Brevet FR2743954A1 — publié le 19970725

CIRCUIT DE REGULATEUR DEVOLTEUR Référence croisée à une demande apparentée Selon les dispositions de 1'U.S.C. 35, paragraphe 120, cette demande revendique la priorité sur la demande provisoire américaine apparentée N" 60/010 218, déposée le 18 janvier 1996 et intitulée CIRCUIT DE REGULATEUR DEVOLTEUR. Arrière plan de l'invention La présente invention concerne un circuit de régulateur de puissance et plus particulièrement un circuit convertisseur de régulateur dévolteur destiné à convertir une alimentation en tension élevée en une source de courant à faible tension. Des circuits d'attaque et des circuits de commande associés pour des onduleurs de modulateur de largeur d'impulsion (MLI) afin de commander un moteur et d'autres applications nécessitent une source de courant de 15 V représentée par le rail à courant continu négatif. Résumé de l'invention Par conséquent, un objet de la présente invention est de fournir un circuit de régulateur de puissance fiable et efficace. Un autre objet de la présente invention est de fournir un circuit de régulateur dévolteur pouvant convertir une entrée de bus à tension élevée variable continue en une sortie à tension basse régulée continue. Les précédents objets ainsi que d'autres de l'invention sont atteints par un régulateur dévolteur qui délivre la source de courant requise de 15 V en dérivant le courant pour celle-ci directement à partir de la tension de bus continue par l'intermédiaire du régulateur dévolteur. Le circuit de régulateur de puissance de l'invention, comprend un bus à entrée continue positive destiné à délivrer une tension continue relativement élevée allant d'une première à une seconde tension continue élevée, la tension d'entrée continue élevée se rapportant à un bus commun à faible potentiel, un circuit d'attaque de la grille monolithique alimenté par une source de courant à faible tension représentée par le bus commun une inductance et un dispositif de commutation connecté entre le bus d'entrée continue et l'inductance par l'intermédiaire de laquelle le dispositif de commutation délivre un courant å une borne de sortie de commande de charge, le dispositif de commutation comprenant une borne de la grille;; le circuit d'attaque de la grille monolithique comprenant une sortie de commande de grille destinée à commander la borne de grille du dispositif de commutation, le circuit d'attaque de la grille monolithique étant associé à un temps de retard intrinsèque prédéterminé pendant lequel sa sortie de commande de grille est active lors de son déclenchement par un signal de déclenchement qui est appliqué à une électrode de déclenchement du circuit d'attaque de la gnlle monolithique ; et un circuit de régulation de puissance couplé à l'électrode de déclenchement du circuit d'attaque de la grille afin de commander le circuit d'attaque de la grille de sorte que la sortie de commande de grille est activée pendant la durée dudit retard intrinsèque puis est désactivée pendant des intervalles de temps variables contrôlés et variant de telle sorte que la tension au niveau de la borne de sortie de commande de charge soit maintenue à une valeur prédéterminée sensiblement constante. Selon d'autres caractéristiques secondaires de l'invention: - le circuit d'attaque de la grille comprend une borne VCC permettant de recevoir la source de courant à faible tension et d'insérer une première résistance connectée entre le bus d'entrée continue et la borne VCC. - le circuit de régulateur comprend en outre un premier circuit connecté en série comprenant une seconde résistance et une diode connectée entre la borne VCC et la borne de sortie de commande de charge afin de délivrer un courant supplémentaire à la borne VCC. - le circuit de régulateur comprend en outre un circuit de blocage de tension connecté entre la borne VCC et le bus commun afin de maintenir la borne VCC à une tension de blocage prédéterminée. - le circuit de blocage de tension comprend une diode de Zener (Z 1). - I'électrode de déclenchement du circuit d'attaque de la grille monolithique est connectée à la borne de sortie de commande de charge par l'intermédiaire d'un deuxième circuit connecté en série comprenant une résistance respective et une diode respective. - le circuit de régulateur comprend en outre une diode de roue libre connectée entre le dispositif de commutation et l'inductance d'une part et le bus commun d'autre part. - Le circuit de régulateur comprend en outre un troisième circuit connecté en série comprenant une résistance respective et une diode respective connectée entre une cathode de la diode de roue libre et l'électrode de déclenchement du circuit d'attaque de la grille monolithique. - Le circuit de régulateur comprend en outre une autre diode couplée entre le circuit de blocage de tension et le troisième circuit connecté en série pour assurer que la tension au niveau de l'électrode de déclenchement du circuit d'attaque de la grille monolithique ne dépasse pas la tension de blocage prédéterminée. La présente invention est réalisée en utilisant des composants électroniques existants tels que le IR 2152, le HEXFET IRFU120 et des ensembles de circuits associés. Le IR 2152 et le HEXFETB IRFU120 sont des produits semi-conducteurs de courant fabriqués par la International Rectifier Corporation de El Segundo en Californie, le cessionnaire de la présente demande. Le circuit d'attaque IR 2152 est un circuit d'attaque de la grille MOS monolithique qui permet de commander à la fois un MOSFET de puissance à faible potentiel et un MOSFET de puissance à potentiel élevé et/ou deux transistors IGBT (ou tout autre dispositif de type à grille MOS à partir des entrées correspondant au niveau logique et à la masse. Un circuit d'attaque de la grille MOS monolithique qui est semblable au IR 2152 susmentionné est décrit dans le brevet américain du présent cessionnaire N" 5 545 955 qui est paru le 13 août 1996 et dont le contenu est incorporé par référence dans le présent document. Le circuit de régulateur dévolteur de la présente invention délivre une sortie de 100 mA cc à une tension régulée de 15 V à partir d'un bus dont la tension varie entre 250 V et 450 V cc. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à partir de la description de l'invention en référence aux dessins joints. Brève description des dessins La figure l représente un schéma de circuit d'un premier mode de réalisation de la présente invention la figure 2 représente la régulation de la tension de sortie en fonction du courant de charge et de la tension de bus continue pour le premier mode de réalisation de l'invention; les figures 3 à 11 représentent des oscillogrammes pour diverses conditions de fonctionnement; la figure 12 représente un schéma de circuit d'un second mode de réalisation de la présente invention. Description détaillée des modes de réalisation préférés Un schéma de circuit d'un premier mode de réalisation de la présente invention est représenté sur la figure 1. La puce IR 2152 du circuit intégré 1 est une puce du type qui peut être logé dans un boîtier double en ligne ou dans un boîtier monté en surface et qui peut comprendre les brochages suivants Ho - une broche de sortie destinée à commander la grille du MOSFET à potentiel élevé; VS - une broche à connecter au point milieu des MOSFETS connectés en totem pôle ou en demi-pont; Lg - une broche de sortie permettant de commander la grille du MOSFET à faible potentiel (non représenté), COM - une broche connectée à la borne négative, c'est-à-dire au rail à courant continu négatif; CT - une broche de commande d'entrée unique qui commande les deux sorties Ho et Lo; ; RT - (voir figure 12) une broche qui est connectée à un noeud d'une résistance de synchronisation; VCC - une broche qui reçoit la tension de fonctionnement de la puce qui, dans le circuit de la figure 1, est une tension de sortie dérivée de la sortie de charge Vo de l'ensemble du circuit de régulateur dévolteur 10 et de la résistance chutrice Rs à partir de la tension de bus continue VB - une broche connectée à la diode D6 et au condensateur 12. La référence 2 désigne le bus commun à faible potentiel. Le principe de commande consiste à activer Ql pendant un temps donné, équivalent au retard intrinsèque du IR 2152 et à faire varier la période d'arrêt de sorte que la tension de sortie est régulée à une valeur constante indépendante de la tension de bus continue ou du courant de sortie. La minimisation de la période d'activation de Ql par rapport au retard intrinsèque du IR 2152 réduit la taille de l'inductance de lissage. Supposons que Ho est élevé, par conséquent Q1 est mis à l'état activé. La tension traversant la diode de roue libre D5, égale à la tension de bus continue lorsque Ql est activé, est délivrée en retour à la borne CT du IR 2152 par l'intermédiaire de R1 et D3. Dl bloque la tension appliquée à CT sur VCC. Une fois le temps de retard intrinsèque du IR 2152 écoulé, Ho passe au niveau bas, Ql est désactivé et la tension de bus n'est plus délivrée à la diode de roue libre. La tension en CT décroît à un rythme initial déterminé par la capacitance interne de la borne CT ; cependant, cette tension ne descend pas au-dessous de (Vo x R3) i (R2 + R3). Ho reste à un niveau bas tant que la tension de retour appliquée à CT n'est pas tombée à VCC/3. Une fois le temps de retard intrinsèque du IR 2152, Ho passe au niveau haut et le cycle se répète. Ainsi une nouvelle période d'activation pour Ql est lancée à chaque fois que la tension de sortie tente de chuter au-dessous d'une valeur définie ce mécanisme permet de maintenir la tension de sortie à un niveau sensiblement constant malgré les changements que subissent la tension d'entrée et le courant de sortie. Une charge de sortie minimale de 35 mA environ est nécessaire pour maintenir une conduction continue dans l'inductance de lissage à 4,7 mH 14 et assurer que le condensateur d'amorçage est rechargé. La régulation de la tension de sortie en fonction du courant de charge pour le premier mode de réalisation de l'invention est représentée sur la figure 2. La tension de sortie varie de 14,93 V pour une entrée de 400 V cc et une sortie de 37 mA à 14,13 V pour une entrée de 250 V cc et une sortie de 100 mA. Cette régulation de 800 mV est considérée comme acceptable. Il faut noter que la variation peut être centrée autour d'une moyenne supérieure, par exemple 15,4 V max/14,6 V min en réglant R2. Des oscillogrammes correspondant à diverses conditions de fonctionnement sont représentés sur les figures 3 à 11. La fréquence de fonctionnement varie de 49 Hz avec une charge minimale et une tension de bus continue maximale (figure 5) à 100 Hz avec une charge maximale et une tension de bus continue minimale (figure 4). Les oscillogrammes de la figure 9 montrent que le temps d'activation de Q1, défini par le retard intrinsèque du IR 2152, varie de 500 ns environ à 25 "C à 650 ns à 100 "C. Le temps total de démarrage pour passer de la tension de bus continue à la sortie de 15 V est d'environ 5 ms à VDC = 250 V (figure 10) et de 3 ms à VDC = 400 V (figure 11). Le circuit de la figure 1 délivre en retour la tension de sortie de 15 V du régulateur par l'intermédiaire de R4/D4 pour compléter l'alimentation IC du IR 2152. La diode de Zener Z1 définit VCC à 11 V, ce qui permet de délivrer en retour un courant défini. R4/D4 et Z 1 pourraient être supprimées avec pour conséquence une résistance plus faible et une perte de puissance plus élevée pour R5. En variante, si le IR 2152 était modifié afin d'insérer une diode de Zener de 11 V (plutôt que l'actuelle diode de Zener de 15,6 V), Z I pourrait être éliminée bien que R4/D4 seraient toujours maintenues. Le circuit de la figure I ne fonctionne pas bien en présence de courants faibles (par exemple inférieurs à 40 mA) car il n'est pas possible de commander le convertisseur dévolteur. Un second mode de réalisation de la présente invention représenté sur la figure 12 élimine la diode de Zener Z 1, les diodes Di, D3 et D4 et les résistances R1 et R4 et il est avantageusement stable en condition d'absence de charge. Bien que la présente invention ait été décrite en rapport avec des modes de réalisation de celle-ci, beaucoup d'autres variantes et modifications et d'autres utilisations apparaîtront clairement à l'homme de l'art. On préfère par conséquent que la présente invention ne soit pas limitée par la description spécifique indiquée dans le présent document mais uniquement par les revendications annexées. Bien entendu, I'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation cidessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit de régulateur de puissance, comprenant un bus à entrée continue positive destiné à délivrer une tension continue relativement élevée allant d'une première à une seconde tension continue élevée, la tension d'entrée continue élevée se rapportant à un bus commun (2) à faible potentiel; un circuit d'attaque (1) de la grille monolithique alimenté par une source de courant (R4, D4, R5) à faible tension représentée par le bus commun (2); une inductance (14) et un dispositif de commutation (Q1) connecté entre le bus d'entrée continue et l'inductance (14) par l'intermédiaire de laquelle le dispositif de commutation (Q1) délivre un courant à une borne de sortie de commande de charge, le dispositif de commutation comprenant une borne de la grille;; le circuit d'attaque de la grille monolithique (1) comprenant une sortie (Ho) de commande de grille destinée à commander la borne de grille du dispositif de commutation, le circuit d'attaque (1) de la grille monolithique étant associé à un temps de retard intrinsèque prédéterminé pendant lequel sa sortie de commande de grille est active lors de son déclenchement par un signal de déclenchement qui est appliqué à une électrode de déclenchement (CT) du circuit d'attaque de la grille monolithique (1); et un circuit de régulation de puissance (R2, D2, D5, R1) couplé à l'électrode de déclenchement (CT) du circuit d'attaque de la grille afin de commander le circuit d'attaque de la grille de sorte que la sortie de commande de grille est activée pendant la durée dudit retard intrinsèque puis est désactivée pendant des intervalles de temps variables contrôlés et variant de telle sorte que la tension au niveau de la borne de sortie de commande de charge soit maintenue à une valeur prédéterminée sensiblement constante. 2. Circuit de régulateur de puissance selon la revendication 1, dans lequel le circuit d'attaque de la grille comprend une borne VCC permettant de recevoir la source de courant à faible tension et d'insérer une première résistance (R5) connectée entre le bus d'entrée continue et la borne V cc. 3. Circuit de régulateur de puissance selon la revendication 2, comprenant en outre un premier circuit connecté en série comprenant une seconde résistance (R2) et une diode (D4) connectée entre la borne VCC et la borne de sortie de commande de charge afin de délivrer un courant supplémentaire à la borne VCC. 4. Circuit de régulateur de puissance selon la revendication 2, comprenant en outre un circuit de blocage de tension (Z1) connecté entre la borne VCC et le bus commun (2) afin de maintenir la borne VCC à une tension de blocage prédétenninée. 5. Circuit de régulateur de puissance selon la revendication 4, dans lequel le circuit de blocage de tension comprend une diode de Zener (Z 1). 6. Circuit de régulateur de puissance selon la revendication 2, dans lequel l'électrode de déclenchement (CT) du circuit d'attaque de la grille monolithique est connectée à la borne de sortie de commande de charge par l'intermédiaire d'un deuxième circuit connecté en série comprenant une résistance respective (R2) et une diode respective (D2). 7. Circuit de régulateur de puissance selon la revendication 2, comprenant en outre une diode de roue libre (D5) connectée entre le dispositif de commutation et l'inductance d'une part et le bus commun d'autre part. 8. Circuit de régulateur de puissance selon la revendication 7, comprenant en outre un troisième circuit connecté en série comprenant une résistance respective (R1) et une diode respective (D3) connectée entre une cathode de la diode de roue libre (D5) et l'électrode de déclenchement (CT) du circuit d'attaque de la grille monolithique (1). 9. Circuit de régulateur de puissance selon la revendication 8, comprenant en outre une autre diode (D1) couplée entre le circuit de blocage de tension et le troisième circuit connecté en série pour assurer que la tension au niveau de l'électrode de déclenchement (CT) du circuit d'attaque de la grille monolithique ne dépasse pas la tension de blocage prédéterminée.