Brevet FR2742277A1 — publié le 19970613

DISPOSITIF D'ALIMENTATION A DECOUPAGE L'invention concerne un dispositif d'alimentation à découpage. Elle trouve plus particulièrement bien que non exclusivement son application dans le domaine de l'éclairage. Classiquement, de tels dispositifs sont des structures non isolées. Ces dispositifs produisent à partir du réseau alternatif une tension continue pour alimenter des circuits électroniques tels que des lampes fluorescentes. Ils sont principalement constitués d'un régulateur de courant. On choisit habituellement comme régulateurs de courant des régulateurs à découpage car ils ont un rendement élevé et ne dissipent que peu d'énergie au niveau de leur interrupteur de puissance. Parmi les qualités qu'on attend d'un tel dispositif d'alimentation à découpage, il y a notamment l'obtention d'un facteur de puissance proche de l'unité. 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. Le type de régulateur à découpage le plus couramment utilisé pour garantir un facteur de puissance élevé est constitué d'un circuit d'élévation de tension suivi d'un circuit de découpage, un condensateur de filtrage étant inséré entre ces deux circuits. Le circuit d'élévation de tension comprend une inductance dont le transfert d'énergie est commandé par un interrupteur de puissance dont la commande d'ouverture ou de fermeture est fournie par un circuit de contrôle. Ce circuit d'élévation permet d'obtenir une tension régulée en sortie élevée aux bornes du condensateur de filtrage. Cette tension de sortie est ensuite appliquée au circuit de découpage pour l'asservir à un niveau de tension de référence. La figure 1 illustre schématiquement ce type de dispositif d'alimentation à découpage, comportant un circuit d'élévation de tension 1, un condensateur de filtrage C10 et un circuit de découpage 2. Le circuit d'élévation de tension 1 appelé communément montage "boost" est connecté en entrée aux deux bornes de sortie d'un circuit de redressement P10 et en sortie aux deux bornes du condensateur de filtrage C10. Il comprend une bobine d'induction L10 en série avec une diode D10, l'ensemble étant connecté entre la borne positive du circuit de redressement P10 et la borne positive du condensateur de filtrage C10. L'anode de la diode D10 est reliée à la bobine d'induction L10. Le circuit d'élévation de tension comporte en outre un interrupteur de puissance SW10 connecté entre l'anode de la diode D10 et la ligne du neutre du circuit de redressement P10. La borne négative du condensateur de filtrage C10 est également reliée à la ligne du neutre du circuit de redressement. Un circuit de contrôle CC10 permet de commander l'interrupteur de puissance SW10. La haute tension régulée obtenue aux bornes du condensateur de filtrage C10 est ensuite appliquée au circuit de découpage 2 pour la réduire à un niveau de tension donné. Ce circuit de découpage comporte un interrupteur de puissance SW11 et le circuit de contrôle CCll s'y rapportant. La structure de ce circuit n'est pas détaillée dans la description car elle est bien connue de l'homme du métier. Le fonctionnement global d'un tel dispositif d'alimentation à découpage est le suivant: Pendant une durée Tonlw l'interrupteur de puissance SW10 est fermé. La diode D10 est bloquée et la bobine d'induction L10 emmagasine de l'énergie. Puis, pendant une durée Off1, l'interrupteur de puissance SW10 est bloqué. La diode D10 devient passante et il y a transfert d'énergie entre la bobine d'induction L10 et le condensateur C10. On obtient ainsi une tension élevée aux bornes du condensateur de filtrage C10 qui est supérieure à la tension crête du signal d'entrée. Cette tension est ensuite asservie à une tension de référence plus faible par le circuit de découpage 2. Ce type de régulateur permet alors d'obtenir en sortie une tension régulée avec un faible taux d'ondulation. Toutefois, la qualité de la régulation en sortie n'est pas essentielle dans le domaine de l'invention. En effet, la tension appliquée aux bornes du dispositif de commande d'une lampe fluorescente peut fluctuer sans pour cela perturber le fonctionnement de la lampe. En revanche, la qualité du facteur de puissance est un élément déterminant dans le choix du dispositif d'alimentation à découpage. Dans l'exemple de la figure 1, le facteur de qualité du dispositif d'alimentation à découpage est élevé, de l'ordre de 0.98. Cependant, les dispositifs d'alimentation tels que décrits précédemment sont très coûteux car ils requièrent un nombre important de composants: deux interrupteurs de puissance SW10, SWll et les circuits de contrôle CC10, CCll s'y rapportant. Le but principal de l'invention est de résoudre ce problème de coût du dispositif en proposant un circuit comportant un nombre plus réduit de composants tout en conservant un facteur de puissance élevé. Ainsi, l'invention a pour objet un dispositif d'alimentation recevant une tension d'entrée alternative redressée par un circuit de redressement entre une première et une seconde borne d'entrée, caractérisé en ce qu'il comporte une première diode dont l'anode est connectée à la première borne d'entrée; une première bobine d'induction connectée en série avec un interrupteur de puissance entre la cathode de la première diode et la seconde borne d'entrée, lequel interrupteur de puissance est commandé par une tension de commande délivrée par un circuit de contrôle; un premier condensateur assurant une tension sensiblement constante à ses bornes dont l'armature positive est connectée au point milieu de la première bobine d'induction; une seconde bobine d'induction reliée d'une part à l'armature négative du premier condensateur et d'autre part à la cathode d'une deuxième diode; une résistance de mesure connectée entre l'anode de la deuxième diode et la seconde borne d'entrée; une troisième diode dont l'anode est connectée à l'armature négative du premier condensateur et la cathode à l'armature positive d'un second condensateur, l'armature négative du second condensateur étant reliée à l'anode de la seconde diode. Pour commander l'interrupteur de puissance, on prévoit un circuit de contrôle de type modulateur de largeur d'impulsion (Pulse Width Modulator). Selon un premier aspect de l'invention, le circuit de contrôle délivre un signal de commande dont le rapport cyclique est constant pour une valeur crête fixée de la tension d'entrée du dispositif. Selon un second aspect de l'invention, on prévoit un circuit de contrôle délivrant un signal de commande dont le rapport cyclique varie en fonction de l'amplitude de la tension issue du circuit de redressement afin d'améliorer le facteur de puissance du dispositif et le taux d'ondulation de son courant de sortie. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention sont présentés dans la description jointe, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est un schéma d'ensemble d'un dispositif d'alimentation à découpage connu; - la figure 2 est un schéma d'ensemble d'un premier dispositif d'alimentation à découpage selon l'invention; - la figure 3 est un schéma d'un circuit de contrôle se rapportant au dispositif de la figure 2; - les figures 4a, 4b et 4c sont des courbes temporelles des signaux d'entrée et de sortie se rapportant au dispositif de la figure 2; - la figure 5 est un schéma d'ensemble d'un second dispositif d'alimentation à découpage selon l'invention; - la figure 6 est un schéma d'un circuit de contrôle se rapportant au dispositif de la figure 5;; les - les figures 7a, 7b et 7c sont des courbes temporelles des signaux d'entrée et de sortie se rapportant au dispositif de la figure 5; - la figure 8 est une variante du circuit de contrôle se rapportant au dispositif de la figure 2. La figure 1 a été préalablement décrite dans le préambule de la description et constitue l'état de la technique. La figure 2 est le schéma d'un premier exemple de réalisation d'un dispositif d'alimentation selon l'invention. Le dispositif d'alimentation est connecté d'une part aux bornes de sortie du circuit de redressement illustré dans le cas présent par un pont diode P20 et d'autre part aux bornes d'une une charge LOAD. Le dispositif est constitué d'une diode D20 montée en série avec une bobine d'induction L20 et avec un interrupteur de puissance SW20, l'ensemble étant connecté entre les deux bornes de sortie du circuit de redressement. L'interrupteur de puissance SW20 reçoit un signal de commande issu d'un circuit de contrôle CC20. La diode D20 est polarisée de telle sorte que son anode est reliée au circuit de redressement et sa cathode à la bobine d'induction L20. Par ailleurs, une branche comprenant un condensateur C20, éventuellement chimique, en série avec une seconde bobine d'induction L21, une diode D22 et une résistance R20 est placée en parallèle avec l'interrupteur de puissance SW20. Le condensateur C20 joue le rôle de réservoir d'énergie lorsque la tension d'entrée est nulle. En outre, la tension à ses bornes reste constante durant le fonctionnement du dispositif d'alimentation pour une valeur crête fixée de la tension issue du circuit de redressement P20. L'anode de la diode D22 est reliée à la résistance de mesure R20. En pratique, le condensateur C2O est un condensateur chimique et la valeur de sa capacité est de quelques dizaines de microfarads. La résistance R20 est une résistance de très faible valeur et permet de mesurer le courant circulant à travers la bobine d'induction L21 lorsque l'interrupteur de puissance SW20 est fermé. Les diodes D20 et D22 sont polarisées de façon à éviter un retournement de courant respectivement dans les bobines d'induction L20 et L21, lorsqu'elles sont complètement démagnétisées. Le dispositif d'alimentation comprend en outre une diode D21 montée en série avec un second condensateur C21, l'ensemble étant placé en parallèle aux bornes de la seconde bobine d'induction L21. La diode D21 est polarisée de telle sorte qu'elle permette à un courant provenant de la bobine d'induction L21 de venir charger le condensateur C21 lorsque l'interrupteur de puissance SW20 est ouvert. Enfin, le circuit de charge LOAD est connecté aux bornes du condensateur C21. L'interrupteur de puissance SW20 peut être un transistor de puissance de type MOSFET. Il reçoit un signal de commande issu d'un circuit de contrôle CC20 décrit à la figure 3. Dans notre exemple, le circuit de contrôle CC20 est un modulateur de largeur d'impulsion (Pulse Width Modulator) délivrant le signal de commande de l'interrupteur de puissance SW20. Ce circuit de contrôle sera détaillé à la figure 3. Le fonctionnement d'un tel dispositif d'alimentation est le suivant: pendant une durée Ton, l'interrupteur de puissance SW20 est fermé. Les bobines d'induction L20 et L21 emmagasinent de l'énergie et la diode D21 est bloquée. La tension aux bornes du condensateur chimique C20 reste constante et le courant traversant la bobine d'induction L21 augmente avec une pente constante. On choisit la valeur de l'ensemble des composants passifs du dispositif de telle manière que la bobine d'induction L20 soit complètement démagnétisée à chaque nouvelle période du signal de commande ( mode discontinu ). Pendant T,ff, l'interrupteur de puissance SW20 est ouvert. Il y a transfert d'énergie de la bobine d'induction L20 vers le condensateur C20 et de la bobine d'induction L21 vers le condensateur C21. La tension de sortie du dispositif est ensuite appliquée aux bornes du circuit de charge LOAD. Les performances du dispositif seront décrites en regard des figures 4a, 4b et 4c. La figure 3 illustre un exemple de réalisation du modulateur de largeur d'impulsion. Ce modulateur est utilisé en mode courant, c'est-à-dire que la mesure du courant à travers la résistance R20 conditionne la valeur du rapport cyclique du signal de commande de l'interrupteur. Il faut noter que le courant traversant la résistance de mesure R20 pendant T on correspond au courant traversant la bobine d'induction L21. Le circuit de contrôle CC20 comprend un comparateur de tension COMP recevant sur son entrée négative une tension de référence Vref et sur son entrée positive la tension présente aux bornes de la résistance R20. La sortie du comparateur COMP est reliée à l'entrée Reset d'une bascule RS. Cette bascule reçoit sur son entrée Set un signal d'horloge CLK issu d'une horloge interne et délivre sur sa sortie Q le signal de commande de l'interrupteur de puissance SW20. La fréquence du signal d'horloge est très élevée et très supérieure à la fréquence du signal issu du réseau alternatif. Par ailleurs, l'horloge interne, le circuit d'élaboration de la tension de référence, le comparateur et la bascule sont réalisés sur le circuit intégré du dispositif. Pour ajuster la fréquence de l'horloge interne, on pourra prévoir de connecter un réseau RC externe. Le circuit de contrôle fonctionne de la façon suivante : au départ, un coup d'horloge vient mettre la sortie Q de la bascule à 1 et l'interrupteur de puissance SW20 est fermé. La tension aux bornes du condensateur C20 se retrouve aux bornes de la bobine d'induction L21. Pour une valeur crête fixée de la tension d'entrée, la tension aux bornes de la bobine d'induction L21 est constante et le courant la traversant augmente alors linéairement. Le courant circulant dans la résistance R20 augmente donc de la même façon et lorsque la tension à ses bornes atteint la tension de référence Vref, la sortie Q de la bascule RS change d'état et l'interrupteur s'ouvre. On obtient un rapport cyclique constant. Dans le cas où la valeur crête de la tension d'entrée varierait et passerait par exemple de 220 à 230 volts, le rapport cyclique varierait pendant cette transition. Les figures 4a, 4b et 4c représentent respectivement la tension d'entrée Ve et le courant moyen d'entrée Ie du circuit de redressement, et le courant moyen de sortie Is du dispositif. On constate que le courant Ie n'est pas sinusoïdal et que le courant moyen de sortie Is présente un taux d'ondulation assez important. Suite à la sensible déformation de la courbe du courant moyen d'entrée, le facteur de puissance du dispositif d'alimentation s'en trouve légèrement diminué. Cette déformation de la courbe du courant est en grande partie dû au temps de démagnétisation plus important des bobines d'induction lorsque la tension d'entrée est élevée. Toutefois, si on commente ces courbes, on s'aperçoit que la valeur du facteur de puissance reste élevée et est égale à 0.98. De plus, l'harmonique 3 dans le courant moyen d'entrée Ie représente 30% de l'harmonique fondamentale. En ce qui concerne le courant moyen de sortie, son taux d'ondulation est assez important, de l'ordre de 40%. Malgré le facteur de puissance élevé du dispositif, on peut encore améliorer les performances du dispositif. Dans ce but, on propose de faire varier le rapport cyclique du signal de commande en fonction de l'amplitude de la tension d'entrée du dispositif. Pour se faire, on a modifié le circuit de contrôle de l'interrupteur de puissance SW20 de façon à ce que la forme d'onde du courant moyen d'entrée se rapproche d'une sinusoïde. Il s'agit de diminuer le courant moyen d'entrée lorsque la tension d'entrée est élevée. Pour cela, on diminue le rapport cyclique du signal de commande de l'interrupteur de puissance pour les valeurs de la tension d'entrée proches de la valeur crête. A l'inverse, on augmente le rapport cyclique lorsque la tension d'entrée est faible. Pour faire varier le rapport cyclique du signal de commande, on modifie le circuit de contrôle de l'interrupteur de puissance. La figure 5 illustre un dispositif d'alimentation dans lequel le signal de commande issu du circuit de contrôle CC21 varie en fonction de la tension à la sortie du circuit de redressement. La figure 6 illustre un modulateur de largeur d'impulsion délivrant un signal de commande dont le rapport cyclique est fonction de la tension d'entrée. Ce modulateur est identique à celui présenté à la figure 3 auquel on a rajouté un étage d'entrée pour modifier la tension de référence du comparateur COMP. Cet étage d'entrée est un montage inverseur constitué d'un amplificateur opérationnel AMP dont la sortie est rebouclée sur l'entrée négative par l'intermédiaire d'une résistance R2. Par ailleurs, la tension de référence Vref est appliquée sur l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel AMP ainsi que la tension d'entrée Vel issue du circuit de redressement P20 sur l'entrée négative à travers une résistance R1. Les résistances R1 et R2 sont dimensionnées pour que l'amplificateur inverseur ait un gain très faible de l'ordre de 0.01. Ce montage permet de faire varier la tension de référence appliquée sur l'entrée négative du comparateur de tension COMP. Lorsque la tension d'entrée Vel est proche de zéro, la tension de sortie de l'amplificateur est sensiblement égale à la tension de référence Vref. Pour toute autre valeur de tension d'entrée, la tension de sortie est inférieure à la tension de référence Vref. Cette variation du seuil de référence du comparateur COMP entraine alors une variation du rapport cyclique du signal de commande. Les figures 7a, 7b représentent respectivement la tension d'entrée et le courant moyen d'entrée en amont du circuit de redressement. La figure 7c représente le courant moyen de sortie du dispositif d'alimentation. Par comparaison aux courbes des figures 4a, 4b et 4c, on s'aperçoit que le dispositif de la figure 5 permet d'améliorer le facteur de puissance et le taux d'ondulation du courant de sortie. Le facteur de puissance du dispositif amélioré est de 0.99, et l'harmonique 3 du courant moyen d'entrée représente 12 à 14% de l'harmonique fondamentale. En ce qui concerne le courant moyen de sortie , son taux d'ondulation est réduit à 25% de la valeur crête du courant de sortie. En pratique, pour une tension efficace d'entrée égale à 230 volts et pour obtenir en sortie une puissance de 40 watts sous une tension de 110 volts, le dimensionnement des éléments du dispositif est le suivant: L20 = 55011H, L21 = 730H et C20 = 22au. Enfin, la figure 8 décrit un second exemple de modulateur de largeur d'impulsion CC20 délivrant un signal de commande dont le rapport cyclique est constant pour une valeur crête de tension d'entrée fixe. Ce circuit découle du schéma du modulateur CC21 de la figure 6. Pour obtenir une tension de référence fixe sur l'entrée négative du comparateur de tension COMP, l'étage d'entrée est transformé en montage suiveur. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'alimentation recevant une tension d'entrée alternative redressée par un circuit de redressement (P20) entre une première et une seconde borne d'entrée, caractérisé en ce qu'il comporte une première diode (D20) dont l'anode est connectée à la première borne d'entrée; une première bobine d'induction (L20) connectée en série avec un interrupteur de puissance (SW20) entre la cathode de la première diode (D20) et la seconde borne d'entrée, lequel interrupteur de puissance (SW20) est commandé par une tension de commande délivrée par un circuit de contrôle (CC20); un premier condensateur (C20) assurant une tension sensiblement constante à ses bornes dont l'armature positive est connectée au point milieu de la première bobine d'induction (L20); une seconde bobine d'induction (L21) reliée d'une part à l'armature négative du premier condensateur (C20) et d'autre part à la cathode d'une deuxième diode (D22); une résistance de mesure (R20) connectée entre l'anode de la deuxième diode (D22) et la seconde borne d'entrée; une troisième diode (D21) dont l'anode est connectée à l'armature négative du premier condensateur (C20) et la cathode à l'armature positive d'un second condensateur (C21), l'armature négative du second condensateur (C21) étant reliée à l'anode de la seconde diode (D22). 2 - Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de contrôle (CC20) est un modulateur de largeur d'impulsion. 3 - Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit de contrôle (CC20) délivre un signal de commande dont le rapport cyclique est constant pour une valeur crête fixée de la tension d'entrée. 4 - Dispositif d'alimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce que la valeur du rapport cyclique du signal de commande est fonction du courant circulant dans la résistance de mesure (R20). 5 - Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le circuit de contrôle comporte: - un comparateur de tension (COMP) recevant sur son entrée positive la tension aux bornes de la résistance de mesure (R20) et sur son entrée négative une tension de référence (Vref)i et délivrant un premier signal de sortie, et - une bascule RS (RS) recevant sur son entrée Set un signal d'horloge (CLK) et sur son entrée Reset le signal de sortie, laquelle bascule RS (RS) délivre sur sa sortie Q le signal de commande de l'interrupteur de puissance (SW20). 6 - Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit de contrôle (CC20) délivre un signal de commande dont le rapport cyclique varie en fonction de l'amplitude de la tension entre la première et la seconde borne d'entrée. 7 - Dispositif d'alimentation selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de contrôle comporte: - un amplificateur inverseur (AMP,R1,R2) de gain très faible, recevant sur son entrée positive la tension de référence (Vref) et sur son entrée négative la tension présente entre la première et la seconde borne d'entrée, et délivrant un signal de référence, - un comparateur de tension (COMP) recevant sur son entrée positive la tension aux bornes de la résistance de mesure (R20) et sur son entrée négative le signal de référence, et délivrant un deuxième signal de sortie, et - une bascule RS (RS) recevant sur son entrée Set un signal d'horloge (CLK) et sur son entrée Reset le signal de sortie, laquelle bascule RS (RS) délivre sur sa sortie Q le signal de commande de l'interrupteur de puissance (SW20). 8 - Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'interrupteur de puissance (SW20) est un transistor de puissance de type MOSFET. 9 - Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'ensemble des composants passifs du dispositif est dimensionné pour qu'au moins la première (L20) desdites première et seconde bobines d'induction (L20,L21) fonctionne en mode discontinu.