Brevet FR2830383A1 — publié le 20030404

L'invention concerne un convertisseur de tension alternative en tension continue comprenant deux bornes d'entrée, entre lesquelles sont disposés, en montage série, au moins un limiteur de courant, un interrupteur commandé par un dispositif de commande en synchronisation avec la tension de l'alimentation et un condensateur de stockage et dont les deux bornes de sortie sont prises sur le condensateur de stockage. Il s'agit donc d'un convertisseur non régulé et non isolé permettant d'obtenir une tension continue sensiblement constante à partir d'une tension alternative, notamment délivrée par le secteur à une fréquence de 50 ou 60 Hz. De tels convertisseurs sont décrits, par exemple, dans les brevets EP 0 921 628, EP 0 763 878, GB 2 203 003, US 4 001 668 et US 4 641 233. Le limiteur de courant est constitué d'un élément résistif, c'est-à-dire d'une résistance. La présence d'un limiteur de courant placé en série avec l'interrupteur commandé et avec le condensateur de stockage est nécessaire car ces convertisseurs de tension doivent abaisser la tension du réseau, par exemple 230 V, à une tension relativement basse, généralement voisine de 12 V. Le limiteur de courant est notamment dimensionné pour que l'intensité du courant parcourant l'interrupteur commandé ne dépasse pas une valeur admissible pendant toute la durée de conduction de cet interrupteur. Les pertes thermiques dans la résistance utilisée comme limiteur de courant sont proportionnelles au carré de la valeur efficace du courant tiré par le convertisseur sur le réseau. Toute réduction de ce courant, pour une même valeur de puissance utile, améliore donc de façon sensible le rendement du convertisseur. Partant de cette constatation, l'invention se propose de réduire très significativement ce courant. A cet effet, le convertisseur selon l'invention est caractérisé en ce que le limiteur de courant est constitué d'au moins le primaire d'un transformateur dont le secondaire alimente un redresseur dont les bornes de sortie sont reliées aux bornes de sortie du convertisseur. Le transformateur comporte au moins un enroulement primaire, un circuit magnétique et un enroulement secondaire dont les sorties sont reliées aux entrées du redresseur, les sorties du redresseur étant raccordées en parallèle sur le condensateur. Du fait de cette liaison, le transformateur ne nécessite pas d'isolation galvanique entre les enroulements. Il est par contre intéressant que le transformateur présente un excellent couplage entre les enroulements. Selon un mode d'exécution, les fils, émaillés, du primaire et du secondaire sont bobinés simultanément. Ceci n'est pas un inconvénient puisqu'une isolation faible est suffisante. Selon un mode d'exécution, les bobinages primaire et secondaire ont le même nombre de spires. Ceci a non seulement pour effet de faciliter le bobinage simultané du primaire et du secondaire, mais que, le rapport de transformation étant égal à 1, la tension primaire ne saurait dépasser en variation la tension secondaire, laquelle est bornée par la tension de sortie, supposée faible. Le transformateur utilisé voit donc sa tension primaire limitée à une faible valeur, ce qui limite de nouveau les contraintes de réalisation. La fabrication en grande série d'un tel transformateur permet donc d'obtenir des coûts beaucoup plus faibles que pour un transformateur normal. A ce sujet, il est rappelé que les transformateurs de rapport 1 sont toujours utilisés pour permettre une isolation galvanique entre deux circuits, alors que le convertisseur selon ce mode d'exécution de l'invention utilise un transformateur de rapport 1 et à faible isolation, en rupture avec les habitudes de l'homme du métier. Selon un autre mode d'exécution, le rapport du nombre de spires entre secondaire et primaire du transformateur est inférieur à 1, par exemple 0,5. Dans ce cas, si l'on conserve un excellent couplage entre les enroulements, on obtiendra une chute de tension plus importante aux bornes du primaire, ce qui est d'autant plus favorable à la diminution de la résistance de protection. Il n'est pas exclu qu'un tel choix permette, dans certains cas, la suppression de la résistance de protection, celle-ci n'étant nécessaire que lorsque la tension redressée d'entrée a une très forte amplitude par rapport à la tension de sortie. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un mode d'exécution de l'invention. Le convertisseur de tension représenté présente deux bornes d'entrée A et B auxquelles est appliquée une tension alternative redressée U, par exemple la tension du réseau. Le convertisseur comprend un condensateur de stockage d'énergie 1 alimenté par un interrupteur 2, en l'occurrence un transistor MOS ou à effet de champ commandé par un bloc de commande 3 et en série avec le primaire 51 d'un transformateur 5 et une résistance de limitation de courant 6. Le bloc de commande 3 est réalisé comme dans l'art antérieur, par exemple comme décrit dans le brevet EP 0 921 628. Il commande l'ouverture et la fermeture de l'interrupteur 2 par la grille du transistor 2 dont le drain est relié au primaire 51 du transformateur et la source est reliée au condensateur 1, c'est-à-dire à la sortie S du convertisseur. Le transformateur 5 comporte en outre un circuit magnétique 52 et un enroulement secondaire 53, les sorties de l'enroulement secondaire étant reliées aux entrées d'un redresseur 7 dont les sorties sont raccordées en parallèle au condensateur 1. Le convertisseur alimente un utilisateur 4 représenté symboliquement. Pour le calcul qui va suivre et pour simplifier ce calcul, on se placera dans le cas d'un rapport 1 entre les enroulements du transformateur et on notera que le couplage des enroulements est parfait. On suppose également un fonctionnement parfait aussi bien pour les harmoniques que pour le fondamental du courant. La composante alternative du courant il est donc égale à tout instant à la composante alternative du courant de sortie du transformateur. En ce qui concerne le courant i2 en sortie du redresseur 7, on supposera que sa valeur moyenne est égale à la valeur moyenne de il, mais qu'il n'y a pas identité. La valeur moyenne étant symbolisée par , on a donc : = On suppose en outre que la charge 4 est en fait constituée par un régulateur de tension alimentant une charge résistive et donc qu'elle absorbe un courant constant 10, même si la tension aux bornes du condensateur 1 varie dans une plage donnée. On a donc à tout instant : ic = il + i2-10. Donc, en valeurs moyennes, sachant que de = 0 et que = : = 10/2. En comparaison, la valeur moyenne du courant il sera donc réduite de moitié par rapport à la valeur moyenne nécessaire avec un montage selon l'art antérieur ne faisant pas intervenir i2. Le courant il est impulsionnel, d'amplitude ilM. Si on suppose les durées de conduction identiques entre un montage selon l'invention et un montage selon l'art antérieur, et donc une même allure temporelle du courant, alors une valeur moyenne il réduite de moitié nécessite simplement une valeur moitié pour ilM, ce qui signifie que la valeur efficace Il de il est également divisée par deux, comparée à un dispositif selon l'art antérieur. Cette réduction ilM est obtenue en première approximation par doublement de la résistance de limitation. En comparaison avec l'art antérieur et pour une même durée de conduction, le dispositif selon l'invention divise donc par deux les pertes thermiques dans la résistance de limitation 6. Ce calcul approché ne tient pas compte de la tension aux bornes du primaire 51 du transformateur, laquelle intervient dans le calcul de la résistance de limitation et diminue sa valeur par rapport à un doublement. Pour un transformateur sans pertes, le gain en puissance dissipée est donc en fait supérieur à 2. Il faut d'ailleurs noter que la faible excursion en tension du transformateur limite l'induction maximum dans le noyau et donc les pertes de fer, ce qui justifie partiellement l'hypothèse d'un transformateur sans pertes. Dans une forme de réalisation où le transformateur utilisé présenterait un rapport du nombre de spires inférieur à 1, par exemple 0,5, tout en conservant un excellent couplage entre enroulements, ce qui est souvent plus délicat à réaliser, on bénéficiera d'effets plus prononcés. En ce qui concerne le courant primaire dans le transformateur, il est ainsi possible d'obtenir un rapport de 1 à 3 entre un montage selon l'invention et un montage selon l'art antérieur et une chute de tension plus importante aux bornes du primaire, ce qui est d'autant plus favorable à la diminution de la résistance de protection. C'est pourquoi, dans certains cas, il est possible d'envisager de supprimer la résistance de limitation de courant 6. Un transformateur de rapport 0,5 peut être réalisé avec un excellent couplage en utilisant deux bobinages primaires et deux bobinages secondaires de même nombre de spires et bobinés simultanément, les deux bobinages primaire étant en série et les deux bobinages secondaires en parallèle. Le fonctionnement détaillé du convertisseur selon l'invention fait intervenir l'énergie stockée dans le transformateur lors de la conduction de l'interrupteur et restituée lors de l'ouverture de celui-ci, mais cela n'ajoute pas à la compréhension de l'invention. Des éléments additionnels peuvent être intercalés dans le montage, par exemple entre le condensateur de stockage et les bornes de sortie, sans pour autant qu'on s'écarte du schéma revendiqué. Par exemple, à partir du secteur (230 V, 50 Hz) redressé, avec une tension moyenne de sortie de 11 V et un courant moyen dans la charge 4 de 100 mA, on obtient un courant efficace d'entrée de 200 mA. REVENDICATIONS 1. Convertisseur de tension alternative en tension continue comprenant deux bornes d'entrée (A, B) entre lesquelles sont disposés, en montage série, au moins un limiteur de courant (6,5), un interrupteur (2) commandé par un dispositif de commande (3) en synchronisation avec la tension d'alimentation (U) et un condensateur de stockage (1), et dont les deux bornes de sortie sont prises sur le condensateur de stockage, caractérisé en ce que le limiteur de courant est constitué d'au moins le primaire (51) d'un transformateur (5) dont le secondaire (53) alimente un redresseur (7) dont les bornes de sortie sont reliées aux bornes de sortie du convertisseur. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobinages primaire et secondaire ont le même nombre de spires. 3. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport du nombre de spires du secondaire (51) et du nombre de spires du primaire (53) du transformateur est inférieur à 1. 4. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le limiteur de courant comprend en outre une résistance (6) en série avec l'enroulement primaire (51) du transformateur. 5. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les fils des bobinages primaire et secondaire du transformateur sont bobinés simultanément.