Brevet FR2839381A1 — publié le 20031107

- 1 2839381 COUPLEUR MAGNETIQUE UNITAIRE ET ALIMENTATION A DECOUPAGE L'invention concerne un coupleur magnetique unitaire. L'invention a aussi pour objet une alimentation a decoupage et un equipement de transmission diinformation utilisant un tel coupleur. Le domaine de ['invention est celui des alimentations ayant pour fonction de delivrer des tensions continues a partir d'un reseau alternatif ou continu. On considere plus particulierement les alimentations de faible puissance, typiquement inferieure a 150 W. On cherche a minimiser l'encombrement et le poids des 1 0 alimentations. Les alimentations de type ' ou > vent des alimentations a decoupage, de falble puissance, frequemment utilisees en particulier en raison de leur simplicite de commande. L'alimentation de type > est particulierement interessante en raison de son encombrement reduit car elle ne necessite qu'un seul element magnetique pour realiser la conversion d'energie. On rappelle que dans les alimentations a decoupage, la tension continue est decoupee par un interrupteur fonctionnant en commutation selon une frequence cite de decoupage. On va a present decrire une configuration d'alimentation de type : ce vent des exemples choisis parmi diverges configurations connues. U n e al imentation de type > sch em atiq u ement representee figure 1a) est une alimentation a decoupage a accumulation d'energie. Wile comprend un circuit primaire P comportant montes en eerie, une source de tension Vjn, un interrupteur M, par exemple un transistor MOS et une inductance Lp constituee d'un enroulement de Np spires, et un circuit secondaire S comportant montes en eerie, une inductance Ls constituee d'un enroulement de Ns spires, magnetiquement couplee a Lp, une capacite C reliee a une charge representee ici par une resistance Rcharge et un redresseur D, par exemple une diode. Pour chacun des enroulements de Lp et de Ls, la phase p, correspondent au sens de l'enroulement, est reperee par un rond. Dans l'exemple presente, les premier et deuxieme enroulements ont la meme phase. On designe par transformateur T le circuit de couplage comportant ['inductance primaire Lp et ['inductance secondaire Ls. Le courant traversant le circuit primaire est ip, et les tensions aux bornes du circuit primaire et de l'interrupteur vent respectivement Vin et VM; le courant traversant le circuit secondaire est iS, et les tensions aux bornes du circuit secondaire et de la diode vent respectivement VOu et VD. Dans cette alimentation de type energie a une source secondaire a travers le circuit secondaire. On va a present decrire les differentes phases de fonctionnement de cette alimentation, en relation avec les figures 1 b) puis 1 c). On rappelle au prealable un principe de base qui soul-tend dans la suite certaines explications: il est impossible d'imposer une discontinuite de tension aux bornes d'un condensateur et une discontinuite de courant dans une inductance. Lorsque l'interrupteur M est ferme (figure 1b), c'est-a-dire pendant Ton, I'energie est stockee dans ['inductance Lp; la diode est bloquee car la tension VD a ses bornes est negative et done le courant is est nul. Lorsque l'interrupteur M est ouvert, c'est-a-dire pendant Tdec-Ton, TeC etant la periode de decoupage, le courant ip est nul (figure 1c), la continuite de l'energie magnetique entrane le transfert dans ['inductance Ls de l'energie prealablement stockee dans ['inductance Lp et la mise en conduction de la diode D: D demagnetise le transformateur T. Cette phase se termine si le courant s'annule dans la diode D ou si l'on atteint la fin de la periode de decoupage. On a represente figures 1d) et 1e) les formes d'onde en mode continu, selon lequel le courant is ne s'annuie pas en fin de fonctionnement 3 2839381 de la diode secondaire D. On suppose en outre pour simplifier que le courant ip passe instantanement de sa valeur maximale a 0. La tension Vp aux bornes de ['inductance Lp, representee figure 1d) varie en fonction du temps entre une valeur maximale egale a Vjn et une valeur minimale egale a -VOU! *Np/Ns Le courant ip represente figure 1e) varie en fonction du temps entre une valeur maximale iMaX et 0; le courant is varie en fonction du temps entre 0 et une valeur maximale egale a iMax * Ns/Np. Une alimentation de type > schematiquement representee figure 2a) est une alimentation a decoupage a transfert direct d'energie. Wile comprend un circuit primaire P comportant montes en eerie, une source de tension Vjn, un interrupteur M, par exemple un transistor MOS et une inductance Lp constituee d'un enroulement de Np spires, et, monte en parallele avec ['inductance Lp et l'interrupteur M, un circuit de demagnetisation du transformateur qui peut etre une diode Ddem en serie avec une inductance Ldem magnetiquement couplee a Lp, constituee d'un enroulement de Ndem spires. La diode Ddem et ['inductance Ldem peuvent etre rem pl aces par d 'autres com posants. Le circuit secondaire S comporte montes en serie une inductance Ls constituee d'un enroulement de Ns spires, magnetiquement couplee a Lp, une capacite COUI reliee a une charge representee ici par une resistance RCharge, une inductance L, un premier redresseur D1, par exemple une diode, et montee en parallele avec ['inductance Ls et le redresseur D1, un deuxieme redresseur D2 qui peut etre une diode egalement. La phase rp de chacun des enroulements de Lp, Ldem et Ls est reperee par un rond. Dans l'exemple presente, les enroulements de Lp et Ls ont la meme phase, contraire a la phase de l'enroulement de Ldem. De meme que precedemment, on designe par transformateur T le circuit de couplage comportant ['inductance primaire Lp, I'inductance secondaire Ls et ['inductance Ldem Le courant traversant le circuit primaire est ip et les tensions aux bornes du circuit primaire et de l'interrupteur vent respectivement Vin et VM; le courant traversant le circuit secondaire est iS, et les tensions aux bornes du circuit secondaire et de la diode Dl vent respectivement VOUI et VD1. 4 2839381 Dans ce cas d'une alimentation de type >, les deux enroulements fonctionnent simultanement; il y a un transfert direct de l'energie entre les inductances Lp et Ls. On va a present decrire les differentes phases de fonctionnement de cette alimentation en relation avec les figures 2b) puis 2c) et enfin 2d). Lorsque l'interrupteur M est ferme (figure 2b), c'est-a-dire pendant Ton, une partie de l'energie est stockee dans ['inductance Lp (ceci est une partie parasite done tres inferieure a l'energie du transfert direct) et l'autre partie de l'energie est directement transferee entre les inductances Lp et Ls lo et la diode D1 se met en conduction; un courant is circule dans le circuit secondaire; les diodes D2 et Ddem vent bloquees car les tensions a leurs bornes vent negatives. Lorsque l'interrupteur M est ouvert (figure 2c), la diode D1 est bloquee, et les diodes D2 et Dden se mettent en conduction. Selon le principe de base evoque plus haut, la diode D2 cite de roue libre assure la continuite du courant is dans ['inductance L et la diode Ddem assure la continuite de ltenergie magnetique stockee dans ['inductance Lp pendant la phase precedente (c'est-a-dire pendant Ton) en transferant cette energie stockee a Vin pendant un temps egal a Ton*Nden/Np: Ddem demagnetise le transformateur T. A la fin de la demagnetisation (figure 2d), c'est-a-dire pendant Tdec-Ton*(1+NdemINp)' Ddem se bloque; D2 reste en conduction. II s'agit de la phase de roue libre. On a represente figures 2e) et 2f) les formes d'onde. On suppose pour simplifier que le courant ip passe instantanement de sa valeur maximale a 0. La tension Vp aux bornes de ['inductance Lp, representee figure 2e) varie en fonction du temps entre Vjn et -din *NplNdem. Le courant ip represente figure 2f) varie en fonction du temps entre une valeur maximale iMaXp et 0; le courant is varie en fonction du temps entre une vaieur maximale egale a iMaxs et une valeur minimale imin. Dans la suite on considere de maniere generale qu'un circuit primaire P comporte au moins un interrupteur M monte en serie avec une source de tension Vjn et une premiere inductance Lp, qu'un circuit secondaire comporte au moins un redresseur D monte en serie avec une deuxieme 2839381 inductance Ls et une capacite Cou reliee a une charge, et que les circuits primaire et secondaire vent couples au moyen d'un circuit de couplage comportant au moins les inductances primaire Lp et secondaire Ls couplees magnetiquement entre elles. On souhaite reduire encore davantage l'encombrement et le poids de ces alimentations. Pour pouvoir utiliser des composants de taille reduite tout en obtenant les memes possibilites de conversion d'energie en terme de puissance disponible en sortie, il faut alors augmenter la frequence de decoupage ce qui a notamment comme inconvenients d'augmenter les pertes dans le transformateur, les pertes par commutation dans les autres composants, ce qui diminue le rendement global et done eleve la temperature et diminue la fiabilite. Les imperfections hautes frequences dans le transformateur vent classiquement modelisees par une inductance de fuite Lf en serie avec ['inductance Lp, comme represente figure 3a) pour une aiimentation de type > et figure 3b) pour une alimentation de type . Dans le cas d'une alimentation de type > fonctionnant en mode discontinu, selon loquel le courant is stannule en fin de fonctionnement de la diode secondaire D, la tension aux bornes de l'interrupteur M a l'ouverture peut etre donnee de maniere approchee par la formule suivante: VM = Vjn + NP * VO,,! + Lf * d Ip A l'ouverture, on considere que le courant decro^'t de fa,con lineaire de sa valeur maximale a 0, en un temps Tfa qui est le temps de commutation ferme/ouvert de l'interrupteur. On a alors, a l'ouverture de l'interrupteur M, Ton etant le temps pendant lequel l'interrupteur M est ferme, V&, = Vjn + NS * Vo,,, + L * Vin * T. On constate que ['inductance de fuite cree un terme de surtension aux bornes de l'interrupteur, de la forme 6 2839381 Lf * V * Tor L T p 1 tall et la puissance Pf mise en ceuvre par ['inductance de fuite est Pf = - * i' 70] *-*Lf, Tdec etantiaperiodededecoupage. L p clec L'energie stockee dans ['inductance de fuite se trouve en general dissipee lors des phases de commutation. Par ailleurs, les pertes par commutation a l'ouverture de l'interrupteur lo vent proportionnelles a Tfap En diminuant le temps de commutation Tfa on diminue done les pertes par commutation mais on augmente le terme de surtension aux bornes de l'interrupteur. Avec par exemple un temps d'ouverture Tfa 100 fois plus falble que le temps de fermeture Ton, et une inductance de fuite Lf de l'ordre de 1% de Lp, on obtient une surtension a la commutation egale a la tension d'alimentation Vjn. Ceci a des consequences desastreuses sur le dimensionnement en tension de l'interrupteur M, en ['occurrence le transistor M qui doit etre un transistor de gamme de tension superieure et done plus cher et moins performant. Dans le cas d'une alimentation de type >, on obtient d'autres equations mais leur interpretation aboutit au meme constat. Plusieurs types de circuit peuvent etre utilises pour contrer l'effet de I'inductance de fuite. Des circuits R. C, D (c'est-a-dire comportant Resistance, Capacite et Diode) dissipatifs vent tres performants pour limiter la surtension mais ils dissipent toute l'energie contenue dans ['inductance de fuite ce qui diminue le rendement global. Un exemple d'alimentation de type > utilisant un circuit R. C, D est represente figure 4. La capacite C limite le terme de surtension a l'ouverture de l'interrupteur M; la resistance R decharge la tension aux bornes de C et dissipe ainsi l'energie contenue dans ['inductance de fuite. 7 2839381 Des circuits d'aide a la commutation (CALC) vent souvent utilises pour reduire les surtensions aux bornes de l'interrupteur M. Un exemple d'alimentation de type , utilisant un circuit CALC peu dissipatif est represente figure 5. Comme precedemment, la capacite limite les surtensions aux bornes de l'interrupteur M. Pour recuperer l'energie stockee dans C, un montage oscillant avec L et C permet d'inverser la tension aux bornes de C. En pratique les pertes dans les diodes D1, D2 et dans ['inductance L limitent la part d'energie recuperee par le montage; de plus il faut aussi amortir les oscillations du montage L, C, ce qui degrade lo aussi le rendement. Finalement un tel montage est plus complexe et done moins gable et le ren de m ent d e l 'al im entation n 'a q ue peu au gm ente. Un but important de ['invention est done de proposer un circuit permettant de reduire dans des alimentations de type , ou commutation et les pertes d'energie contenue dans ['inductance de fuite. Pour atteindre ces buts, I'invention propose un coupleur magnetique unitaire comprenant une premiere inductance Lp constituee d'un premier enroulement de phase p et presentant un nombre N de spires entre les deux extremites du premier enroulement et, couplee magnetiquement a la premiere inductance Lp, une deuxieme inductance Ls constituee d'un deuxieme enroulement de meme phase p et presentant le meme nombre N de spires entre les deux extremites du deuxieme enroulement, caracterise en ce que les extremites des premier et deuxieme enroulements vent reliees entre elles par une liaison comportant une capacite de meme valeur. Un tel coupleur dont ['inductance du circuit primaire comporte le meme nombre de spires que ['inductance du circuit secondaire permet d'avoir la meme tension aux bornes des enroulements primaire et secondaire de meme phase et done d'utiliser une liaison capacitive pour contrer l'effet de I'inductance de fuite, sans augmenter les pertes par commutation. L'invention a egalement pour objet une alimentation a decoupage comportant un circuit primaire P couple a un circuit secondaire S au moyen d'un circuit de couplage magnetique, caracterisee en ce que le circuit de couplage magnetique est un coupleur magnetique unitaire tel que decrit. 8 2839381 L'alimentation peut etre de type > ou de type ,. De preference, les circuits primaire P et secondaire S vent apses a generer aux bornes de chaque capacite du coupleur magnetique unitaire, une tension ne variant pas en fonction de la frequence de decoupage. L'invention concerne aussi un equipement de transmission d'informations comportant au moins un dispositif de transmission-reception d'informations relic a un bus de donnees a deux firs, caracterise en ce qu'il comporte un coupleur unitaire tel que decrit, apte a relier le dispositif de transmission-reception d'informations au bus de donnees a deux firs. D'autres caracteristiques et avantages de ['invention appara^'tront a la lecture de la description detaillee qui suit, faite a titre d'exemple non limitatif et en reference aux dessins annexes dans lesquels: les figures 1 a) a 1 e) deja decrites representent schematiquement, respectivement une alimentation de type ', ses phases de fonctionnement lorsque l'interrupteur est ferme puis ouvert, et ses formes d'onde, les figures 2a) a 2f) deja decrites representent schematiquement, respectivement une alimentation de type >, ses phases de fonctionnement lorsque l'interrupteur est ferme puis ouvert, puis lorsque la diode Ddem est egalement ouverte, et ses formes d'onde, les figures 3a) et 3b) deja decrites representent schematiquement, respectivement une alimentation de type > et une alimentation de type > comportant un circuit R. C, D dissipatif, la figure 5 deja decrite represente schematiquement une alimentation de type > comportant un circuit CALC peu dissipatif, la figure 6 represente schematiquement un coupleur unitaire selon ['invention, les figures 7a) et 7b) representent schematiquement, respectivement une alimentation de type >, comportant un coupleur unitaire selon ['invention, la figure 8 represente schematiquement un exemple de systeme de transmission dtinformation comportant un coupleur unitaire selon ['invention. Le circuit utilise pour reduire dans une alimentation, les surtensions aux bornes de l'interrupteur M, les pertes par commutation et les pertes d'energie contenue dans ['inductance de fuite, est un coupleur unitaire. Un coupleur unitaire est un transformateur dans lequel I'enroulement de ['inductance Lp du circuit primaire comporte le mame nombre de spires et la meme phase que l'enroulement de ['inductance Ls du circuit secondaire. Ceci permet aussi d'avoir la meme tension aux bornes des inductances primaire Lp et secondaire Ls et done, selon le principe de base evoque plus haut, d'utiliser une liaison capacitive entre ces deux inductances pour contrer l'effet de ['inductance de fuite du transformateur. Un tel coupleur unitaire selon ['invention est represente figure 6. Une premiere liaison (liaison 1) comportant une premiere capacite C1 relic les extremites des enroulements des inductances Lp et Ls; et une deuxieme liaison (liaison 2) comportant une deuxieme capacite C2, de meme valeur que la premiere capacite C1, relic les autres extremites des inductances Lp et Ls. Ce coupleur permet de realiser un couplage a des frequences relativement faibles (de quelques dizaines de kHz), jusqu'a quelques dizaines de MHz tout en diminuant les pertest Ainsi le rendement du couplage est augmente malgre l'utilisation de composants moins encombrants et done moins chers. Le condensateur choisi pour les liaisons capacitives a de preference de tres faibles inductance et resistance serie parasites. On peut choisir par exemple un condensateur ceramique multicouches. Ce coupleur est avantageusement utilise dans des alimentations de type > ou > comme represente figures 7a) et 7b). Les l iaisons capacitives an n u lent la s u rtens ion aux bo rn es de l'interrupteur M lors de l'ouverture de M. II n'est done pas necessaire d'ajouter des circuits R. C, D ou CALC, ni de surdimensionner l'interrupteur M en tension. De plus, I'energie stockee dans ['inductance de fuite est directement transferee dans les liaisons capacitives qui transferent cette energie dans le circuit secondaire. Parmi les diverges configurations d'alimentation de type > et > existantes, certaines generent de fortes tensions de mode commun a la frequence de decoupage; on choisit les configurations minimisant les tensions de mode commun entre les circuits lo primaire et secondaire de facon a pouvoir utiliser les liaisons capacitives, c'est-a-dire les configurations pemnettant que la tension aux bornes de la capacite C1 (respectivement C2) ne varie pas en fonction de la frequence de decoupage. Une alimentation de type > ne generant pas de fortes tensions de mode commun a la frequence de decoupage, et utilisant un coupleur unitaire selon ['invention est representee figure 7a). Wile comprend un circuit primaire P comportant montes en eerie, une source de tension Vjn,, une inductance Lp et un interrupteur M, et un circuit secondaire S comportant montes en eerie, une capacite COUl, reliee a une charge representee ici par une resistance Rcharge, un redresseur D et une inductance Ls. Le circuit de couplage entre les circuits primaire P et secondaire S comprend un coupleur unitaire selon ['invention; les inductances Lp et Ls vent done identiques et reliees par des liaisons capacitives de meme valeur. Une maquette d'alimentation de type > utilisant un coupleur unitaire selon ['invention, a ete realisee; on a obtenu, pour une tension en entree Vn=28 V DC et une puissance P=50 W. un gain en rendement d'environ 2 a 5% avec une baisse des surtensions a l'ouverture d'un rapport 4. Une alimentation de type > ne generant pas de fortes tensions de mode commun a la frequence de decoupage, et utilisant un coupleur unitaire selon ['invention est representee figure 7b). Wile comprend un circuit primaire P comportant montes en eerie, une source de tension Vjn,, une inductance Lp et un interrupteur M, et monte en parallele avec ['inductance Lp et l'interrupteur M, des moyens pour 1 1 2839381 demagnetiser le transformateur, tels que par exemple ceux de la figure 2a) ; elle comprend aussi un circuit secondaire S comportant montes en eerie, une capacite COu, reliee a une charge representee ici par une resistance Rchage' une inductance L, un premier redresseur D1 et une inductance Ls, et monte en parallele avec le redresseur D1 et ['inductance Ls, un redresseur D2. Le circuit de couplage entre les circuits primaire P et secondaire S comprend un coupleur unitaire selon ['invention; les inductances Lp et Ls vent done identiques et reliees par des liaisons capacitives de meme valeur. Le coupleur unitaire selon ['invention est applicable notamment l O aux alimentations dans lesquelles on utilise comme interrupteur M, un transistor Mos, et/ou comme redresseurs D1, D2 et/ou Ddem, des redresseurs non controles tels que des diodes, voire des redresseurs controles tels que des Mos. Le coupleur unitaire selon ['invention est en particulier applicable aux convertisseurs a stockage inductif tels que decrits dans les brevets n 2 729 471, 2 729 516 et 2 773 013. Les alimentations decrites permettent d'obtenir un meilleur rendement et une baisse des surtensions aux bornes de l'interrupteur sans augmenter de fa,con significative la complexite des montages, comme dans les cas des montages incluant des circuits R. C, D ou CALC. L'utilisation de capacites permet de realiser un couplage haute frequence, pouvant depasser 100 MHz. Le coupleur unitaire selon ['invention peut alors etre utilise pour transmettre des informations a haute frequence: le couplage capacitif permet une transmission d'information rapide qui est relayee par le couplage magnetique a des frequences de quelques dizaines de KHz a plusieurs dizaines de MHz. Un exemple de systeme de transmission d'infommation est represente figure 8. II comprend deux equipements E1 et E2 relies entre eux par un bus de donnees a deux fils B. Chacun des equipements E1 et E2 comporte un dispositif de transmission-reception d'informations T/R relic au bus de donnees B au moyen d'un coupleur unitaire selon ['invention et de resistances R. De maniere plus generale, le coupleur selon ['invention peut s'appliquer a tout dispositif utilisant un transformateur magnetique. 1 2 2839381 REVENDICATIONS 1. Coupleur magnetique unitaire comprenant une premiere inductance (Lp) constituee d'un premier enroulement de phase p et presentant un nombre N de spires entre les deux extremites du premier enroulement et, couplee magnetiquement a la premiere inductance (Lp), une deuxieme inductance (Ls) constituee d'un deuxieme enroulement de meme phase cp et presentant le meme nombre N de spires entre les deux extremites du deuxieme enroulement, caracterise en ce que les extremites des premier et deuxieme enroulements vent reliees entre elles par une liaison comportant une capacite (C1, C2) de meme valeur. 2. Alimentation a decoupage comportant un circuit primaire (P) couple a un circuit secondaire (S) au moyen d'un circuit de couplage, caracterisee en ce que le circuit de couplage comporte un coupleur magnetique unitaire selon la revendication precedente. 3. Alimentation a decoupage selon la revendication precedente, caracterisee en ce que l'alimentation est de type . 4. Alimentation a decoupage selon la revendication precedente, caracterisee en ce que le circuit primaire (P) comprend au moins un interrupteur (M) monte en serie avec une source de tension (Vjn) et avec la premiere inductance (Lp), et le circuit secondaire comprend au moins un redresseur (D) monte en serie avec la deuxieme inductance (Ls) et une capacite (COUI) reliee a une charge (Rcharge) 5. Alimentation a decoupage selon la revendication 2, caracterisee en ce que l'alimentation est de type . 6. Alimentation a decoupage selon la revendication precedente, caracterisee en ce que le circuit primaire (P) comprend au moins un interrupteur (M) monte en serie avec la premiere inductance (Lp) et une source de tension (Vjn), et monte en parallele avec l'interrupteur (M) et la premiere inductance (Lp), un circuit de demagnetisation du transformateur 1 3 2839381 magnetique (T) et le circuit secondaire comprend en outre, montes en serie avec la deuxieme inductance (Ls), une capacite (COu) reliee a une charge (RCharge), une troisieme inductance (L), un premier redresseur (D1) , et, monte en parallele avec la deuxieme inductance (Ls) et le premier redresseur (D1), un deuxieme redresseur D2. 7. Alimentation a decoupage selon l'une quelconque des revendications 2 a 6, caracterisee en ce que les circuits primaire (P) et secondaire (S) vent apses a generer aux bornes de chaque capacite (C1, C2) lo du coupleur magnetique unitaire, une tension ne variant pas en fonction de la frequence de decoupage. 8. Equipement de transmission d'informations comportant au moins un dispositif de transmission-reception d'informations (T/R) relic a un bus de donnees a deux fils (B), caracterise en ce qu'il comporte un coupleur unitaire selon la revendication 1, apte a relier le dispositif de transmission-