre relié à une borne de l'interrupteur Q1. Le secondaire du transformateur T1 a sa sortie reliée à l'anode d'une diode Dl, et un condensateur de sortie C2 est connecté entre la cathode de la diode et le neutre. On retrouve la tension de sortie Vs aux bornes du condensateur C2. Le fonctionnement d'un tel circuit est bien connu. Sommairement, quand l'interrupteur Q1 est fermé, la diode D1 est bloquée par suite du sens des enroulements et le flux magnétique croit, ce qui produit une tension négative au secondaire. Lorsque l'interrupteur Q1 s'ouvre, le flux décroît et la tension devient brusquement positive au secondaire. La diode D1 devient passante. Pendant une durée t, on a donc une accumulation d'énergie et une charge de sortie sera alimentée par la décharge du condensateur C2. Puis, pendant une durée T-t, on a un transfert de l'énergie du circuit magnétique vers la charge. Le rapport cyclique t est contrôlé par le circuit de commande 20 qui commande l'interrupteur Q1. Ce circuit de commande est du type connu à modulation d'impulsions, qui comprend un comparateur du niveau de la tension Vs aux bornes du condensateur de sortie C2 à un niveau de référence ref. On a vu que si le condensateur de filtrage Cl est gros, le rapport cyclique t est constant, car le taux d'ondulation de la tension, Vc est alors très faible. Le dispositif 3 d'élévation de tension selon l'invention comprend une inductance L suivie d'une diode D2 en série, entre la ligne de tension Ve et une borne du condensateur Cl de filtrage d'entrée. Un interrupteur électronique Q2 a une borne connectée entre l'inductance et la diode D2 et l'autre borne connectée à la ligne de neutre du redresseur et à l'autre borne du condensateur Cl. Il est commandé par le circuit de commande 20 du circuit 2 de découpage. Ainsi, pendant la durée t, l'interrupteur Q2 est fermé. La diode D2 est bloquée. L'inductance L emmagasine l'énergie. Puis pendant la durée T-t l'interrupteur est ouvert et la diode D2 devient passante. L'inductance L se démagnétise. L'énergie est transférée vers le condensateur Cl. Comme l'interrupteur Q2 est commandé avec un rapport de cycle constant, on obtient, par cette commande d'inductance à rapport de cycle constant, un courant d'entrée moyen plus ou moins proportionnel à la tension d'entrée: plus la tension d'entrée est grande, plus le courant d'entrée est grand. Il en résulte une diminution des niveaux des composantes harmoniques du courant, et le facteur de puissance est amélioré. On notera, en pointillé sur la figure 3, un circuit de récupération de fuites qui est généralement prévu dans ces circuits à transformateur. Dans un perfectionnement du principe de l'invention et comme représenté à la figure 4, on utilise l'interrupteur Q1 du circuit 2 de découpage pour commander le transfert d'énergie magnétique de l'inductance L du dispositif d'élévation de tension. Cette simplification est avantageuse en terme de composants. Dans l'exemple représenté d'un circuit 2 de découpage du type convertisseur à accumulation avec transformateur, il faut alors prévoir une connexion 4 entre l'interrupteur Q1 et l'inductance. C'est-à-dire une connexion entre le point milieu de l'inductance L et de la diode D2 et le point milieu de l'interrupteur Q1 et le neutre du primaire, dans l'exemple représenté. Pour bloquer la haute tension du primaire, qui est supérieure à la tension du condensateur, il est nécessaire de prévoir une diode D3 sur cette connexion 4, comme représenté sur la figure 4. En pratique, l'interrupteur Q1 doit pouvoir bloquer la tension réfléchie et passer deux fois le courant normal quand il est fermé. Ceci est obtenu en utilisant des commutateurs haute tension et faible impédance. Les dispositifs décrits soumis à une tension alternative sinusoïdale permettent d'obtenir en pratique un facteur de puissance élevé proche de l'unité. Ils sont utilisés pour des puissances peu élevées, jusqu'à 100 watts par exemple. Pour des puissances plus élevées, on utilise un montage bien connu avec transformateur et double interrupteur. On peut appliquer le principe de l'invention à un tel montage. On propose alors dans l'invention une structure particulièrement avantageuse en termes de composants avec d'aussi bons résultats. Cette structure est représentée sur la figure 5, pour un montage en bipont asymétrique. Le circuit de découpage du type à accumulation avec transformateur à double interrupteur comprend en plus des éléments déjà décrits en relation avec les figures 3 et 4, un prolongement Ti' de l'enroulement primaire pour commander un deuxième interrupteur électronique de puissance Qi' à travers le transformateur. Cet interrupteur Qi' est connecté entre le condensateur et l'entrée de l'enroulement primaire principal. Une première diode de protection D4 est prévue entre cette entrée de l'enroulement primaire principal et la borne du condensateur Cl connectée à la ligne de neutre du redresseur. Une deuxième diode de protection D5 est connectée entre la borne du condensateur et le neutre de l'enroulement primaire principal, qui est aussi connecté à l'interrupteur Q1 comme on l'a vu. Dans un tel montage, les deux interrupteurs sont à commandes synchrones. Pour obtenir un dispositif d'élévation de tension selon le principe de l'invention, on connecte avantageusement une inductance Ll entre la ligne de tension d'entrée Ve et le point milieu entre la diode D5 et l'interrupteur Q1. L'inductance L1, la diode D5 et l'interrupteur Q1 forment le dispositif d'élévation de tension 3 selon le principe de l'invention. Ce dispositif est imbriqué dans le circuit de découpage avec seulement l'ajout d'une inductance connectée au neutre du transformateur. Le principe de l'invention a été plus particulièrement décrit en relation avec des convertisseurs de type isolé (c'est-à-dire à transformateur) et à accumulation ou asymétrique. Il s'applique à tous les types de convertisseurs déjà énumérés, notamment aux convertisseurs directs ou aux convertisseurs sans isolation, et aux convertisseurs à double interrupteur. Il permet d'obtenir une forme d'onde de courant proche de celle de la source de tension et en particulier, si la source de tension est sinusoïdale, le dispositif a alors un facteur de puissance proche de l'unité. Les interrupteurs électroniques de puissance représentés sur les différentes figures sont des transistors MOS de puissance. On peut aussi avoir des transistors bipolaires. Le principe de l'invention peut être utilisé pour définir de nouvelles structures simplifiées ayant la caractéristique d'avoir un bon facteur de puissance lorsqu'elles sont alimentées en tension sinusoidale. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation à partir d'une tension d'entrée (Ve) délivrée par un redresseur non commandé (1), comprenant un circuit de découpage d'alimentation (2), connecté en entrée aux bornes d'un condensateur de filtrage (C1) et qui comporte un circuit de commande (20) d'un interrupteur électronique de puissance (Q1) pour réguler l'amplitude de la tension de sortie (Vs) du dispositif, et un dispositif (3) d'élévation de la tension (Vc) aux bornes du condensateur de filtrage qui comporte une inductance (L) à transfert d'énergie contrôlé par un interrupteur électronique de puissance (Q2), caractérisé en ce que l'interrupteur électronique de puissance du dispositif d'élévation est commandé par le circuit de commande (20) du circuit de découpage. 2. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'inductance est dimensionnée pour travailler en mode discontinu. 3. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'interrupteur électronique de puissance (Q1) du circuit (2) de découpage d'alimentation est aussi l'interrupteur électronique de puissance du dispositif d'élévation de tension (3). 4. Dispositif d'alimentation selon la revendication 3, pour un circuit de découpage avec transformateur, caractérisé en ce qu'une diode de protection (D3) est connectée d'une part entre l'inductance (2) et la diode (D2) du dispositif d'élévation de tension (3), et d'autre part à la borne (4) de l'interrupteur électronique de puissance (Q1) du circuit (2) de découpage. 5. Dispositif d'alimentation selon la revendication 3, pour un circuit de découpage à transformateur à double interrupteur, comprenant un premier interrupteur électronique de puissance (Q1) commandé par le circuit (20) de commande et connecté entre le neutre du primaire du transformateur et une borne du condensateur de filtrage (Cl) et un deuxième interrupteur électronique de puissance (Qi') connecté entre l'entrée du primaire du transformateur et l'autre borne du condensateur de filtrage (Ci), une première diode de protection (D4) connectée entre l'entrée du primaire du transformateur et la borne du condensateur de filtrage (Cl) et une deuxième diode de protection (D5) connectée entre l'autre borne du condensateur (Cl) et le neutre du primaire connecté au premier interrupteur (Q1), caractérisé en ce qu'une inductance (2) est connectée entre la ligne de tension d'entrée (Ve) et le noeud entre la deuxième diode de protection (D5) et le premier interrupteur (Q1), l'inductance (L), la deuxième diode de protection (D5) et le premier interrupteur (Q1) formant le dispositif d'élévation de tension (3). 6. Dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les interrupteurs électroniques de puissance sont des transistors MOS ou bipolaires.