Brevet FR2797115A1 — publié le 20010202

CONVERTISSEUR ALTERNATIF-CONTINU NN-ISOLE La présente invention concerne le domaine des alimenta- tions non-isolées, destinées à fournir une basse tension continue à partir d'une haute tension alternative. Ces alimentations, éga- lement appelées convertisseurs de puissance, se retrouvent dans la plupart des appareils électrodcunestiques, par exemple des machines à laver, pour l'alimentation de circuits basse tension tels que, par exemple, des circuits logiques (microprocesseurs, logiques programmables), des circuits de commnande d'actionneurs électromécaniques (relais) ou électroniques (triacs), etc.. La présente invention concerne plus particulièrement les convertisseurs destinés à délivrer deux tensions continues dont l'une est positive et l'autre négative par rapport à un point de référence constituant également une référence pour l'alimentation alternative. La figure 1 représente un premier exemple d'un conver- tisseur alternatif/continu (AC/DC) classique à sorties positive et négative. Ce convertisseur utilise un transformateur T dont l'enroulement primaire Li reçoit sur deux bornes E1 et E2 une tension alternative vac (par exemple, le secteur 240 V/50 Hz ou 110 V/60 Hz). Les deux bornes du secondaire L2 du transformateur T délivrent une basse tension alternative Vi dont l'amplitude crête correspond approximativement aux valeurs souhaitées pour les tensions V+ et V- de sortie du convertisseur. Chaque tension de sortie V+, V- est prélevée aux bornes d'un condensateur, respectivement Cl, C2. Chaque condensateur est connecté, en série avec une diode, respectivement Dl, D2, sur l'enroulement secon- daire L2 du transformateur. L'anode de la diode Dl et la cathode de la diode D2 sont connectées à la borne haute de l'enroulement L2. Le point commun M des condensateurs Cl et C2, qui constitue la référence des tensions v+ et V-, est connecté à la borne d'entrée E2. La figure 2 représente un deuxième exemple classique de convertisseur alternatif-continu propre à délivrer deux tensions de sortie V+ et V- de signes opposés. Un condensateur haute ten- sion Cx est connecté par l'intermédiaire d'une résistance R de faible valeur à la borne d'entrée El. La deuxième borne du condensateur Cx est connectée par l'intermédiaire de diodes de redressement Dl, D2 à des condensateurs basse tension Cl et C2 dont les deuxièmes bornes sont reliées à une borne de référence M connectée à la borne E2. Une diode Zener, DZl, DZ2, est en paral- lèle sur chacun des condensateurs Cl, C2. Le condensateur Cx a une valeur faible devant celle de chacun des condensateurs Cl, C2 de façon à opposer une impédance élevée aux variations de la tension d'entrée. Les convertisseurs décrits ci-dessus sont relativement simples à mettre en oeuvre en raison du faible nombre de coapo- sants utilisés. Cependant, ces convertisseurs ont pour inconvé- nient essentiel leur encombrement et leur coût. Pour le convertisseur de la figure 1, le coût élevé et le volume important proviennent du transformateur. De plus, il apparaît des pertes non négligeables même en l'absence de débit (pertes fer du transformateur). Pour le convertisseur de la figure 2, le coût et 1 'encombrement sont liés au condensateur devant supporter la tension du réseau de distribution. Ce convertisseur engendre de plus des pertes non négligeables. La présente invention propose une nouvelle solution pour réaliser un convertisseur d'une haute tension alternative en deux basses tensions continues symétriques, qui pallie les inconvénients des solutions connues. L'invention vise, en particulier, à proposer une nou- velle solution dont l'encombrement soit minimisé. L'invention vise également une solution qui respecte les contraintes de compatibilité électromagnétique. La présente invention propose également un nouveau convertisseur qui s'adapte automatiquement au besoin en courant de la charge. Plus particulièrement, la présente invention propose une solution adaptée à une large plage de courants, c'est-à-dire qui permette, si besoin, de délivrer des courants sensiblement plus importants que les solutions classiques sans engendrer de pertes notables. La présente invention vise en outre à améliorer la régulation de la tension de sortie du convertisseur. Pour atteindre ces objets, la présente invention pré- voit un convertisseur recevant une tension alternative entre une borne d'entrée et une borne de référence et fournissant deux tensions continues de polarités opposées aux bornes d'un premier et d'un deuxième condensateur dont une borne commune est reliée à la borne de référence. Ce convertisseur comprend un premier interrupteur unidirectionnel connecté entre la borne d'entrée et un noeud du circuit; un troisième condensateur, connecté, en parallèle avec le premier condensateur, entre ledit noeud et la borne de référence; un moyen de circuit comprenant un deuxième interrupteur pour connecter le deuxième condensateur en série avec le troisième condensateur quand le deuxième interrupteur est fermé; et un circuit de commnande pour fermer le premier inter- rupteur seulement au début et à la fin d'alternances de polarité donnée, le deuxième interrupteur étant ouvert quand le premier interrupteur est fermé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen de circuit comprend une source de courant commandable pour assurer le passage d'un courant constant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le deuxième interrupteur est connecté entre ledit noeud et la borne de référence. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier condensateur est connecté audit noeud par l'intermé- diaire d'une première diode, le troisième condensateur étant connecté, par l'intermédiaire d'une troisième diode à la borne de référence. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une deuxième diode est connectée entre le deuxième condensateur et le point de raccordement du troisième condensateur et de la troisième diode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le circuit de commande reçoit une information sur la tension continue aux bornes du premier condensateur et commande le premier interrupteur de sorte que cette tension continue soit sensiblement constante. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier interrupteur est commandable en tension ou en courant à l'ouverture et à la fermeture et est apte à bloquer la tension du secteur en direct ou en inverse quand il n'est pas commandé à l'état passant. 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 à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 et 2, décrites précédemment, sont desti- nées à exposer l'état de la technique et le problème posé; les figures 3A et 3B représentent, de façon très sché- matique, un mode de réalisation d'un convertisseur alternatif- continu selon la présente invention; et les figures 4A à 4D illustrent, sous forme de chrono- grammes, le fonctionnement d'un convertisseur selon la présente invention. Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes réfé- rences aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments du convertisseur qui sont nécessaires à la compré- hension de l'invention ont été représentés et seront décrits par la suite. Comme l'illustre schématiquement la figure 3A, un convertisseur selon la présente invention reçoit sur deux bornes d'entrée 11 et 12 une tension alternative, la borne 12 consti- tuant une borne de référence. Les tensions continues de sortie V+ et V-, respectivement positive et négative, sont disponibles aux bornes de condensateurs Cl et C2 qui ont une borne ccmune M constituant la borne de référence du convertisseur, reliée à la borne 12. Un interrupteur unidirectionnel K est connecté par son anode à une borne 11 et par sa cathode à une borne 13. Entre les bornes 13 et 12 sont disposés en parallèle le condensateur Cl en série avec une diode Dl, et un condensateur C3 en série avec une diode D3. Les diodes Dl et D3 sont polarisées pour être conduc- trices quand la borne 13 est positive par rapport à la borne 12. L'anode de la diode Dl est connectée à la borne 13. La cathode de la diode D3 est connectée à la borne 12. Une diode D2 est reliée par son anode à la borne du condensateur C2 non reliée au point M et par sa cathode au point de connexion du condensateur C3 et de la diode D3. Un interrupteur K' est connecté entre les bornes 13 et 12. Les interrupteurs K et K' sont commandés par un circuit de commande 15 (CTRL) qui est relié aux bornes 11 et 12 d'o il reçoit son alimentation et une information sur la tension alter- native d'entrée. Le circuit de ccrmmande 15 reçoit également (dans le but de réguler la valeur de la tension de sortie) une informa- tion sur la tension présente aux bornes du condensateur Cl. Le fonctionnement d'un convertisseur selon l'invention sera décrit en relation avec les figures 4A à 4D. Ces figures représentent, sous forme de chronogrammes, un exemple d'allure des tensions caractéristiques du convertisseur selon l'invention. La figure 4A représente la tension alternative Vac. La figure 4B représente la tension VC3 aux bornes du condensateur C3. La figure 4C représente la tension de sortie V- aux bornes du condensateur C2. La figure 4D représente la tension de sortie V+ aux bornes du condensateur Ci. Par souci de simplification et sauf précision contraire, on ne tient pas compte des chutes de tension dans les diodes du circuit. Dans l'exposé qui suit du fonctionnement du convertis- seur de l'invention, on se place en régime établi, le régime transitoire de charge initiale des condensateurs Cl et C2 se déduit de ce fonctionnement en tenant compte du fait que les niveaux de tension peuvent mettre plusieurs alternances avant d'être atteints. Selon l'invention, le circuit 15 commande l'interrup- teur K pour que celui-ci ne soit fermé qu'au début et à la fin de chaque alternance positive de la tension Vac, pendant des pério- des t0-t1 en début d'alternance et t2-t3 en fin d'alternance. L'interrupteur K' est ouvert pendant ces périodes. Entre les instants to et t1, les diodes Dl et D3 sont polarisées en direct. Par conséquent, le courant traversant l'interrupteur K charge le condensateur C1 (figure 4D) ainsi que le condensateur C3 (figure 4B). Par contre, le condensateur C2 continue à se décharger dans la charge (non représentée) connectée à ses bornes (figure 4C). A l'instant t1, le circuit 15 provoque l'ouverture de l'interrupteur K par suite de la détection du fait que la tension V+ a atteint la valeur VO désirée. Le condensateur Cl commence à se décharger tandis qu'il fournit la tension V+ à une charge. L'énergie d'alimentation des charges est alors fournie par les condensateurs Cl et C2. La tension d'alimentation aux bornes du condensateur C3 reste cependant constante entre t1 et t4 et entre t5 et t2. A un instant t4 légèrement postérieur à l'instant t1, le circuit 15 provoque la fermeture de l'interrupteur K'. Il en découle une décharge du condensateur C3 dans le condensateur C2 par le trajet C3, K', C2, D2. Ainsi les tensions aux bornes des condensateurs C2 et C3 s'équilibrent. De préférence, il est prévu, en série avec l'interrupteur K' un circuit (non représenté en figure 3A) propre à assurer une décharge à courant constant. Le retard à la fermeture de l'interrupteur K' par rapport à l'ouverture de l'interrupteur K (instants t1 à t4) a pour objet d'éviter tout risque de conduction simultanée de ces interrupteurs, ce qui aurait pour effet de mettre en court- circuit l'alimentation alternative. Pour la même raison, l'inter- rupteur K' est ouvert, au voisinage de la fin de l'alternance, à un instant t5 antérieur à l'instant t2 de fermeture de l'inter- rupteur K. De l'instant t2 à l'instant t3 correspondant à la fin de l'alternance, les condensateurs Cl et C3 complètent leurs charges respectives. Pendant les alternances négatives, entre les instants t3 et to, les condensateurs Cl et C2 alimentent les charges non représentées qui leur sont connectées, l'interrupteur K étant ouvert et l'interrupteur K' étant optionnellement ouvert ou fermé. Par souci de simplification, on a supposé des charges purement résistives. Le convertisseur de l'invention n'est cepen- dant pas limité à de telles charges. On notera que, comme le circuit 15 a pour rôle de régu- ler le courant prélevé par l'interrupteur K sur l'alimentation alternative, afin de maintenir une tension v+ = Vo à chaque fin de période de charge en début d'alternance (instant tl), le convertisseur de l'invention s'adapte bien à une variation de l'énergie requise par l'une des charges. La figure 3B représente le même circuit que la figure 3A. Les éléments ont été disposés de sorte que tous les ccmpo- sants faisant partie d'une même puce de silicium sont disposés à l'intérieur d'un cadre 21. Les seuls éléments non-intégrés sont alors les condensateurs Cl, C2 et C3. L'interrupteur K a été représenté sous forme d'un composant T tel qu'un transistor bipo- laire à grille isolée (IGBT) associé un commutateur de grille k. De façon générale, le composant T est un interrupteur laissant passer le courant dans une seule direction, commandable en ten- sion ou en courant à l'ouverture et à la fermeture, apte à bloquer la tension du secteur en inverse, et en direct quand il n'est pas à l'état passant. L'interrupteur K' a été représenté sous forme d'une source de courant commanndée pour être bloquée ou active. Un avantage de la présente invention est qu'aucun cou- rant n'est prélevé sur l'alimentation d'alternative en dehors du voisinage du passage par zéro d'une alternance. L'invention mini- mise donc la puissance dissipée du circuit en limitant les pério- des de prélèvement d'énergie sur le réseau au voisinage du zéro des alternances et évite la génération d'impulsions de courant importantes à l'ouverture et à la fermeture de l'interrupteur K. Un autre avantage de l'invention est de ne pas nécessi- ter l'utilisation de composants passifs de puissance haute tension. Un autre avantage de l'invention est que les tensions de sortie v+ et V- sont régulées par rapport au neutre 12 de la tension alternative Vac. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîitront à l'honmmne de l'art. De plus, bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en relation avec un interrupteur K fonctionnant en monoalternance, on pourra effectuer, en amont, un redressement double alternance au moyen d'un pont de diodes. REVENDICATIONS 1. Convertisseur recevant une tension alternative (Vac) entre une borne d'entrée (11) et une borne de référence (12) et fournissant deux tensions continues de polarités opposées (V+, V-) aux bornes d'un premier (Ci) et d'un deuxième (C2) condensa- teur dont une borne commune est reliée à la borne de référence, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier interrupteur unidirectionnel (K) connecté entre la borne d'entrée (11) et un noeud (13) du circuit; un troisième condensateur (C3), connecté, en parallèle avec le premier condensateur, entre ledit noeud (13) et la borne de référence (12); un moyen de circuit comprenant un deuxième interrupteur (K') pour connecter le deuxième condensateur en série avec le troisième condensateur (C3) quand le deuxième interrupteur (K') est fermé; et un circuit de commnande (15) pour fermer le premier interrupteur seulement au début et à la fin d'alternances de polarité donnée, le deuxième interrupteur étant ouvert quand le premier interrupteur est fermé. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de circuit caomprend une source de courant commandable pour assurer le passage d'un courant constant. 3. Convertisseur selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que le deuxième interrupteur (K') est connecté entre ledit noeud (13) et la borne de référence (12). 4. Convertisseur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le premier condensateur (Cl) est connecté audit noeud par l'intermédiaire d'une première diode (D1), le troisième condensateur (C3) étant connecté, par l'inter- médiaire d'une troisième diode (D3) à la borne de référence (12). 5. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une deuxième diode (D2) est connectée entre le deuxième condensateur (C2) et le point de raccordement du troisième condensateur (C3) et de la troisième diode (D3). 6. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commnande reçoit une information sur la tension continue aux bornes du premier condensateur et commande le premier interrupteur de sorte que cette tension continue soit sensiblement constante. 7. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier interrupteur (K) est conmmandable en tension ou en courant à l'ouverture et à la fermeture et est apte à bloquer la tension du secteur en direct ou en inverse quand il n'est pas commandé à l'état passant.