Brevet FR2890800A1 — publié le 20070316

Commande rapprochée de convertisseurs d'énergie électriques L'invention concerne une commande rapprochée de convertisseurs d'énergie électriques. En particulier, l'invention s'applique à des alimentations électriques isolées fonctionnant à haute fréquence, avec un rendement élevé et un haut niveau d'intégration. De plus, l'invention peut être utilisée pour commander des convertisseurs en pont, présents notamment dans des onduleurs. Les alimentations électriques à découpage doivent notamment répondre à différentes contraintes d'intégration parmi lesquelles figurent les contraintes de volume, de poids ou encore de dissipation thermique. Une solution permettant de réduire le volume et le poids d'une alimentation électrique à découpage est de diminuer la surface occupée par les circuits magnétiques, et notamment le transformateur, en augmentant la fréquence de fonctionnement des circuits magnétiques. Lorsque la fréquence de fonctionnement des circuits magnétiques devient élevée, c'est-à-dire supérieure au mégahertz, les alimentations électriques à découpage doivent alors utiliser une commande comportant des composants supportant les hautes fréquences. Cela implique d'utiliser de nouveaux types de composants, comme par exemple des transistors MOS de nouvelle génération. L'emploi de tels composants impose de repenser les schémas des circuits électriques et peuvent avoir un impact sensible sur le coût de fabrication, de production et d'industrialisation. Une autre solution permettant d'augmenter la fréquence de fonctionnement des circuits magnétiques est l'utilisation de composants commandés en tension (composants en technologie MOS, transistor bipolaire à grille isolée,...), dont la capacité de gate est élevée. Cependant, cette solution engendre une augmentation de la dissipation thermique fonction de la fréquence de fonctionnement des circuits magnétiques. Il en résulte que le rendement d'une telle solution n'atteint qu'au mieux les 90%. Cette solution est inadaptée pour les alimentations de faible puissance ( c'est à dire les alimentations de quelques dizaines de watts). L'invention a notamment pour but de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet une commande rapprochée délivrant une tension de commande à au moins un convertisseur d'énergie électrique, recevant une tension d'entrée continue entre un point A et un point B. Elle comporte: une diode DI en parallèle d'un interrupteur Il, l'anode de la diode DI étant reliée au point B, la cathode de la diode DI étant reliée à un point E; une diode D2 en parallèle d'un interrupteur 12, l'anode de la diode D2 étant reliée au point B, la cathode de la diode D2 étant reliée à un point F; un transformateur TI comportant un premier enroulement primaire El relié entre le point A et un point G, un second enroulement primaire E2 relié entre le point A et le point F, un enroulement secondaire E3, ledit transformateur TI délivrant une tension entre un point H et un point D; Le point E et le point G sont connectés électriquement. Le point H et le point C sont connectés électriquement. Les interrupteurs Il et 12 étant commandé en répétant cycliquement les étapes suivantes: à un instant To, l'interrupteur Il est fermé ; à un instant TI, l'interrupteur Il est ouvert; l'interrupteur 12 est fermé avant que le courant qui parcourt la diode D2 ne s'annule; à un instant T3, l'interrupteur 12 est ouvert 43; à l'instant T4 où la diode DI devient conducteur, on recommence à la première étape. Dans un mode de réalisation, le point E est connecté au point G 25 par un condensateur C,. Dans un autre mode de réalisation, le point H est connecté au point C par un condensateur (C2). Dans un autre mode de réalisation, une diode D3 est connectée entre le point C et le point D, l'anode de la diode D3 étant reliée au point D, la cathode de la diode D3 étant reliée au point C. La commande rapprochée peut encore comporter une première 35 diode Zener D4 et une seconde diode Zener D5. La cathode de la première diode Zener D4 est alors reliée au point C. L'anode de la première diode Zener D4 est reliée à l'anode de la seconde diode Zener D5. La cathode de la seconde diode Zener D5 est reliée au point D. La commande rapprochée peut comporter un condensateur C2 relié entre le point H et un point I, un condensateur C3 relié entre un point I et un point C, une diode D7 reliée entre le point I et un point J. L'anode de la diode D7 est alors reliée au point I, la cathode de la diode D7 est reliée au point J. Une résistance RI est reliée entre le point J et le point C, une diode D8 est reliée entre le point J et le point D. L'anode de la diode D8 est alors reliée au point D. La cathode de la diode D8 est reliée au point J. L'invention a notamment pour avantages qu'elle permet d'obtenir des alimentations dont le rendement est élevé. De plus, le rapport cyclique de la commande rapprochée de convertisseurs peut être choisi différent de D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui 20 représentent: É la figure 1, un schéma de principe d'une commande rapprochée de convertisseurs selon l'invention; É la figure 2, un schéma de principe d'une commande rapprochée de convertisseurs selon un autre mode de réalisation de l'invention; É la figure 3, un schéma de principe d'une commande rapprochée de convertisseurs selon un autre mode de réalisation de l'invention; É la figure 4, la stratégie de commande des interrupteurs selon l'invention; É la figure 5, la stratégie de commande des interrupteurs Il et 12 selon l'invention appliquée à une commande rapprochée de convertisseurs fonctionnant avec un rapport cyclique'/2 selon l'invention. La figure 1 montre un schéma de principe d'une commande rapprochée de convertisseurs selon l'invention. La commande rapprochée de convertisseurs selon l'invention présentée à la figure 1 est un exemple de commande rapprochée pouvant par exemple être utilisée dans des alimentations électriques à découpage isolées fonctionnant à haute fréquence (c'est à dire à une fréquence supérieure à un mégahertz), dont le rendement est élevé (c'est-à-dire supérieur à 90%). De part l'ensemble de ces caractéristiques, ce type d'alimentation présente un haut niveau d'intégration par rapport aux alimentations électriques à découpage fonctionnant à plus faible fréquence. La commande rapprochée de convertisseurs selon l'invention présentée à la figure 1 est particulièrement adaptée pour être utilisée pour commander un convertisseur en pont fonctionnant autour d'un rapport cyclique de Y2. La commande rapprochée de convertisseurs selon l'invention est une commande isolée permettant de récupérer l'énergie stockée dans la capacité des commandes des interrupteurs commandés en tension couramment utilisés en électronique de puissance. La commande rapprochée de convertisseurs selon l'invention reçoit en entrée une tension Ve continue entre des points A et B. La tension Ve peut notamment être délivrée par une source de tension. La commande rapprochée de convertisseurs délivre en sortie entre les points C et D une tension VcaeÉ La tension Vue peut ensuite alimenter par exemple un convertisseur en pont ou tout autre convertisseur. Un ensemble comportant notamment une diode DI et un interrupteur Il est positionné entre le point B et un point E. La diode DI et l'interrupteur Il sont placés en parallèle l'un par rapport à l'autre. L'anode de la diode DI est reliée au point B alors que la cathode de la diode DI est reliée au point E. L'interrupteur Il a une fonction de commande. L'interrupteur Il peut par exemple être un composant MOS ou tout autre composant jouant le rôle d'un interrupteur. La tension entre les points E et B est notée VDI1. Un ensemble comportant notamment une diode D2 et un interrupteur 12 est positionné entre le point B et un point F. La diode D2 et l'interrupteur 12 sont placés en parallèle l'un par rapport à l'autre. L'anode de la diode D2 est reliée au point B alors que la cathode de la diode D2 est reliée au point F. L'interrupteur 12 peut par exemple être un composant MOS ou tout autre composant jouant le rôle d'un interrupteur. L'interrupteur 12 a une fonction de commande. La tension entre les points F et B est notée VD12. La commande rapprochée de convertisseurs selon l'invention comporte en outre un transformateur TI. Le transformateur TI assure une fonction d'inductance couplée. Le transformateur T, peut être remplacé par n'importe quel composant adapté à cette fonction. Le transformateur T1 comporte notamment un enroulement primaire El comportant un nombre NI de spires. L'enroulement primaire El est relié entre le point A et un point G. Le transformateur TI comporte encore un enroulement primaire E2 comportant un nombre NI de spires. L'enroulement primaire E2 est relié entre le point A et le point F. Le transformateur TI comporte autant d'enroulements primaires que d'interrupteurs assurant une fonction de commande en phases ou en opposition de phases, à savoir deux enroulements primaires sur l'exemple de la figure 1. Le transformateur TI comporte aussi un enroulement secondaire E3 comportant un nombre N2 de spires. Le transformateur délivre une tension entre un point H et le point D. Le rapport de transformation m du transformateur TI est égale à N2/N1. Le transformateur TI comporte autant d'enroulements secondaires que d'interrupteurs à commander au moyen de la commande rapprochée. Lorsque l'on souhaite un rapport cyclique différent de '/2, le transformateur TI fonctionne avec un cycle d'aimantation non centré autour de 0, impliquant un début de saturation et un niveau de pertes fer plus élevé. Dans ce cas de figure, entre l'ensemble comportant notamment la diode DI et l'interrupteur Il et l'enroulement primaire El, c'est-à- dire entre les points E et F, on intercale un condensateur CI. Le condensateur CI a notamment pour fonction d'autoriser le réglage du rapport cyclique au-delà ou en deçà de 50%. A titre d'exemple, le rapport cyclique peut être compris entre 30% et 70%. En régime établi, la charge de du condensateur CI permet d'assurer un cycle d'aimantation du transformateur TI symétrique autour de zéro et ainsi de ramener les pertes fer à leur plus faible niveau. La présence du condensateur CI permet de minimiser le volume du transformateur TI et de minimiser les pertes. Dans un mode de réalisation, afin de minimiser les pertes, notamment liées aux résistances des interrupteurs Il et 12, l'excursion en tension sur la tension Vcde peut être limitée et la tension Vcae décalée. Dans ce cas de figure un condensateur C2 peut être positionné entre le point H et le point C. Le condensateur C2, en régime établi, se charge à la tension de décalage choisie. Cette tension est fonction des composants retenus. Une diode D3 peut être positionnée entre le point C et le point D. L'anode de la diode D3 est reliée au point D alors que la cathode de la diode D3 est reliée au point C. La diode D3 permet de supprimer la composante négative. La valeur maximale de la tension VCde est notée VCde max. La tension directe Vd de la diode D3 est choisie de façon à satisfaire l'équation suivante: Vcde max = Ve.m Vd. Dans un autre mode de réalisation, la diode D3 est une diode Zener. La diode D3 permet alors de décaler la commande en positif ou en négatif. La figure 2 illustre un schéma de principe d'une commande rapprochée de convertisseurs selon un autre mode de réalisation de l'invention. Les éléments identiques aux éléments déjà présentés sur les autres figures portent les mêmes références. Dans un autre mode de réalisation de la commande rapprochée de convertisseurs selon l'invention, la diode D3 présente sur le schéma de la figure 1 est remplacée par deux diodes Zener: une diode Zener D4 et une diode Zener D5. La cathode de la diode Zener D4 est reliée au point C. L'anode de la diode D4 est reliée à l'anode de la diode Zener D5. La cathode de la diode Zener D5 est reliée au point D. La figure 3 illustre un schéma de principe d'une commande rapprochée de convertisseurs selon un autre mode de réalisation de l'invention. Les éléments identiques aux éléments déjà présentés sur les autres figures portent les mêmes références. Dans un autre mode de réalisation de la commande rapprochée de convertisseurs selon l'invention, la diode D3 présente sur le schéma de la figure 1 est supprimée. Le condensateur C2 est relié entre le point H et un point I. Un condensateur C3 est inséré entre les points I et C. Une diode D7 est reliée entre le point I et un point J. L'anode de la diode D7 est reliée au point I alors que la cathode de la diode D7 est reliée au point J. Une résistance RI est reliée entre le point J et le point C. Une diode D8 est reliée entre le point J et le point D. L'anode de la diode D8 est reliée au point D alors que la cathode de la diode D8 est reliée au point J. La figure 4 illustre la stratégie de commande des interrupteurs Il et 12 selon l'invention. Les éléments identiques aux éléments déjà présentés sur les autres figures portent les mêmes références. La stratégie de commande des interrupteurs Il et 12 comporte notamment quatre phases, qui peuvent être répétées cycliquement. Dans une première étape 40, à un instant T0, l'interrupteur Il est fermé. Puis dans une deuxième étape 41, à un instant TI, on ouvre l'interrupteur Il. La diode D2 devient alors conducteur à un instant noté t2. Avant que le courant qui parcourt la diode D2 ne s'annule, l'interrupteur 12 est fermé dans une étape 42. Puis, à un instant T3, on ouvre l'interrupteur 12 dans une étape 43. La diode DI devient alors conducteur à un instant noté T4. On passe alors à nouveau à l'étape 40. La figure 5 illustre par des chronogrammes et des formes d'ondes la stratégie de commande des interrupteurs Il et 12 selon l'invention appliquée à une commande rapprochée de convertisseurs fonctionnant avec un rapport cyclique 1/2 selon l'invention. Les éléments identiques aux éléments déjà présentés sur les autres figures portent les mêmes références. L'axe 21 des abscisses représente le temps. La description du fonctionnement qui suit ne tient pas compte des condensateurs CI et C2, le rapport cyclique étant dans l'exemple de la figure 4 rigoureusement égal à 0,5. Le courant qui circule dans l'ensemble comportant l'interrupteur Il et la diode DI est noté 1_I1. Le courant 1_I1 est fonction du temps. Le courant qui circule dans l'ensemble comportant l'interrupteur 12 et la diode D2 est noté I_12. Le courant 1_12 est fonction du temps. Une courbe 10 représente le signal de commande reçu par l'interrupteur 12 en fonction du temps. Une courbe 11 représente le signal de commande reçu par l'interrupteur Il en fonction du temps. Une courbe 12 représente le courant 1_I1 en fonction du temps. Une courbe 13 représente le courant 1_12 en fonction du temps. Une courbe 14 représente le courant délivré par la source de tension entre les points A et B, noté I VE, en fonction du temps. Une courbe 16 représente la tension VD12. Une courbe 17 représente la tension Vcde. A l'instant To, l'interrupteur Il est fermé dans l'étape 40 de la stratégie de commande des interrupteurs Il et 12 selon l'invention. Si on note m le rapport N1/N2, la tension Vcde est alors égale à Vdm. La commutation de l'interrupteur Il est réalisée sans perte (ou selon l'expression anglo-saxonne en Zero Switching Voltage ). Le courant 1_I1 croît alors de façon linéaire car une tension continue est appliquée aux bornes de l'inductance magnétisante du transformateur TI. A l'instant TI, l'interrupteur 11 est ouvert dans l'étape 41 de la stratégie de commande des interrupteurs Il et 12 selon l'invention. A cet instant, le courant 1_I1 a atteint une valeur maximale notée l_IlmaxÉ L'inductance magnétisante du transformateur TI résonne avec une capacité équivalente Cg. L'énergie stockée dans l'inductance magnétisante du transformateur TI est alors transférée à la capacité équivalente Cg. La tension Vcde décroît alors jusqu'à atteindre la tension Ve/m, ce qui provoque la mise en conduction de la diode D2. A l'instant T2, en régime établi, aux pertes Joules prêt, le courant 1_12 (t2) est égal à l'opposé du courant 1_limax. Le courant 1_12 croît alors de façon linéaire car une tension continue est appliquée aux bornes de l'inductance magnétisante du transformateur TI. L'interrupteur 12 est fermé dans l'étape 42 de la stratégie de commande des interrupteurs Il et 12 selon l'invention avant que le courant dans la diode D2 ne s'annule. La diode D2 conduisant, la tension aux bornes de l'interrupteur 12 étant quasiment nulle, la commutation de 12 est réalisée sans perte. A l'instant T3, l'interrupteur 12 est ouvert dans l'étape 43 de la 3o stratégie de commande des interrupteurs Il et 12 selon l'invention. A cet instant T3, le courant 1_12 à atteint une valeur maximale notée I_I2max égale au courant 1_IlmaxÉ L'inductance magnétisante du transformateur TI résonne avec la capacité équivalente Cg. L'énergie stockée dans l'inductance magnétisante du transformateur TI est alors transférée à la capacité équivalente Cg. La tension Vcde croît alors jusqu'à atteindre la tension Ve/m, ce qui provoque la mise en conduction de la diode DI. A l'instant T4 de mise en conduction de la diode DI, en régime établi, aux pertes Joules prêt, le courant I_11 est égal à l'opposé du courant I_Ilmax. Le courant 1_11 croît alors de façon linéaire car une tension continue est appliquée aux bornes de l'inductance magnétisante de T1. On peut alors, avant que le courant 1_11 (t) ne s'annule, recommencer l'étape 40 de la stratégie de commande des interrupteurs Il et 12 selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Commande rapprochée délivrant une tension de commande (Vcde) à au moins un convertisseur d'énergie électrique, recevant une tension d'entrée (Ve) continue entre un point A et un point B caractérisée en ce qu'elle comporte: une diode (DI) en parallèle d'un interrupteur (II), l'anode de la diode (D,) étant reliée au point B, la cathode de la diode (DI) étant reliée à un point E; une diode (D2) en parallèle d'un interrupteur (12), l'anode de la diode (D2) étant reliée au point B, la cathode de la diode (D2) étant reliée à 10 un point F; un transformateur (TI) comportant un premier enroulement primaire (El) relié entre le point A et un point G, un second enroulement primaire (E2) relié entre le point A et le point F, un enroulement secondaire (E3), ledit transformateur (TI) délivrant une tension entre un point H et un point D; le point E et le point G étant connectés électriquement, le point H et le point C étant connectés électriquement, les interrupteurs (I,, 12) étant commandés en répétant cycliquement les étapes suivantes: à un instant To, l'interrupteur (II) est fermé (40) ; à un instant TI, l'interrupteur (II) est ouvert (41) ; l'interrupteur (12) est fermé (42) avant que le courant qui parcourt la diode (D2) ne s'annule; à un instant T3, l'interrupteur 12 est ouvert (43) à l'instant T4 où la diode (DI) devient conducteur, on recommence 25 à la première étape (40). 2. Commande rapprochée selon la revendication 1 caractérisée en ce que le point E est connecté au point G par un condensateur (CI). 3. Commande rapprochée selon l'une des quelconques revendications précédentes caractérisée en ce que le point H est connecté au point C par un condensateur (C2). 4. Commande rapprochée selon l'une des quelconques revendications précédentes caractérisée en ce qu'une diode (D3) est connectée entre le point C et le point D, l'anode de la diode (D3) étant reliée au point D, la cathode de la diode (D3) étant reliée au point C. 5. Commande rapprochée selon l'une des quelconques revendications 1 à 3 caractérisée en ce qu'elle comporte une première diode Zener (D4) et une seconde diode Zener (D5), la cathode de la première diode Zener (D4) étant reliée au point C, l'anode de la première diode Zener (D4) étant reliée à l'anode de la seconde diode Zener (D5), la cathode de la seconde diode Zener (D5) étant reliée au point D. 6. Commande rapprochée selon l'une des quelconques revendications 1 à 3 caractérisée en ce qu'elle comporte un condensateur (C2) relié entre le point H et un point I, un condensateur (C3) relié entre un point I et un point C, une diode (D7) reliée entre le point I et un point J, l'anode de la diode (D7) étant reliée au point I, la cathode de la diode (D7) étant reliée au point J, une résistance (RI) reliée entre le point J et le point C, une diode (D8) reliée entre le point J et le point D, l'anode de la diode (D8) étant reliée au point D, la cathode de la diode (D8) étant reliée au point J.