Brevet FR2734103A1 — publié le 19961115

AMÉLIORATION DU FACTEUR DE PUISSANCE D'UNE ALIMENTATION REDRESSÉE La présente invention concerne le domaine des alimentations redressées obtenues à partir d'une tension alternative, par exemple la tension alternative du secteur, et destinées notamment à servir de base à un système d'alimentation à découpage. La figure 1A représente le schéma le plus simple d'un redresseur classique. Ce redresseur comprend un pont de diodes DB comprenant quatre diodes de redressement D1 à D4 dont une première diogonale est oonnectée aux bornes El et E2 d'une ligne d'alimentation alternative et dont l'autre diagonale est oennec- tée aux bornes A et G d'une alimentation continue redressée. La borne G est habituellement une borne de masse. Entre les bornes A et G est disposé un condensateur de stockage C. Derrière les bornes A et G, est par exemple prévu un système d'alimentation à découpage. La figure 1B représente l'allure de la tension V et du courant I entre les bornes A et G du pont redresseur. En l'absence du condensateur C, la tension entre les bornes A et G serait constituée par les sinusoides du secteur redressées. A partir d'un instant tl correspondant au maximum du sinusoïde, la capacité C est sensiblement complètement chargée puis se décharge pour alimenter un circuit placé entre les bornes A et G. A un instant t2, la tension du secteur redressée devient plus importante que la tension aux bornes de la capacité. Alors, pendant une brève période, comprise entre les instants t2 et t3, le secteur recharge la capacité fournissant une impulsion de courant I. Ainsi, un tel circuit d'alimentation pompe sur le secteur des impulsions de courant relativement brèves au voisinage de la tension maximum du secteur. Les théories de Fourier nous enseignent que plus une impulsion est brève, plus son spectre fréquentiel est étendu. Il en résulte donc qu'un grand nombre d 'harmoniques sont créés sur le secteur entre les bornes El et E2. Ceci est néfaste au fonctionnement d'un réseau. On cherche à réduire ces harmoniques, c'est-à-dire, en langage simple, à élargir 1 'impulsion de courant I. Pour cela, on connait des circuits dits de compensation de facteur de puissance tels que celui illustré en figure 2 dans lequel on a inséré entre une des bornes du pont redresseur et la borne A la connexion série d'une inductance L et d'une diode D. Le point de raccordement entre l'inductance L et la diode D est connecté à la borne G par l'intermédiaire d'un commutateur comnandé SW. Un circuit de type processeur P commande le commutateur SW de façon appropriée en fonction des tension et courant détectés. Un tel circuit, disponible par exemple auprès de la Société SGS-Tnomson Microélectronics sous la référence L6560 permet d'obtenir une correction quasiment parfaite du facteur de puissance, c'est-à-dire que le courant I prend la forme d'une sinusoïde en phase avec la sinusoïde de tension. Un inconvénient fondamental d'un circuit de compensation du facteur de puissance réside dans son court puisqu 'il comprend, d'une part, des composants réalisables sous forme de composants semiconducteurs tels que le processeur, le commutateur et la diode et, d'autre part, une inductance qui reste toujours un élément coûteux et éventuellement fragile. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un procédé et un dispositif d'amélioration du taux d'harmoniques renvoyés sur le secteur par un circuit de redressement qui ne comprenne pas d'inductance. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un procédé de fourniture d'une tension d'alimentation redressée sur au moins un condensateur disposé du côté redressé d'un pont redresseur comprenant l'étape consistant à inhiber la décharge du condensateur pendant la phase initiale de dUcrois- sance de la tension alternative appliquée au pont redresseur après chaque passage par un maximum. I1 est de préférence prévu une pluralité de condensateurs de valeurs progressivement décroissantes en série avec des résistances également de valeurs décroissantes. La présente invention prévoit aussi un dispositif d'amélioration du taux d'harmoniques renvoyés sur le secteur dans une alimentation redressée comprenant un pont redresseur et au moins un condensateur connecté à une première borne de sortie du pont redresseur. Entre la deuxième borne du condensateur et une deuxième borne de sortie, il est prévu un premier chemin de charge comprenant une résistance, et un deuxième chemin de décharge commutable, associé à des moyens de commande pour commuter à l'état fermé le chemin de décharge seulement après le passage par un maximum de la tension du secteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de commande comparent la tension sur la première borne à deux tensions de référence. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de commande comparent la tension du secteur redressée à deux tensions de référence. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les deuxièmes tensions de références sont égales. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comprend une pluralité de condensateurs ayant des valeurs croissantes et des constantes de temps de charge croissantes, les premières tensions de référence associées étant successivement croissantes. Un premier avantage fondamental de la présente invention est obtenu du seul fait de la prévision d'un condensateur, en série avec une résistance, qui est commuté de façon à ne pas pouvoir commencer à se décharger avant que la tension du secteur n'ait légèrement chuté en dessous de son maximum. Toutefois, les pleins avantages de 1' invention sont obtenus en multipliant le nombre de condensateurs commandés de la façon sus-indiquée. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite, à titre non-limitatif, en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1A représente schématiquement un dispositif redresseur d'alimentation selon l'art antérieur la figure 1B représente des courbes de tension et de courant associées au circuit redresseur de la figure 1A la figure 2 représente un circuit classique de correction de facteur de puissance la figure 3 représente un premier mode de réalisation à un seul étage d'un circuit selon la présente invention les figures 4A à 4D illustrent des formes de tension et de courant et des signaux logiques apparaissant dans le circuit de la figure 3 la figure 5 représente un mode de réalisation à deux étages d'un circuit selon la présente invention la figure 6 représente l'allure du courant obtenu avec le circuit de la figure 5 ; et les figures 7 à 12 représentent divers modes de réalisation de circuits à plusieurs étages selon l'invention. La figure 3 illustre un mode de réalisation simple à un seul étage d'un circuit selon la présente invention. Un pont de diodes DB comprenant des diodes D1 à D4 reçoit la tension du secteur entre des bornes El et E2 et fournit une tension redressée entre des bornes A et G. Un condensateur de stockage C1 correspondant au condensateur C de la figure 3 est connecté par l'une de ses bornes à la borne A et par l'autre de ses bornes à la borne G par 1 'intermédiaire de deux trajets en parallèle. Le premier trajet comprend une résistance R1 et une diode dll polarisée pour laisser passer du courant de la borne A vers la borne G.Le deuxième trajet comprend un interrupteur commandé SW1 en série avec une diode d21 polarisée pour laisser passer du courant de la borne G vers la borne A. Le commutateur SW1 est commandé par la sortie Q d'une bascule RS FF1 dont l'entrée R reçoit la sortie d'un comparateur inverseur Al et dont 1 'entrée S reçoit la sortie d'un comparateur inverseur A'1. Les comparateurs Al et A'1 comparent respectivement la tension VA sur la borne A à des tensions de référence U1 et Url. On notera que le premier trajet comprenant les résis tances s R1 et dll est un trajet de charge du condensateur C1 et le deuxième trajet comprenant la diode d21 et le commutateur SW1 est un trajet de décharge de ce condensateur C1. Tant que le deuxième trajet est ouvert, le condensateur C1 ne peut pas se décharger pour alimenter un circuit connecté entre les bornes A et G. Il est ainsi possible de continuer à fournir l'alimentation entre les bornes A et G à partir de la tension redressée du secteur même après que le condensateur C1 a été complètement chargé et que la tension aux bornes du secteur commence à décroitre. Les avantages de ce circuit sont multiples. Premièrement, quand on fait ensuite appel au condensateur C1 pour alimenter le circuit, oe condensateur servira moins longtemps à l'alimentation du circuit et se déchargera moins. La tension entre les bornes A et G sera donc davantage lissée que dans le cas du circuit de la figure 1A. Deuxièmement, la prévision de résistance R1 en série avec le condensateur C1 limite la raideur du front de montée du courant de charge. Troisièmement et principalement, on va montrer en relation avec les figures 4A à 4D qu'on augmente la largeur du courant extrait du secteur. La partie supérieure de la figure 4A représente la tension VA sur la borne A. Au voisinage de l'instant t1, le commutateur SW1 est ouvert (off) et le condensateur C1 peut se charger mais pas se décharger. A un instant t2 où la tension VA devient inférieure à la tension de référence Url, le commutateur SW1 est fermé (on) et 1 'on retrouve sur la borne A la tension de pleine charge du condensateur C1. Ensuite, entre les instants t2 et t3, le condensateur alimente le circuit et se décharge régulièrement. A l'instant t3, la tension VA atteint la tension de référence U1 et le commutateur SW1 est à nouveau ouvert.La tension sur la borne A chute alors à la valeur de la tension du secteur à ce moment puis remonte en suivant l'alternance du secteur et le cycle se répète à partir de l'instant t '1. La figure 4B représente la tension VC1 aux bornes du condensateur C1. A l'instant t1, cette tension est maximale et reste sensiblement constante jusqu' à l'instant t2 tandis que le condensateur ne peut pas se décharger. Ensuite le condensateur se décharge régulièrement entre les instants t2 et t3, reste à charge constante pendant une courte durée jusqu'à ce que la tension de secteur ait rattrapé la valeur de la tension aux bornes du condensateur à 1' instant t3, puis se recharge jusqu'à l'instant t'l. La figure 4C représente l'allure (redressée) du courant I1 extrait du secteur pendant ces diverses phases. Entre les instants tl et t2, c'est le secteur qui alimente le circuit connecté aux bornes A et G et, si l'on suppose que la puissance consommée entre les bornes A et G est constante, tandis que la tension du secteur décroît, le courant croit légèrement pour fournir une puissance constante. Entre les instants t2 et t3, aucun appel de courant n'est demandé du secteur puisque le courant est fourni par le condensateur Cl. Ensuite, à partir du moment où la tension du secteur a rattrapé la tension présente aux bornes du condensateur, un courant est extrait du secteur pour alimenter le circuit de charge et charger le condensateur. On notera que ce courant croit moins rapidement que le courant illustré en figure 1B en raison de la présence de la résistance R1. Ensuite, à partir de l'instant t'1, on retrouve, un courant d'alimentation du circuit placé entre les bornes A et G à partir du secteur jusqu'à l'instant t'2. Ainsi, comme le représente bien la figure 4C, le secteur, au lieu de fournir au circuit de redressement selon la présente invention une impulsion de courant brève, fournit une impulsion comprenant des flancs très élargis en raison de l'alimentation directe par le secteur du circuit entre les bornes A et G. La figure 4D représente les signaux fournis aux bornes R et S pour commander la bascule FF1 et obtenir de façon appropriée les commandes de fermeture et d'ouverture du commutateur SW1. Sensiblement à l'instant t2, le signal S passe de O à 1 et le signal sur la borne Q ferme l'interrupteur SW1. Sensiblement à l'instant t3, la commutation du signal R fait basculer la sortie Q. A l'instant t'2 la commutation du signal S de O à 1 fera basculer à nouveau la sortie Q. On obtient donc bien le résultat recherché par un circuit de commande simple comprenant simplement deux amplificateurs inverseurs et une bascule. On notera d'ailleurs que les tensions de référence U1 et Url pourraient être égales, ce qui permet de simplifier le circuit de commande. Pour améliorer la largeur du pic de courant extrait du secteur, selon un aspect supplémentaire de 1' invention, il est prévu de multiplier le nombre d'étages du circuit illustré en figure 3. En figure 5, on retrouve dans la partie gauche exactement les mêmes éléments qu'en figure 3 mais on a rajouté un étage supplémentaire identique. Les composants de ce deuxième étage portent les mêmes références s que les composants correspon- dant du premier étage mais avec un indice 2 au lieu d'un indice 1. Le condensateur C2 du deuxième étage a une valeur plus élevée que le condensateur C1 du premier étage et la constante de temps R2.C2 est plus élevée que la constante de temps Ri. Cl. De préférence, R2 est supérieur à R1. Les tensions de référence Ur2 et U2 sont respectivement supérieures ou égales aux tensions Url et U1. On obtient donc comme le représente la figure 6, un étalement supplémentaire du pic de courant de charge des condensateurs. Un premier pic correspond à la charge du condensateur C1 qui se charge très rapidement avec une constante de temps relativement faible et un deuxième pic plus large et retardé correspond à la charge du condensateur C2 qui se charge avec une constante de temps plus forte. On a donc bien obtenu comme on le souhaitait un élargissement de 1' impulsion de courant extraite du secteur pour charger les condensateurs et on réduit donc l'amplitude des harmoniques renvoyés sur le secteur. La figure 7 représente un circuit à n étages dont chaque étage est similaire à ceux décrits précédemment en relation avec les figures 3 et 5. La figure 8 représente un circuit sensiblement similaire à celui de la figure 7 mais dans lequel toutes les tensions Uri sont égales à une même tension Uref. Dans le circuit de la figure 9, le circuit de commande de chacun des commutateurs SWi est constitué de deux comparateurs dont les sorties sont reliées à une porte ET qui commande le commutateur. Le premier comparateur a sa première entrée reliée à la borne A et sa deuxième entrée à une tension de référence Ui. Le deuxième comparateur a sa première borne qui reçoit la tension redressée simple alternance du secteur par l'inter- médiaire de diodes D5 et D6 et sa deuxième borne qui, comme précédemment, est reliée à une tension de référence Uri. L'homme de métier notera que ceci simplifie la con conception logique du système. Le schéma de la figure 10 est identique à icelui de la figure 9 sauf que tous les deuxièmes comparateurs ont leur deuxième entrée connectée à une même tension de référence Uref. Il suffit donc d'un seul deuxième comparateur. La figure 11 représente un mode de réalisation particulier du circuit de la figure 7. Ce circuit comprend n cellules identiques dont seule la première sera décrite. Le chemin de charge du condensateur C1 comprend toujours une résistance R1 et une diode dll. Le trajet de décharge du condensateur C1 comprend un thyristor Thl dont l'anode est reliée à la borne G et la cathode au point de raccordement de la résistance R1 et du condensateur C1.En parallèle entre gâchette et cathode du thyristor Thi est placé un transistor Q1 dont la base est connectée à la sortie d'un premier comparateur A1 tandis que la gâchette du thyristor Thi est également connectée à la sortie d'un deuxième comparateur A'1. Les premières entrées des comparateurs A1 et A'1 reçoivent la tension VA et les deuxièmes entrées des comparateurs A1 et A'1 reçoivent respectivement les tensions U1 et Url. On notera que le fonctionnement de ce circuit est bien icelui décrit en relation avec la figure 7. La figure 12 représente l'application du circuit particulier décrit en figure 11 au mode de réalisation de la figure 8. Bien entendu, la présente invention est sus susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art, les aspects fondamentaux de la présente invention comprenant les points suivants - réduire la raideur du front de montée du courant de charge des condensateurs de stockage en plaçant en série avec ces condensateurs une résistance, - inhiber la décharge des condensateurs de stockage pendant la phase initiale de décroissance de la tension secteur pour, pendant cette phase, continuer à extraire du courant du secteur et donc rallonger la durée du courant extrait de ce secteur, - optionnellement, et de préférence, multiplier le nombre de cellules pour étaler davantage le courant de charge des condensateurs, les condensateurs des diverses cellules ayant des constantes de temps de charge différentes. Dans un cas particulier de la présente invention, utilisant seulement deux cellules et pour une tension du secteur de 230 volts efficace, on a choisi les valeurs suivantes C1 = 15 microfarads, C2 = 30 microfarads, R1 = 20 ohms, R2 = 100 ohms, Url = Ur2 = U1 = 230 volts, U2 = 290 volts. On a alors obtenu pour le courant la courbe illustrée en figure 6, le facteur de puissance était de l'ordre de 0,82 et la puissance consommée sur le réseau, rajoutée essentiellement par les résistances R1 et R2 était seulement de 2,7 % de la puissance utile. REVENDICATIONS 1. Procédé de fourniture d'une tension d'alimentation redressée sur au moins un condensateur disposé du côté redressé d'un pont redresseur comprenant l'étape consistant à inhiber la décharge du condensateur pendant la phase initiale de décroissance de la tension alternative appliquée au pont redresseur après chaque passage par un maximum. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu une pluralité de condensateurs de valeurs progressivement décroissantes en série avec des résistances également de valeurs décroissantes. 3. Dispositif d'amélioration du taux d'harmoniques renvoyés sur le secteur dans une alimentation redressée comprenant un pont redresseur (DB) et au moins un condensateur (Ci) connecté à une première borne de sortie (A) du pont redresseur, caractérisé en ce qu'il comprend, entre la deuxième borne du condensateur et une deuxième borne de sortie (G) un premier chemin de charge (Ril, Dli) comprenant une résistance, et un deuxième chemin de décharge (SWi, D2i) commutable, associé à des moyens de commande pour commuter à 1' état fermé le chemin de décharge seulement après le passage par un maximum de la tension du secteur. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de commande comparent la tension sur la première borne à deux tensions de référence (Ui, Uri). 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de commande comparent la tension du secteur redressée à deux tensions de référence (Ui, Uri). 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les deuxièmes tensions de références (Uri) sont égales. 7. Dispositif selon les revendications 3 et 4 ou 5, caractérisé en oe qu'il comprend une pluralité de condensateurs ayant des valeurs croissantes et des constantes de temps de charge croissantes, les premières tensions de référence associées étant successivement croissantes.