Brevet FR2783375A1 — publié le 20000317

CIRCUIT DE COMMUTATION, NOTAMMENT POUR GENERER DES SIGNAUX DE COMMANDE DU TYPE A IMPULSIONS A LARGEUR MODULEE DANS UN VEHICULE AUTOMOBILE La présente invention est relative aux circuits de commutation. Plus particulièrement, elle concerne les circuits de commutation - également appelés hacheurs - qui permettent de réaliser des découpages de tension et qui sont utilisés, notamment dans les véhicules automobiles, pour générer des signaux de commande à impulsions à largeur modulée ("Pulse Width Modulation" ou PWM selon la terminologie de l'Homme du Métier) par exemple pour l'alimentation de moteurs électriques, pour l'alimentation de lampes à décharge, etc... Un circuit de commutation de ce type a été illustré sur la figure 1. Il comporte un module de commutation M, un condensateur de filtrage C1 monté en entrée du module de commutation M et un condensateur de filtrage C2 monté en sortie du module de commutation M. Dans l'exemple illustré sur cette figure 1, le module M de commutation comporte deux interrupteurs S1 et S2, l'interrupteur S1 étant monté entre une extrémité du condensateur C1 et l'interrupteur S2, tandis que l'interrupteur S2 est monté entre l'interrupteur S1 et l'autre extrémité du condensateur C1. Le condensateur C2 est monté en série avec une inductance L2 entre les extrémités de l'interrupteur S2. La tension U en entrée de ce circuit de commutation est la tension entre d'une part une extrémité d'une inductance L1 dont l'autre extrémité est reliée à l'extrémité commune au condensateur C1 et à l'interrupteur S1 et d'autre part l'autre extrémité du condensateur C1. La tension V en sortie du circuit est la tension aux bornes du condensateur C2. Pour une tension U d'entrée donnée, elle est par exemple du type de celle illustrée sur la figure 2, c'est à dire une tension à impulsions à largeur modulée de période T et de rapport cyclique r=T1/T, o T1 est le temps rapporté à la période T pendant lequel l'interrupteur S1 est ouvert, tandis que l'interrupteur S2 est fermé, les interrupteurs S1 et S2 étant respectivement fermé et ouvert pendant le reste de la période (temps T2). En variante, I'interrupteur S2 peut être remplacé par une diode. Bien entendu, d'autres montages sont envisageables, notamment pour réaliser le module de commutation M. Un problème rencontré avec les circuits de commutation connus à ce jour tient en ce que les courants efficaces dans les condensateurs de filtrage (condensateurs C1 et C2 sur la figure 1) sont importants. Il en résulte un échauffement sensible des composants du circuit. En outre, les courants qui traversent les condensateurs de filtrage engendrent, notamment sur les composants inductifs du circuit (inductances L1 et L2 sur la figure 1), des perturbations de tension importantes qui sont à l'origine d'émission par le circuit de parasites électromagnétiques (perturbations CEM). Un but de l'invention est de résoudre ces problèmes et de proposer une structure de circuit de commutation dans laquelle l'intensité du courant dans les condensateurs de filtrage est réduite. Elle présente à cet effet un circuit de commutation pour générer des signaux de commande à impulsions à largeur modulée comportant deux condensateurs, l'un d'entrée, I'autre de sortie, ainsi qu'un module de commutation qui comprend au moins un interrupteur commandé et qui est monté entre lesdits condensateurs, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de modules de commutation montés en parallèle entre lesdits condensateurs, les interrupteurs desdits modules de commutation étant commandés de façon déphasée. Ce circuit de commutation est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon leurs combinaisons possibles: - le circuit comporte deux modules de commutation montés en parallèle entre le condensateur d'entrée et le condensateur de sortie, ces modules sont commandés avec un déphasage de 2n/n radians, o n est le nombre de modules; - un circuit de commutation comporte deux interrupteurs, un premier interrupteur étant monté entre une extrémité du condensateur d'entrée et l'autre interrupteur, tandis que le deuxième interrupteur est monté entre le premier interrupteur et l'autre extrémité du condensateur d'entrée, le deuxième condensateur étant monté en série avec une inductance entre les extrémités du deuxième interrupteur; - le deuxième interrupteur est remplacé par une diode. L'invention concerne également un montage de commande et/ou d'alimentation pour générer dans un véhicule automobile des signaux de commande à impulsions à largeur modulée, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà discutée, illustre le schéma d'un circuit de commutation conforme à un mode de réalisation connu dans l'état de la technique; - la figure 2 est un graphe sur lequel on a représenté par rapport au temps l'évolution de la tension découpée en sortie du circuit de la figure 1; - la figure 3 illustre le schéma d'un circuit de commutation conforme à un mode de réalisation possible de l'invention; les figures 4a, 4b sont des graphes sur lesquels on a porté un exemple de signaux de tension générés par chacun des deux modules de commutation du circuit de la figure 3, pour r inférieur à 1/2; - les figures 5a, 5b sont des graphes sur lesquels on a porté des exemples de signaux de tension générés par chacun des deux modules de commutation du circuit de la figure 3, pour r supérieur à 1/2. Le circuit qui est illustré sur la figure 3 comporte, de la même façon que celui de la figure 1, un condensateur de filtrage d'entrée Cl1, un condensateur de filtrage de sortie C2 et une inductance d'entrée L1. Il comporte en outre deux modules de commutation M1, M2 qui sont montés en parallèle entre le condensateur C1 et le condensateur C2 et qui sont analogues au module M, mais dimensionnés pour délivrer - à partir de la même tension d'entrée - une puissance divisée par deux par rapport à celle délivrée par le module M. Le module M1 comporte deux interrupteurs Sll, S12. L'interrupteur Sl1 est celui qui est monté entre une extrémité du condensateur C1 et l'interrupteur S12, tandis que l'interrupteur S12 est monté entre l'interrupteur Sl1 et l'autre extrémité du condensateur C1. L'inductance montée en série avec le condensateur C2 entre les extrémités de l'interrupteur S12 a été référencée par L12. De même, le module M2 comporte deux interrupteurs S21, S22. L'interrupteur S21 est celui qui est monté entre une extrémité du condensateur C1 et l'interrupteur S22, tandis que l'interrupteur S22 est monté entre l'interrupteur S21 et l'autre extrémité du condensateur C1. L'inductance montée en série avec le condensateur C2 entre les extrémités de l'interrupteur S22 a été référencée par L22. Les valeurs des inductances L12 et L22 sont de l'ordre du double de la valeur de l'inductance L2. Les interrupteurs de ces deux modules M1 et M2 sont commandés de façon que les impulsions de découpage qu'ils génèrent soient déphasées. Le déphasage est avantageusement égal à n radians. On a illustré sur les figures 4a et 4b un exemple de découpage de tension mis en oeuvre respectivement par les modules M1 et M2. Ces découpages sont déphasés et génèrent dans le condensateur Cl1 des courants d'une intensité égale à la moitié de l'intensité du courant généré dans le condensateur C1 du circuit de la figure 1 pour d'une part une même tension d'entrée U et d'autre part une même période T et un même rapport cyclique r pour le module M et les modules M1 et M2. Le courant efficace dans le condensateur C1 qui correspond à cette intensité est inférieur au courant efficace généré dans le condensateur C1 dans les conditionnements de fonctionnements précités du circuit de la figure 1. Dans le cas du circuit de la figure 1, le courant efficace dans le condensateur Cl est donné par 1 TI 2+TrI2) Ieffc2l =(Ti2 o Il et 12 sont les intensités des courants qui traversent Cl respectivement pendant le temps T1 et pendant le temps T2. Si l'on considère que C est chargé de façon constante, on a: TII, = T2I2 Soit, en posant I2 = I Leff, ('rI ( r) Dans le cas du montage illustré sur la figure 3, et d'une commande des modules M1 et M2 avec un rapport cyclique r inférieur à 1/2 ( cas illustré sur les figures 4a à 4c), on a i i Ieffc, = (2TIi + 2T2I) soit, en posant TI1 = T2I2 et I2 = I I2eff, =-2 2T +T2 I2 2T Tl_ I2effcl = 2T2 12 = TI T 2aTl Ti c'est à dire: I2effc _(1- 2r)I. 2r Par consequent, pour une même période T et un même rapport cyclique r pour le module M et les modules M1 et M2, le courant efficace dans Cl est plus petit dans le cas du montage de la figure 3 que dans le cas de celui de la figure 1. On a également illustré sur les figures 5a à 5b une commande des modules M1 et M2 avec un rapport cyclique r supérieur à 1/2. On démontre que dans ce cas, le courant efficace vérifie: (1-rX2r-1)i2 Ieffcl = 2) 2r 2 et est donc également inférieur au courant efficace généré dans C1 avec le montage de la figure 1. De la même façon, on démontre que pour une même période T et un même rapport cyclique r pour le module M et les modules M1 et M2, le courant efficace dans C2 est plus petit dans le cas du montage de la figure 3 que dans le cas de celui de la figure 1, que le rapport cyclique r soit supérieur ou inférieur à 1/2. il résulte de cet abaissement du courant efficace un chauffage moins important des composants du circuit. Egalement, les ondulations de tension et donc les émissions électromagnétiques parasites sont réduites. Ce résultat a été vérifié expérimentalement. De façon plus générale, les courants efficaces dans les condensateurs d'entrée et de sortie sont diminués dès lors que l'on augmente le nombre de modules d'interrupteurs montés en parallèle entre ces condensateurs, ces modules de commutation étant commandés avec un déphasage de 2n/n, la puissance de chacun de ces modules étant de Pin o P est la puissance du circuit de commutation ainsi réalisé. On notera que le fait de multiplier le nombre de modules de commutation n'entraîne pas de surdimensionnement important pour le circuit, puisque les courants que doivent supporter les interrupteurs sont quant à eux réduits. Bien entendu, d'autres structures de module de commutation que celle qui a été décrite pour les modules M, M1 et M2 sont envisageables. REVENDICATIONS 1. Circuit de commutation pour générer des signaux de commande à impulsions à largeur modulée comportant deux condensateurs, I'un d'entrée, I'autre de sortie, ainsi qu'un module de commutation qui comprend au moins un interrupteur commandé et qui est monté entre lesdits condensateurs, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de modules de commutation montés en parallèle entre lesdits condensateurs, les interrupteurs desdits modules de commutation étant commandés de façon déphasée. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux modules de commutation montés en parallèle entre le condensateur d'entrée et le condensateur de sortie. 3. Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ces modules sont commandés avec un déphasage de 27/n radians, o n est le nombre de ces modules. 4. Circuit selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un circuit de commutation comporte deux interrupteurs, un premier interrupteur étant monté entre une extrémité du condensateur d'entrée et l'autre interrupteur, tandis que le deuxième interrupteur est monté entre le premier interrupteur et l'autre extrémité du condensateur d'entrée, le deuxième condensateur étant monté en série avec une inductance entre les extrémités du deuxième interrupteur. 5. Circuit selon la revendication 4, dans lequel le deuxième interrupteur est remplacé par une diode. 6. Montage de commande et/ou d'alimentation pour générer dans un véhicule automobile des signaux de commande à impulsions à largeur modulée, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit selon l'une des revendications précédentes.