Brevet FR2735296A1 — publié le 19961213

CIRCUIT ET PROCEDE DE COMMANDE D'UN LIMITEUR D'APPEL DE COURANT DANS UN CONVERTISSEUR DE PUISSANCE La présente invention concerne un circuit et un procédé de commande d'un limiteur d'appel de courant dans un système de conversion de puissance. Plus particulièrement, la présente invention concerne un circuit et un procédé de comnmande d'un limiteur d'appel de courant dans un système de convertisseur à découpage qui comprend un circuit de prérégu- lation pour fournir une correction du facteur de puissance. La figure 1 représente un schéma de base d'un système de convertisseur à découpage connu. Ce système de convertisseur comprend un convertisseur S1 connecté à l'entrée d'un pont redresseur DB dont les bornes de sortie sont reliées, d'une part, à un condensateur Cl et, d'autre part, à un convertisseur à découpage SPC. Dans un système de convertisseur à découpage pour lequel les coûts et les dimensions sont des facteurs primor- diaux, on utilise couramment des redresseurs à semiconducteurs et un condensateur de filtrage de grande dimension pour fournir une tension continue à 1' entrée du convertisseur. Toutefois, comme ces systèmes ont fondamentalement une résistance d'entrée faible, en particulier quand le condensateur Cl est initialement déchargé, des pics de courant importants circulent dans les composants d'entrée, c'est-à-dire le comanmu- tateur S1, le redresseur DB, les lignes d'alimentation A, B et le condensateur Cl quand le système est connecté par 1 'intermé- diaire du commutateur Sl sur la ligne d'entrée. Ces pics ou appels de courant importants imposent des contraintes sévères aux composants d'entrée. En outre, oes appels de courant peuvent également provoquer des interférences avec d'autres équipements et appareils reliés à la même alimentation. Le convertisseur SPC est représenté commne n'ayant qu'une seule paire de bornes de sortie C et D. Toutefois, en pratique, le convertisseur aura plusieurs bornes de sortie. Ces bornes de sortie fournissent normalement des tensions continues qui sont inférieures à la tension continue à l'entrée du conver- tisseur et alimentent diverses charges (non représentées). Les applications d'un tel système de conversion de puissanoe sont bien connues et naombreuses. Il est connu dans la technique que l'appel de courant, Ic, peut être réduit quand l'alimentation est mise en route en introduisant un élément ou dispositif résistif dans une ou plusieurs des lignes d'alimentation, entre les lignes d'entrée et le condensateur Cl. En limitant l'appel de courant, on évite que les composants d'entrée subissent des contraintes impor- tantes et les interférences renvoyées sur le réseau sont réduites. La figure 2 représente un schéma fondamentalement similaire à celui de la figure 1. Toutefois, le circuit de la figure 2 comprend en outre un élément résistif R1 pour limiter l'appel de courant et un comanmutateur S2 pour court-circuiter l'élément résistif R1. L'agencement de R1 et de S2 est bien connu de l' homme de l'art. Il est également connu que des résistances ou des thermistances à coefficient de température négatif, par exemple, peuvent être utilisées pour limiter l'appel de courant et peuvent être situées avant ou après le redresseur DB. Dans l'exemple de réalisation représenté, une résis- tanoe de limitation de courant R1 et un commutateur S2 sont situés du côté redressé du système convertisseur, c'est-à-dire du côté de la haute tension continue. Le commutateur S2 peut par exemple être réalisé sous forme d'un élément redresseur commandé à silicium, par exemple un thyristor. Le caommutateur S2 est caommandé par le convertisseur SPC de la façon représentée. Toutefois, dans le cas o le commutateur S2 est un thyristor, il faut prévoir des circuits supplémentaires pour déclencher le thyristor à la fermeture puisque les tensions de sortie continues du convertisseur, c'est-à-dire les tensions qui peuvent être fournies à la grille du thyristor, sont inférieures à sa tension de cathode. Ces circuits supplémentaires nécessitent typiquement qu'une borne de sortie continue spécifique, comprenant tous les circuits complexes nécessaires, soit prévue pour commander l'état de conduction du thyristor. La tension de sortie de oette borne de sortie spécifique doit être supérieure à la tension continue sur la borne d'entrée A' du convertisseur de sorte que la jonction gâchette/cathode du thyristor puisse être polarisée en direct. La polarisation en direct de la jonction gâchette- cathode permet à du courant de circuler dans oette jonction d'o il résulte la mise en conduction du thyristor qui peut alors shunter la résistance R1 et donc éviter la perte de puissanoe de cette résistance. La néoessité de ces circuits supplémentaires entraine divers problèmes parmi lesquels on peut mentionner la néoessité de composants supplémentaires et donc une plus faible fiabilité du système, des coûts supplémentaires, en particulier pour des composants bobinés tels que des inductances, un poids plus élevé du système, une dimension plus grande du système, et une plus grande difficulté de conception initiale du circuit. L'homme de l'art sait également que les demandes du marché, qui découlent de la législation et/ou de normes formelles, ont ces dernières années entraîné l'adoption de systèmes de correction de facteur de puissance (PFC). Le facteur de puissanoe (PF) est défini par la relation PF=R/S o R est la puissanoe réelle et S la puissanoe apparente totale. Une correction de facteur de puissance est utilisée pour préréguler la puissance d'entrée tout en surélevant la tension continue d'entrée de sorte que l'on obtient un facteur de puissance anmélioré avant que la puissance ne soit convertie par un conver- tisseur de puissance. Il existe aujourd'hui sur le marché des circuits discrets et intégrés pour assurer une correction de facteur de puissanoe. Un exemple de circuit intégré est donné dans la note technique de la société SGS- Thomson Microelectronics ayant pour titre "Designing a high power factor switching pre-regulator with the L6560 transition mode I.C." de G. Comandatore & U. Moriconi (1994). Cette note sera considérée ici conmme connue et comme faisant partie intégrante de la présente description. Puisqu'il existe un besoin fort d'une correction de facteur de puissance, et en tenant compte du fait qu'un système de correction de facteur de puissance fournit une tension de sortie continue supérieure à sa tension d'entrée continue, et qu'il existe des problèmes liés à la commutation d'un thyristor, coanme on l'a indiqué précédemment, la présente invention propose une nouvelle solution pour fournir un système de conversion de puissance corrigé en facteur de puissance qui puisse être utilisé pour pallier les problèmes préexistants associés à la limitation de 1 'appel de courant. Ainsi, un objet de la présente invention est de ré- soudre les problèmes qui se posent pour la mise en court-circuit d'un dispositif de limitation d'appel de courant dans un système de conversion de puissance associé à une correction de facteur de puissance. D'autres objets de la présente invention incluent la prévision d'un circuit et d'un procédé qui pallient les pro- blèmes liés au court-circuit d'un dispositif de limitation d'appel de courant dans un système de conversion de puissance associé à un système de correction de facteur de puissance. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel circuit qui soit simple et nécessite moins de composants et soit donc plus fiable. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel circuit qui ne nécessite pas d'inductance supplémentaire ou la production de tensions spécifiques, de façon à obtenir un circuit de faible coût et plus simple à concevoir. Un autre objet de la présente invention est de main- tenir à une valeur minimale le temps de démarrage du système. Un autre objet de la présente invention est d'éviter complètement tout effet d'appel de courant secondaire. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un circuit de conversion de puissance pour fournir une tension d'alimentation redressée à un condensa- teur de sortie, comprenant un circuit redresseur, un circuit correcteur de facteur de puissance, une résistance de limita- tion d'appel de courant, cette résistance étant connectée entre le circuit redresseur et le circuit correcteur de facteur de puissance, un moyen pour court-circuiter la résistance, le condensateur de sortie étant connecté aux bornes de sortie du correcteur de facteur de puissance, le moyen de court-circuit étant activé quand la tension de sortie du circuit correcteur de facteur de puissance dépasse un seuil prédéterminé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le circuit de correction de facteur de puissance comprend un moyen de dérivation connecté entre ladite résistance et le con- densateur de sortie pour précharger le condensateur de sortie. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen de dérivation est une diode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le circuit convertisseur comprend en outre un condensateur d'en- trée connecté aux bornes d'entrée du circuit correcteur de facteur de puissance. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen pour court-circuiter la résistanoe comprend un thyris- tor en parallèle sur la résistance et un moyen comparateur pour activer 1 'état de conduction du thyristor. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen comparateur comprend une ou plusieurs diodes zener. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la sortie du circuit correcteur de facteur de puissance est supérieure à environ 30 watts. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le circuit convertisseur est inclus dans un appareil ménager ou dans un appareil industriel. La présente invention prévoit aussi un procédé de conversion de puissance pour fournir une tension d'alimentation redressée à un condensateur de sortie comprenant les étapes consistant à redresser une tension; limiter 1 'appel de courant au moyen d'une résistance; précharger le condensateur de sortie connecté aux bornes de sortie d'un circuit correcteur de facteur de puissance à une tension sensiblement égale à la tension redressée; corriger le facteur de puissance de la tension redressée; charger davantage le condensateur de sortie pré- chargé par l'intermédiaire du circuit correcteur de facteur de puissance; et court-circuiter la résistance de limitation d'appel de courant; l'étape de court-circuit de la résistance de limitation d'appel de courant étant mise en oeuvre quand la tension stockée dans le condensateur de sortie dépasse un seuil prédéterminé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ce procédé comprend en outre l'étape consistant à charger un condensateur d'entrée connecté aux bornes d'entrée du circuit de correction de facteur de puissance. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étape de courtcircuit de la résistanoe de limitation d'appel de courant est réalisée quand le condensateur d'entrée est complètement chargé à la tension redressée et que la tension stockée sur le condensateur de sortie dépasse un seuil prédéter- miné. 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 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente un schéma de base décrit ci- dessus d'un système de convertisseur à découpage; la figure 2 représente un schéma de base déjà décrit d'un système de convertisseur à découpage dérivé de celui de la figure 1 et qui comprend une résistanoe de limitation d'appel de courant et un commutateur pour court-circuiter la résistance; et la figure 3 représente un schéma détaillé d'un sys- tème de conversion de puissance à découpage selon la présente invention. Le schéma de la figure 3 est similaire à celui de la figure 2. Toutefois, ce circuit comprend un circuit de correc- tion de facteur de puissance 10 et un condensateur de filtrage optionnel C2 (représenté en pointillés). Le circuit de correction de facteur de puissance 10, qui est typiquement un système à découpage à élévation de ten- sion, est connecté entre la résistance R1 et le condensateur Cl et comprend deux diodes D1, D2, une inductance L, un commutateur S3 et un circuit de commande 20. Ces éléments sont agencés de la façon représentée et bien connue de l' homme de métier pour réaliser un circuit de correction de facteur de puissance. Toutefois, la diode D1 est une diode optionnelle, dont l'uti- lisation est préférée selon la présente invention et dont la fonction sera exposée ci-après. En figure 3, le commutateur S2 a été représenté plus en détail et comprendx un thyristor Th, une diode zener DZ et une résistance R2. Le thyristor est connecté en parallèle sur la résis- tanoe de limitation d'appel de courant R1, de façon classique. Toutefois, la gâchette du thyristor est connectée à un rail d'alimentation E, c'est-à-dire au rail de tension de sortie po- sitive du circuit de correction de facteur de puissance 10, par 1 'intermédiaire de la connexion en série de la diode zener DZ et de la résistance R2. L'anode et la cathode de la diode zener sont respectivement connectées à la grille du thyristor et au rail d'alimentation E, par l'intermédiaire de la résistance R2. En ce qui concerne le fonctionnement du circuit selon la présente invention, on suppose que le circuit ne comprend pas de condensateur C2 mais que la diode D1 est incluse. On suppose également que, dans un état initial, le condensateur Cl est complètement déchargé et que le thyristor Th ne conduit pas. L'introduction de la résistance R1 augmente la résis- tanoe d'entrée, de façon inhérente faible, du système de façon à limiter l'appel de courant dans les composants ou éléments qui sont susceptibles de subir les effets de l'appel de courant, oes composants incluant le commutateur Sl, le redresseur DB, le correcteur de facteur de puissance 10 (diode D1l) et le conden- sateur Cl. Selon la présente invention, il est préférable mais non obligatoire d'incorporer la diode D1 de sorte que la tension présente sur la borne d'entrée A' du correcteur de facteur de puissanoe 10 peut être utilisée pour précharger le condensateur Cl, placé aux bornes de sortie E, B du correcteur de facteur de puissance 10, à une tension sensiblement égale à celle de la borne A'. Un avantage de la prévision de la diode D1 est que le temps de démarrage du système est maintenu à une durée minimale car le circuit de correction de facteur de puissance 10 doit seulement charger le condensateur à partir d'une valeur de ten- sion sensiblement égale à oelle de la borne d'entrée A' jusqu'à la valeur de sortie nominale prédéterminée, par exemple 400 V. En d'autres termes, le correcteur de facteur de puissance 10 ne doit pas charger un condensateur complètement déchargé. Le choix de la valeur de la résistance R1 résulte habituellement d'un compromis entre une amplitude de crête acceptable de l'appel de courant et le retard au démarrage du système. La résistance R1 est typiquement comprise entre 10 et 100 ohms. Des valeurs typiques pour le condensateur Cl vont de à 100 microfarads selon la puissanoe de sortie du conver- tisseur (la valeur du condensateur C2, qui peut être omis, est très faible, par exemple 1 microfarad). Il faut noter que, si le condensateur C2 est incorporé dans le convertisseur de puissance, il faut que le retard au démarrage soit suffisant pour permettre au condensateur C2 de se charger complètement, par l'intermédiaire de la résistanoe R1, avant que le circuit correcteur de facteur de puissance 10 ne commence à fonctionner. Ce retard au démarrage est important car, si le circuit de correction de facteur de puissance 10 cÀmence à fonctionner avant que le condensateur C2 ne soit complètement chargé, le courant de charge, c'est-à-dire le cou- rant dans le correcteur de facteur de puissance 10, empêchera le condensateur C2 de se charger complètement de sorte que, quand25 le thyristor est activé, c'est-à-dire mis à l'état conducteur, il y aura un autre appel de courant secondaire. Toutefois, si C2 n'est pas incorporé dans le conver- tisseur de puissance, ce problème ne se pose pas. Le circuit de commande 20 dans le correcteur de fac- teur de puissance 10 tire initialement son énergie de la borne d'entrée A' et, après un court retard, commence à fonctionner. Ce circuit de commande 20 actionne le commutateur S3 de sorte qu'il conduit du courant qui permet à de l'énergie d'être stockée dans 1'inductance L. Quand le circuit de commande désactive le commutateur S3 de sorte qu'il ne conduit plus de courant, l'énergie stockée dans l'inductance L est transférée vers le condensateur Cl et ce condensateur se charge. En l'absence du condensateur C2, il faut noter que, dès que le condensateur Cl s'est chargé à une valeur de tension sensiblement égale ou supérieure à la tension présente sur la borne A', la diode D1 est polarisée en inverse. En conséquence, quand la diode D1, et également 1 'inductance L, est polarisée en inverse, il n'y a pas d'appel de courant secondaire quand la résistance R1 est court-circuitée et que le condensateur Cl n'est pas complètement chargé. Quand la tension sur la borne E est supérieure à la tension de claquage VZ de la diode zener DZ et à la chute de tension en direct de la jonction PN entre la gâchette et la cathode du thyristor Th, un courant circule de la borne E à la borne A' et amène le thyristor à passer dans son état conducteur à faible chute de tension. En conséquenoe, la résistance R1 sera court-circuitée par le thyristor Th et les pertes ohmiques seront considérablement réduites d'o il résulte une efficacité accrue. La tension de claquage VZ de la diode zener DZ et la valeur de la résistanoe R2 sont choisies pour réduire autant que possible la puissance dissipée dans le circuit de cnmmande de gâchette, c'est-à-dire E, R2, DZ, la jonction gâchette/cathode de Th, A'. En conséquenoe, la chute de tension aux bornes de la résistance R2 et de la diode zener peut être comprise entre 100 et 200 volts, par exemple, puisque la tension en A' décroît jusqu'à 0 V à chaque alternance. Il est possible, mais moins préférable, d'utiliser plusieurs diodes zener connectées en série. Il est également possible de remplacer la diode zener par un autre élément comparateur qui peut par exemple comprendre un étage de sortie à courant constant de façon à obtenir le même résultat. Toutefois, on préfère utiliser une solution à diode35 zener en raison de sa simplicité. 1l Un système convertisseur de puissance selon la pré- sente invention s'applique également à des applications à faible puissance, c'est-à-dire d'environ 30 à 150 watts, ou à des applications à forte puissance, c'est-à-dire d'environ 150 watts à plusieurs kilowatts. Ces applications peuvent être utilisées dans le domaine domestique ou pour des appareils industriels. Certains exemples non-exhaustifs d'application domes- tique ou industrielle de la présente invention comprennent les téléviseurs, les enregistreurs vidéo, les chaines à haute fidé- lité, les ordinateurs personnels, les réfrigérateurs, les machines à laver, les conditioneurs d'air, 1 'éclairage, la domotique, la robotique, la caommande de moteurs, etc. Bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre d'un mode de réalisation particulier, on notera qu'elle n'est pas limitée à ce mode de réalisation mais que de nombreuses variantes et modifications apparaîtront à l'haomme de métier. REVEND ICAT IONS 1. Circuit de conversion de puissance pour fournir une tension d'alimentation redressée à un condensateur de sortie comprenant: un circuit redresseur (DB), un circuit correcteur de facteur de puissance (10), une résistance (R1) de limitation d'appel de courant, cette résistance étant connectée entre le circuit redresseur et le circuit correcteur de facteur de puissance, un moyen (S2) pour court- circuiter la résistance, le condensateur de sortie (Cl) étant connecté aux bornes de sortie du correcteur de facteur de puissance, caractérisé en oe que ledit moyen est activé quand la tension de sortie du circuit correcteur de facteur de puissance dépasse un seuil prédéterminé. 2. Circuit convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit correcteur de facteur de puissance (10) comprend un moyen de dérivation (D1) connecté entre ladite résistance et le condensateur de sortie pour précharger le condensateur de sortie. 3. Circuit convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de dérivation est une diode (D1). 4. Circuit convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un condensateur d'entrée (C2) connecté aux bornes d'entrée (A', B) du circuit correcteur de facteur de puissance. 5. Circuit convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen pour court- circuiter la résistance comprend: un thyristor (Th) en parallèle sur la résistance; et un moyen comparateur pour activer 1 'état de conduction du thyristor. 6. Circuit convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen comparateur comprend une diode zener (DZ). 7. Circuit convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen ccmparateur comprend plusieurs diodes zener. 8. Circuit convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en oe que la sortie du circuit correcteur de facteur de puissance est supérieure à environ 30 watts. 9. Circuit convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en oe qu'il est inclus dans un appareil ménager. 10. Circuit convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est inclus dans un appareil industriel. 11. Procédé de conversion de puissance pour fournir une tension d'alimentation redressée à un condensateur de sortie comprenant les étapes suivantes redresser une tension; limiter l'appel de courant au moyen d'une résistance (Rl); précharger le condensateur de sortie (Cl) connecté aux bornes de sortie d'un circuit correcteur de facteur de puissance (10) à une tension sensiblement égale à la tension redressée; corriger le facteur de puissance de la tension redressée; charger davantage le condensateur de sortie préchargé par l'intermédiaire du circuit correcteur de facteur de puis- sance; court-circuiter la résistance de limitation d'appel de courant; caractérisé en ce que l'étape de court-circuit de la résistance de limitation d'appel de courant est mise en oeuvre quand la tension stockée dans le condensateur de sortie dépasse un seuil prédéterminé. 12. Prodé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu 'il comprend en outre l'étape consistant à charger un condensateur d'entrée (C2) connecté aux bornes d'entrée du circuit de correction de facteur de puissanoe. 5 13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, carac- térisé en ce que l'étape de court-circuit de la résistance de limitation d'appel de courant est réalisée quand le condensateur d'entrée est complètement chargé à la tension redressée et que la tension stockée sur le condensateur de sortie dépasse un10 seuil prédéterminé.