Brevet FR2902581A1 — publié le 20071221

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des convertisseurs continu/continu et elle concerne plus particulièrement un convertisseur pouvant délivrer une pluralité de tensions de sortie. Art antérieur Le recours à des convertisseurs DC/DC est bien connu et cela dans tout type d'industrie. Beaucoup de ces convertisseurs qui comportent un transformateur pour assurer une isolation galvanique délivrent une tension de ro sortie unique qui selon leur configuration est supérieure (cas du convertisseur survolteur dit aussi boost) ou inférieure (cas du convertisseur dévolteur dit aussi buck) à la tension continue délivrée au primaire du transformateur. On connaît cependant des convertisseurs qui délivrent plusieurs tensions de sortie. Ainsi, dans le brevet US 5541828, le secondaire du transformateur 15 comporte plusieurs enroulements pour créer sur des voies de sortie auxiliaires des tensions positives en supplément de la tension positive délivrée par la voie de sortie principale du convertisseur. Toutefois, ces tensions secondaires auxiliaires sont fixes et simplement définies par le rapport de transformation entre l'enroulement primaire et les enroulements secondaires du 20 transformateur. Objet et définition de l'invention La présente invention propose donc un convertisseur DC/DC qui permet de s'affranchir de cette proportionnalité et permet en outre de réguler les 25 tensions de sortie multiples délivrées en sus de la tension de sortie principale. Ces buts sont atteints par un convertisseur DC/DC comportant : . un transformateur -.gant un enrou'7rnent rimaire Np et au moins un ,tyller [\iç Pr n c. 1( I\ic, ~nrni)i,',--~rc laites me vnie rie Snrtie jpale reli; amier enmi liement secondaire à ir synchrone, une une voie d'entrée reliant tensiui' Li alimentation continue Ve à 'enroulement primaire et comportant un circuit de commutation commandé par un premier modulateur d'impulsions en largeur PWM1 pour réguler la tension de sortie principale en commutant le courant dans l'enroulement primaire, . une voie de sortie auxiliaire reliant le second enroulement secondaire à une sortie auxiliaire Va et comprenant un circuit redresseur auxiliaire ayant un commutateur de commande M5, un commutateur de roue libre M6, un commutateur de redressement M3, une seconde inductance L2 et un second condensateur C2, . un second modulateur d'impulsions en largeur PWM2 relié aux ro commutateurs de commande M5 et de roue libre M6 pour commander un intervalle de conduction de ces commutateurs afin de réguler la sortie auxiliaire indépendamment de la sortie principale, le commutateur de redressement M3 étant commandé en synchronisme avec le circuit redresseur synchrone de la voie principale. 15 Ainsi, avec cette configuration spécifique intégrant un redressement synchrone retardé par voie auxiliaire commandé par les signaux de commande de la voie principale, on peut obtenir n'importe quelle tension de sortie, inférieure ou supérieure à la tension d'entrée. Sa simplicité permet en outre une notable réduction de la masse et du volume du convertisseur 20 facilitant ainsi son utilisation en matière aéronautique. Avantageusement, ledit premier modulateur à impulsions de largeur commandant ledit circuit de commutation peut être disposé soit au primaire du transformateur soit au secondaire du transformateur et isolé alors dudit circuit de commutation par un circuit d'isolation galvanique. 25 Selon le mode de réalisation envisagé, ledit circuit redresseur synchrone est autocommandé et peut comporter un commutateur de commande Ml dont la grille c reliée à une e extrémité ier enroulement secondaire et n3rYn liste!_ bre extrmitÉ premier enrni liement çecondaire 1plement 30 cor :ommt et r partie 'ent Nsla et une enroulement premier enroulement secondaire, ces première et seconde parties d'enroulement ayant une extrémité en commun, les grilles de chacun de ces deux commutateurs étant commandées depuis ledit circuit de commutation et en ce que ledit second enroulement secondaire est constitué d'une première partie d'enroulement Ns2a et d'une seconde partie d'enroulement Ns2b ayant une extrémité en commun, les deux autres extrémités de ces deux parties d'enroulement du second enroulement secondaire étant reliées à deux commutateurs de synchronisation M3, M4 commandés en parallèle et en synchronisme avec le circuit redresseur synchrone. De préférence, lesdits commutateurs sont des transistors MOSFET'. Brève description des dessins Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un premier exemple de réalisation d'un convertisseur DC/DC à tensions de sortie multiples conforme à la présente invention, - la figure 1A est une variante de la figure 1 dans laquelle le circuit de commutation du primaire est commandé depuis le secondaire, - la figure 2 est un diagramme des temps des différents signaux disponibles 20 au niveau du convertisseur de la figure 1, - la figure 3 montre un second exemple de réalisation d'un convertisseur DC/DC à tensions de sortie multiples conforme à la présente invention, - la figure 3A est une variante de la figure 3 dans laquelle le circuit de commutation du primaire est commandé depuis le secondaire, et 25 - la figure 4 est un diagramme des temps des différents signaux disponibles au niveau du convertisseur de la figure 3. préfé exemple réalisation d'un 30 cor "IC/DC à t, s de s selon l'invention. il est connu, ce convertisseur orte un transformateur IO dont l'enroulement primaire Np est alimenté de façon classique depuis une tension continue Ve au travers d'un circuit de commutation 12 commandé par un premier modulateur d'impulsions en largeur (PWM1) chargé de réguler en boucle fermée la tension principale Vp de sortie de ce convertisseur reçue via un circuit d'isolation galvanique 14. Cette tension principale est disponible aux bornes d'un premier condensateur Cl dont une extrémité est reliée à une extrémité d'un premier enroulement secondaire Nsi du transformateur au travers d'une première inductance L1 et dont l'autre extrémité formant borne de masse est reliée à l'autre extrémité du premier enroulement secondaire au travers d'un commutateur de commande M1. Un commutateur de roue libre M2 est monté entre l'autre extrémité du condensateur Cl et l'extrémité de l'enroulement secondaire. De préférence, ces deux commutateurs sont des transistors MOSFET et sont montés en redresseur synchrone autocommandé avec la grille du commutateur MI reliée à l'extrémité de l'enroulement secondaire et la grille du commutateur M2 reliée à l'autre extrémité de l'enroulement secondaire. Dans la variante de la figure 1A, le circuit de commutation 12 est commandé par le premier modulateur d'impulsions en largeur (PWM1) qui se trouve maintenant au secondaire du transformateur 10 et duquel il est isolé par un circuit classique d'isolation galvanique 16. Selon l'invention, le convertisseur délivre également une tension de sortie auxiliaire Va aux bornes d'un second condensateur C2 dont une extrémité est reliée à l'autre extrémité du condensateur Cl formant borne de masse et l'autre extrémité est reliée à une extrémité d'une seconde inductance L2 dont l'autre extrémité est reliée à une extrémité d'un second enroulement secondaire Ns2 au travers d'un commutateur de commande M5. L'autre extrémité du second enroulement secondaire est reliée à la borne de masse au travers d'un commutateur de redressement M3 et un commutateur entre -me de masse la seconde urs M3, M5 e sont de préférence des transistors MOSFL grille commutateur M3 étant reliée à la c lu corn sorte ux commutateurs sont cor en rfait syn isme et le- des commutateurs W., M6 étant commandes par un second ii ioduiateur d'impulsions en largeur PWM2 (régulation post-synchrone) qui assure une régulation en boucle fermée de la tension de sortie auxiliaire Va par redressement synchrone retardé. Le fonctionnement du convertisseur de la figure 1 est maintenant illustré en regard du diagramme des temps de la figure 2 dans lequel le signal s RECM est le signal sur la grille du commutateur MI qui est aussi le signal de sortie de la voie principale avant filtrage, le signal RECS est le signal au niveau d'une extrémité du second enroulement secondaire Ns2, le signal Ph est le signal de sortie auxiliaire avant filtrage, M2 le signal sur la grille du commutateur M2, et M5 et M6 les signaux de commande des grilles des Io commutateurs M5 et M6 respectivement. Tout d'abord, on notera que la tension de sortie principale Vp est comme il est connu régulée par le premier modulateur PWM1 que celui-ci soit disposé au primaire (figure 1) ou au secondaire (figure 1A) du transformateur et dont le rapport cyclique est ajusté pour maintenir cette tension principale 15 de sortie au niveau désiré. La régulation de la tension auxiliaire Va est effectuée quant à elle par le second modulateur PWM2 qui commande les commutateurs M5 et M6 conformément aux chronogrammes de la figure 2, la tension RECS délivrée en amont du commutateur M5, supérieure à la tension auxiliaire Va, étant 20 proportionnelle à la tension RECM délivrée en amont de l'élément de filtrage L1C1 de la tension de sortie principale et dépendant du rapport de transformation entre Nsl et Ns2 selon la formule RECS=[Nsl/Ns2]*RECM. Pendant la phase de transfert d'énergie de la tension principale, le commutateur M3 est commandé comme le commutateur MI et le 25 commutateur M5 est commandé par le second modulateur PWM2. Par contre, pendant la phase de roue libre de cette même tension principale, le commutateur M3 est bloqué mme l'est 1:liement mmutateo ro: ''aucun ne r internes rip MC M3 étant ni Ite-commandé e...oulement N 3o M5 et M6 m 1t M3 en coi Dn lors de l'inv( on de la t sformateur (à la fin de la phas ransfert d'énerc primai' vul lu DcLondaire). L'énergie accumulée au secondaire est chats directement e sans limitation) réinjectée au primaire. En outre, en réalisant un redressement mono alternance, M3 permet à M5 d'être un commutateur seulement unidirectionnel, ce qui simplifie la réalisation du convertisseur. Un second exemple de réalisation d'un convertisseur DC/DC à tensions de sortie multiples selon l'invention est illustré à la figure 3. Une variante de cet exemple de réalisation est illustrée à la figure 3A. Dans cet exemple, la régulation de la tension de sortie principale Vp n'est plus assurée par un redresseur synchrone autocommandé mais par un simple redresseur synchrone commandé, le premier modulateur d'impulsions en largeur (PWM1) chargé de réguler en boucle fermée la tension principale Vp 0 10 de sortie du convertisseur pouvant commander à la fois le circuit de commutation 12 et le circuit de commande 18 des commutateurs MI et M2 depuis le primaire (figure 3) ou depuis le secondaire (figure 3A) du transformateur 10 via le circuit d'isolation galvanique 16. Comme précédemment, et comme il est connu, la tension principale est disponible 15 aux bornes d'un premier condensateur Cl dont une extrémité est reliée à une extrémité d'une première partie Nsia d'un premier enroulement secondaire du transformateur au travers d'une première inductance LI et dont l'autre extrémité formant borne de masse est reliée à l'autre extrémité de cette première partie du premier enroulement secondaire au travers du 20 commutateur de commande MI. Par contre, dans ce mode de réalisation, le commutateur de roue libre M2 est monté en série entre la borne de masse et une extrémité d'une seconde partie Nslb du premier enroulement secondaire dont l'autre extrémité est reliée à l'extrémité de la première partie Nsla du premier enroulement secondaire reliée à l'inductance LI. De préférence, ces 25 deux commutateurs sont des transistors MOSFET dont les grilles sont commandées par le premier modulateur PWM1 comme indiqué précédemment. pi conve ç ur ciliaire Va al !Y hnrnes dL uecond condensate, dont une extrémite 30 1 Imité du condensateur Cl formant borne de masse et 1' itre extrémité est reliée à une extrémité de la seconde inductance L2 dont l'autre extrémité est reliée à extrémité d'une première partie Ns2a du second enroulement secondaire au travers du commutateur de commande M5. L'autre extrémité de cette première partie du second enroulement secondaire est comme dans le mode réalisation précédent reliée à la borne de masse au travers du commutateur de redressement M3 et un commutateur de roue libre M6 est monté entre cette borne de masse et la seconde extrémité de l'inductance L2. Dans ce mode de réalisation, il est prévu en outre un autre commutateur de redressement M4 monté en série entre la borne de masse et une extrémité d'une seconde partie Ns2b du second enroulement secondaire dont l'autre extrémité est reliée à l'extrémité de la première partie Ns2a de ce second enroulement secondaire connectée au commutateur de commande M5. Les commutateurs M3, M4, M5 et M6 sont de préférence des transistors MOSFET, la grille du commutateur M3 étant reliée à la grille du commutateur M1, la grille du commutateur M4 étant reliée à la grille du commutateur M2 et les grilles des commutateurs M5 et M6 étant commandés par le second modulateur PWM2 qui assure comme précédemment la régulation de la tension de sortie auxiliaire Va. Le fonctionnement du convertisseur de la figure 3 se déduit du diagramme des temps de la figure 4 qui reprend les signaux décrits précédemment en regard de la figure 2. Pendant la période ti, la tension RECM est positive, le commutateur M1 est ouvert et le commutateur M3 qui est commandé par le même signal également. Les commutateurs M2 et M4 sont bloqués. Pendant t2, RECM est égal à zéro, le commutateur M2 est ouvert et le commutateur M4 qui est commandé par le même signal également. Pendant t3, RECM est négative, les commutateurs M2 et M4 sont ouverts et les commutateurs MI et M3 sont bloqués. Les commutateurs M5 et M6 sont comme précédemment commandés pa - second modulateur PWNI2 et la tension RECe' délivrée en 3133.101-1t COI- 'IlTatel ai iççi nroportionnelle à tension RECM de;1i'drse de la tension de sorti( _mm! a ! . tor emo., pend du rapport i,for n entre Nsl Ns2 ne formule RECcùrKIsl/Ns2rRELee Ainsi, avec la présente invention, il devient possible de délivrer toute tension de sortie ayant un niveau supérieure ou inférieure à la tension au primaire selon le nombre d'enroulement du secondaire du transformateur et la tension de consigne de la boucle de régulation de post-synchronisation.5 REVENDICATIONS 1. Convertisseur DC/DC comportant . un transformateur (10) ayant un enroulement primaire Np et au moins un 5 premier Nsl et un second Ns2 enroulements secondaires, . une voie de sortie principale reliant le premier enroulement secondaire à une sortie principale Vp et comportant un circuit redresseur synchrone, une première inductance LI et un premier condensateur Cl, . une voie d'entrée reliant une tension d'alimentation continue Ve à 10 l'enroulement primaire et comportant un circuit de commutation (12) commandé par un premier modulateur d'impulsions en largeur PWM1 pour réguler la tension de sortie principale en commutant le courant dans l'enroulement primaire, . une voie de sortie auxiliaire reliant le second enroulement secondaire à une 15 sortie auxiliaire Va et comprenant un circuit redresseur auxiliaire ayant un commutateur de commande M5, un commutateur de roue libre M6, un commutateur de redressement M3, une seconde inductance L2 et un second condensateur C2, . un second modulateur d'impulsions en largeur PWM2 relié aux 20 commutateurs de commande M5 et de roue libre M6 pour commander un intervalle de conduction de ces commutateurs afin de réguler la sortie auxiliaire indépendamment de la sortie principale, le commutateur de redressement M3 étant commandé en synchronisme avec le circuit redresseur synchrone de la voie principale. 25 2. Convertisseur DC/DC selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier modulateur d'impulsions en largeur (PWM1) commandant ledit circuit de comm,tat0ri est olsbosé a'u orïmaire du transfom-lateL 3, Col ,- ~cauu !,,é en ce nremier minci! dateur d imnI lisions en -geur (PWM1) commandant ledit circuit 30 canin )n est di au s( ndaire du tran r ur et isolé du circuit de commutation r un circuit d'isolation galvanique (16), /l Convertisseur DC/DC selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit :uit redresseur synchrone est autocommandé et comporte un commutateurde commande MI dont la grille est reliée à une première extrémité du premier enroulement secondaire et un commutateur de roue libre M2 dont la grille est reliée à une seconde extrémité du premier enroulement secondaire. 5. Convertisseur DC/DC selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit redresseur synchrone comporte deux commutateurs M1 et M2 disposés en série respectivement avec une première partie d'enroulement Nsla et une seconde partie d'enroulement Ns1b du premier enroulement secondaire, ces première et seconde parties d'enroulement ayant une extrémité en commun, les grilles de chacun de ces deux commutateurs étant commandées depuis ledit premier modulateur d'impulsions en largeur PWM1 et en ce que ledit second enroulement secondaire est constitué d'une première partie d'enroulement Ns2a et d'une seconde partie d'enroulement Ns2b ayant une extrémité en commun, les deux autres extrémités de ces deux parties d'enroulement du second enroulement secondaire étant reliées à deux 15 commutateurs de redressement M3, M4 commandés en parallèle et en synchronisme avec le circuit redresseur synchrone. 6. Convertisseur DC/DC selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits commutateurs (M1 à M6) sont des transistors MOSFET.