Brevet FR2790616A1 — publié le 20000908

I CIRCUIT CHANGEUR DE TENSION A DECOUPAGES DECALES ET RESEAU DE DISTRIBUTION D'ENERGIE EN FAISANT APPLICATION La présente invention concerne les circuits d'alimentation électrique changeurs de tension permettant de fournir, à partir d'une source de courant continu fournissant une tension approximativement constante, au moins une tension de sortie différente et régulée. De tels circuits trouvent de nombreuses applications en particulier sur les véhicules automobiles dont la source d'énergie électrique est une batterie maintenue en charge par un générateur constitué par une dynamo ou, plus généralement à l'heure actuelle, un alternateur muni d'un redresseur. A l'heure actuelle, la plupart des véhicules sont équipés d' une batterie d'accumulateurs de 12 V ou, dans des cas peu fréquents, de 24 V alors que certains composants électromécaniques requièrent une tension continue plus élevée. Par exemple, une tension continue de 42 V a été jugée souhaitable pour commander les soupapes d'un moteur à combustion interne de façon électromagnétique. Un circuit élévateur de tension continue permet un o d'obtenir la tension notablement plus élevée qui est souhaitable pour actionner de tels composants. t Dans d'autres cas, il est souhaitable de disposer d'un circuit abaisseur de tension permettant d'obtenir, à partir d'une batterie d'accumulateurs à tension élevée (par exemple 48 Volts, à la fois la tension de la source et une tension inférieure permettant par exemple d'alimenter des circuits électroniques ou surtout des composants déjà largement utilisés, disponibles sur le marché et fonctionnant sous une tension plus faible. Il existe déjà des circuits changeurs de tension. Pour la plupart, ils ont l'inconvénient de provoquer un appel de courant intense de façon cyclique et/ou de faire passer temporairement un courant élevé dans des composants. Ces appels de courant intense se traduisent par des pertes élevées, dues par exemple à la résistance interne d'une batterie d'accumulateurs lorsque la source est constituée par une telle batterie. Les pertes ohmiques sont en effet proportionnelles au carré de l'intensité. La présente invention vise notamment à fournir un circuit changeur de tension permettant de "lisser" le courant appelé sur la source et/ou de diminuer l'intensité du courant qui parcourt les composants les plus critiques du circuit. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif d'alimentation électrique élévateur de tension comportant: une source de tension continue; - un circuit de puissance à self-inductance de stockage d'énergie et à condensateur de récupération d'énergie, caractérisé en ce que le circuit comporte n voies, n étant un nombre entier au moins égal à 3, chaque voie ayant une self-inductance de stockage d'énergie montée en série avec le condensateur unique par l'intermédiaire d'une diode et un interrupteur de fermeture d'un trajet de courant de charge de la self-inductance par la source, et en ce que le dispositif comprend de plus un circuit de commande provoquant une alternance séquentielle de fermetures et d'ouvertures des interrupteurs avec une période déterminée, le rapport cyclique de fermeture des interrupteurs étant tel qu'il y ait à tout moment recouvrement d'au moins deux durées de fermeture. le dit circuit de commande commandant le rapport cyclique pour maintenir la tension de sortie à une valeur déterminée. Les durées d'ouverture sont choisies de façon à être au moins adjacentes. Un tel circuit permet de maintenir la tension de sortie à une valeur constante ou ajustable, et cela même en cas e variation de la tension fournie par la source. Grâce à la multiplication des voies, l'ondulation du courant appelé à la source est très diminuée, ainsi que le courant qui parcourt le condensateur unique de récupération d'énergie. En multipliant le nombre de voies, on diminue le courant efficace au primaire et au secondaire et on diminue également les courants crête à puissance restituée de données, ce qui diminue la fatigue des composants et améliore le rendement. Dans ce cas, il est possible d'avoir un recouvrement de deux durées d'ouverture. L'invention propose également un dispositif abaisseur de tension présentant une architecture générale similaire à la précédente, mais avec une disposition différente des self-inductances, des éléments redresseurs et des interrupteurs. De façon plus précise, l'invention propose un dispositif d'alimentation électrique abaisseur de tension comportant une source de tension continue sensiblement constante et un circuit de puissance à self- inductance de stockage d'énergie et à condensateur unique de récupération d'énergie, caractérisé en ce que le circuit comporte n voies, n étant au moins égal à 3, ayant chacune une self-inductance de stockage montée en série avec la source avec le condensateur de stockage, chaque self-inductance étant reliée à une borne de la source par un interrupteur et à l'autre borne de la source par un élément redresseur, et en ce que le dispositif comprend également un circuit de commande provoquant une alternance séquentielle de fermetures et d'ouvertures des interrupteurs avec une période déterminée, le rapport cyclique de fermeture des interrupteurs étant tel qu'il y ait à tout moment recouvrement d'au moins deux durées de fermeture, le dit circuit de commande commandant les rapports cycliques pour maintenir la tension de sortie à une valeur déterminée. Comme il a été indiqué plus haut, une application directe de l'invention est dans le domaine automobile o la seule source de puissance disponible pour lancer le moteur à l'aide du démarreur est la batterie. Si elle a une tension nominale de 12 V, la tension à ses bornes varie en fait de 9 Volts (pouvant même descendre à 5 Volts lors de l'appel d'un courant intense) à 16 Volts. Le moteur du lanceur peut au contraire être prévu pour fonctionner sous une tension plus élevée,alors que le calculateur de bord doit être alimenté sous sa tension nominale. Un problème inverse se pose lorsque la batterie à une tension nominale de 36 Volts. De façon générale, l'invention propose dans ce cas un réseau de distribution d'énergie permettant d'alimenter dans tous les cas le démarreur à partir de la batterie et comportant un alternateur, une batterie et des organes récepteurs de puissance ayant des tensions nominales de fonctionnement différentes, comportant au moins un circuit changeur de tension d'un des types ci-dessus définis. Dans une application représentative dans le domaine automobile la source est constituée par une batterie de 12 Volts alors que d'autres composants fonctionnent sous 36 Volts (de 30 Volts minimum à 48 Volts maximum). Si l'alternateur a une force électromotrice maximale de 48 V, le réseau de distribution d'énergie du véhicule pourra comporter: un circuit abaisseur de tension alimentant la batterie depuis l'alternateur; un circuit élévateur de tension relié à la batterie par l'intermédiaire d'un élément redresseur et relié directement à l'alternateur. L'alternateur alimente directement les organes qui fonctionnent sous 48 Volts une fois qu'il est opérationnel, c'est à dire une fois le moteur thermique du véhicule lancé. Le circuit élévateur devient alors inopérant car ses interrupteurs vont rester ouverts et il alimente les organes à travers les diodes du circuit élévateur. Initialement c'est la batterie qui alimente ces organes et le démarreur par l'intermédiaire du circuit élévateur. Les valeurs ci-dessus des tensions ne sont données qu'à titre d'exemples. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma électrique d'un dispositif élévateur de tension à n = 3 voies; - la figure 2, similaire à la figure 1, est un schéma d'un dispositif abaisseur de tension, également à n = 3 voies; - la figure 3 est un chronogramme destiné à montrer l'échelonnement du fonctionnement sur les trois voies; - la figure 4 montre l'échelonnement des durées d'ouverture dans un dispositif élévateur de tension à n = 6 voies; - les figures 5 et 6 sont des synoptiques de réseaux d'alimentation pour véhicule automobile. Le circuit élévateur de tension montré en figure 1 fournit à ses bornes de sortie une tension qui permet d'alimenter une charge 10 à partir d'une source 12 de courant continu, telle qu'une batterie d'accumulateurs. De façon classique, un condensateur de récupération 14 est monté entre les bornes de sortie auxquelles se raccorde la charge. Le dispositif représenté comporte n = 3 voies placées en parallèle et montées chacune entre la source 12 et le condensateur de récupération 14. Chaque voie comporte une self-inductance 16a, 16b ou 16c et un élément redresseur solide 18a, 18b et 18c, qui sera généralement une diode à état solide. Chaque voie est munie d'un interrupteur 20a, b ou 20c, permettant chacun de fermer un circuit de charge d'une self-inductance respective. Ce nombre de trois est le minimum requis pour que les durées de décharge soient au moins adjacentes. Enfin, le dispositif comprend un circuit 22 de commande des interrupteurs 20af 20b et 20c. Ce circuit de commande ferme et ouvre les interrupteurs de façon séquentielle, suivant un cycle répétitif. Les interrupteurs 20 seront généralement constitués par des transistors MOS. Les self- inductances pourront être constituées par des bobines à noyau de Ni-Fe aggloméré, fritté et oxydé. La fréquence de répétition des cycles sera choisie pour constituer un compromis entre une fréquence basse, qui se traduirait par un volume important des composants et notamment des self-inductances, et une fréquence trop élevée qui se traduirait par une fatigue des composants et aussi par des effets de peau excessifs. A titre d'exemple, on a réalisé un dispositif du genre montré en figure 1 fournissant une puissance 400 W en sortie avec un circuit de commande 22 fonctionnant à une fréquence de 80 kHz et trois self-inductances de 40 pH. Le circuit de commande 22 peut être prévu pour commander le rapport cyclique de fermeture des interrupteurs 20 afin de maintenir la tension de sortie à une valeur constante. Pour cela, il comporte une entrée supplémentaire recevant un signal fourni par un amplificateur différentiel 24 dont une entrée est reliée à la borne "chaude" du condensateur 14. La puissance maximale de sortie est obtenue en échelonnant les fermetures et les ouvertures des interrupteurs 16 comme indiqué sur la figure 3, o les périodes de fermeture sont indiquées par le repère 1. Le rapport cyclique de fermeture est alors a = 2/3 et l'échelonnement des durées d'ouverture est tel que ces durées se succèdent sans interruption et sans recouvrement. Dans ce cas, le courant Icr, somme du courant Ic qui arrive au condensateur 14 et du courant I0 vers la charge, présente une variation au cours du temps t du genre montré en figure 3, avec une ondulation AI qui peut être réduite à 10 à 20 % du courant moyen. Le courant dans chaque diode 18 présente également une variation, pendant les périodes de conduction, qui peut être réduite à 10-20 %, moyennant une valeur appropriée de la self-inductance placée en série avec la diode. Plus cette valeur est élevée et plus on réduit la variation temporelle du courant de charge Iq et donc la valeur maximale de ce dernier. A titre d'exemple, la ligne inférieure de la figure 3 montre l'allure du courant dans la diode 18a. Le nombre de voies peut être augmenté, ce qui permet notamment de diminuer la valeur des self-inductances individuelles et/ou de réduire l'ondulation. En particulier, on peut utiliser n = 6 voies, en conservant le même rapport cyclique de fermeture a = 2/3, et en fermant les interrupteurs à des instants décalés de T/6. Dans ce cas, le courant Icr est à tout instant la somme des courants qui traversent deux voies. La figure 4 montre, en superposition, et avec une ondulation accrue pour plus de clarté, les courants qui traversent les différentes diodes. Le courant dans une des diodes est représenté en traits pleins et celui dans les autres diodes en tirets. Toujours pour une puissance de sortie de 400 W et une fréquence 1/T de 80 kHz, il suffit de self-inductances de pH pour réduire la variation AI à 3 A pour un courant efficace de 33 A. Le dispositif abaisseur de tension montré en figure 2 comprend, comme le circuit de la figure 1, une source 12, un condensateur de récupération unique 14 et n = 3 voies. Il fournit à ses bornes de sortie une tension qui permet d'alimenter une charge 10 à partir d'une source 12 de courant continu, telle qu'une batterie d'accumulateurs. Un ^5 condensateur de récupération 14 est encore monté entre les bornes de sortie auxquelles se raccorde la charge. Chaque voie comporte cette fois, en série, une self- inductance 16a, 16b ou 16c et un interrupteur 30a, 30b ou c. Un élément redresseur à état solide 28a, 28b ou 28c relie le point de chaque voie intermédiaire entre l'interrupteur et l'élément redresseur à l'autre borne de sortie. L'interrupteur 30a' 30b ou 30c permet de fermer un circuit de charge d'une self-inductance respective. Ce nombre de trois est encore le minimum requis pour que les durées de décharge soient au moins adjacentes. Un condensateur d'entrée 34 est monté aux bornes de la source. Enfin, un circuit de commande 32 provoque de façon cyclique la fermeture et l'ouverture des interrupteurs 30a, b et 30c avec un décalage temporel des instants de fermeture égal à T/(n) (n étant égal à 3 dans le mode de réalisation représenté). Le circuit de commande 32 peut être, comme celui de la figure 1, une logique câblée, un circuit programmé ou une ligne à retard analogique associée à un générateur de cadencement. Le condensateur d'entrée 34 comme le condensateur de sortie 14 pourrait être remplacé par des condensateurs indépendants, mais cela complique le montage. Le condensateur d'entrée 34 peut être un condensateur électrolytique, puisqu'il est toujours soumis à une tension de même sens. Le montage de la figure 2 permet de répartir les courants sur n circuits d'alimentation du condensateur 40, donc de diminuer l'intensité du courant dans chacune des voies et notamment dans les self-inductances, les éléments redresseurs et les transistors qui constituent les interrupteurs 30. De plus, on réduit les filtrages d'entrée et de sortie. Des variantes de réalisation sont possibles. Il n'est pas nécessaire d'utiliser un rapport cyclique de fermeture qui est un multiple de 1/n, grâce à la présence du condensateur d'entrée 34, qui pourrait en principe être omis pour une valeur de a multiple de 1/n. Mais, même pour a non multiple de l/n, le courant efficace qui traverse la capacité d'entrée 34 est très fortement diminué par rapport au courant qu'on trouverait dans un montage dit "buck" à une seule cellule. Le courant efficace dans le condensateur de sortie 14 est également fortement diminué. Les seuls harmoniques du courant d'entrée et du courant de sortie à filtrer sont ceux à la fréquence n/T. La figure 5 montre un schéma de réseau utilisable sur un véhicule automobile ayant des charges 40 à alimenter sous 48 Volts à partir d'un alternateur- redresseur 44 et des charges 42 à alimenter sous 12 Volts à partir d'une batterie 12 et si nécessaire de l'alternateur lorsque le moteur tourne. Un dispositif abaisseur de tension 46 pouvant avoir la constitution montrée en Fig. 1 maintient la batterie en charge. Un dispositif élévateur de tension a aussi un rôle de régulation. Ses interrupteurs restent ouverts lorsque la charge 40 est alimenté par l'alternateur. La figure 6 montre un schéma de réseau permettant d'alimenter des charges 50 à puissance appelée très variable. Un circuit redresseur 52 court-circuite le circuit de charge 54. En cas d'augmentation brutale de la charge, la batterie 12, de constante de temps beaucoup plus courte que l'alternateur, vient au secours de l'alternateur. Inversement le circuit de charge se substitue à la charge en cas de délestage important et écrête les surtensions. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation électrique élévateur de tension continue comportant: - une source de tension continue (12); - un circuit de puissance à self-inductance de stockage d'énergie et à condensateur de récupération d'énergie, caractérisé en ce que le circuit comporte n voies, n étant un nombre entier au moins égal à 3, chaque voie ayant une self-inductance (18a,189b,18c) de stockage d'énergie montée en série avec le condensateur unique (14) par l'intermédiaire d'une diode et un interrupteur de fermeture d'un trajet de courant de charge de la self conductance par la source, et en ce que le dispositif comprend de plus un circuit de commande (22) provoquant une alternance séquentielle de fermetures et d'ouvertures des interrupteurs avec une période déterminée, le rapport cyclique de fermeture des interrupteurs étant tel qu'il y ait à tout moment recouvrement d'au moins deux durées de fermeture, le dit circuit de commande commandant le rapport cyclique pour maintenir la tension de sortie à une valeur déterminée. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les durées d'ouverture sont choisies de façon à être au moins adjacentes. 3. Dispositif d'alimentation électrique abaisseur de tension continue comportant une source de tension continue sensiblement constante et un circuit de puissance à self- inductance de stockage d'énergie et à condensateur unique de récupération d'énergie, caractérisé en ce que le circuit comporte n voies, n étant au moins égal à 3, ayant chacune une self-inductance de stockage montée en série avec la source avec le condensateur de stockage, chaque self-inductance étant reliée à une borne de la source par un interrupteur et à l'autre borne de la source par un élément redresseur, et en ce que le dispositif comprend également un circuit de commande provoquant une alternance séquentielle de fermetures et d'ouvertures des interrupteurs avec une période déterminée, le rapport cyclique de fermeture des interrupteurs étant tel qu'il y ait à tout moment recouvrement d'au moins deux durées de fermeture, le dit circuit de commande commandant les rapports cycliques pour maintenir la tension de sortie à une valeur déterminée. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisée en ce qu'il comporte de plus un condensateur d'entrée (34) en parallèle sur la source. 5. Dispositif suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte six voies, le rapport cyclique de fermeture de chaque interrupteur étant de 2/3. 6. Réseau de distribution d'énergie pour véhicule automobile permettant d'alimenter dans tous les cas le démarreur à partir de la batterie du véhicule et comportant un alternateur, une batterie et des organes récepteurs de puissance ayant des tensions nominales de fonctionnement différentes, comportant au moins un circuit élévateur ou abaisseur de tension suivant une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Réseau suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la batterie est à tension nominale plus faible que l'alternateur du véhicule et en ce que le réseau de distribution d'énergie du véhicule comporte: un circuit abaisseur de tension alimentant la batterie depuis l'alternateur; un circuit élévateur de tension relié à la batterie par l'intermédiaire d'un élément redresseur et relié directement à l'alternateur.