Brevet FR2934439A1 — publié le 20100129

La présente invention concerne un dispositif convertisseur continu-continu. Elle concerne plus particulièrement un dispositif convertisseur continu-continu à plusieurs étages à partir d'au moins une source de tension primaire, comportant au moins un étage primaire et au moins un étage secondaire, chaque étage comprenant une inductance et des moyens de commutation constitués par un transistor à effet de champ, dont la source est connectée à une tension de référence dudit étage, dont le drain est connecté à une entrée de l'inductance dudit étage et dont la grille est commandée par des moyens de commande adaptés à commander simultanément et à la même fréquence lesdits moyens de commutation associés à chaque étage. Un tel dispositif est déjà connu de la demande de brevet FR 2 878 382, déposée au nom de la demanderesse et va être décrit plus en détail en référence à l'exemple des figures la et 1 b, illustrant un schéma électrique d'un convertisseur continu-continu selon cet état de l'art à deux étages, respectivement dans un premier et un second état de commutation. Le convertisseur comprend un étage primaire E1 et un étage secondaire E2. L'étage primaire est relié à la masse. Sa tension de sortie Vout1 est définie par rapport à cette masse, faisant office de tension de référence pour ce premier étage. L'étage primaire comporte une inductance L1, en tant que moyens inductifs de stockage d'énergie électrique, un condensateur Cl, une résistance R1 et des moyens de commutation S2, constitués typiquement par un transistor à effet de champ de type MOSFET. Le condensateur Cl est monté entre la masse et une borne, appelée borne de sortie, de l'inductance L1. La résistance R1 est montée en parallèle aux bornes de Cl. Le transistor constituant les moyens de commutation S2 voit son drain relié à l'autre borne de l'inductance L1, ou borne d'entrée de l'inductance L1, sa source reliée à la tension de référence de l'étage primaire constituée par la masse, tandis que sa grille est commandée par l'intermédiaire de moyens de commande SW. L'étage secondaire E2 comporte mêmement une inductance L2, un condensateur C2, une résistance R2, et des moyens de commutation S2a, de type MOSFET. Il comporte en outre une capacité de découplage C2a, montée entre les bornes d'entrée des inductances L1 et L2. Cette dernière permet de découpler l'étage secondaire de la masse lorsque les moyens de commutation S2 de l'étage primaire sont fermés. Le transistor constituant les moyens de commutation S2a voit son drain relié à la borne d'entrée de l'inductance L2, sa source étant reliée à une tension de référence de l'étage secondaire, constituée par la tension de sortie Vout1 de l'étage inférieur El, fournie sur la borne de sortie de l'inductance L1, tandis que sa grille est commandée par l'intermédiaire des moyens de commande SW. La capacité C2 est montée entre les bornes de sortie des inductances L1 et L2, et la résistance R2 est montée entre la borne de sortie de l'inductance L2 et la masse. De même que la tension de sortie Vout1 correspond à la tension à la borne de sortie de l'inductance L1, la tension de sortie Vout2 de l'étage secondaire E2 correspond 5 à la tension de la borne de sortie de l'inductance L2 de l'étage secondaire. La borne d'entrée de l'inductance L1 de l'étage primaire est en outre reliée par l'intermédiaire d'un commutateur S1 à une source de tension primaire Uin. Le commutateur S1, sous contrôle des moyens de commande SW, permet ainsi de réaliser le hachage de la tension fournie par la source de tension primaire Uin. 10 La figure la montre ce convertisseur au cours d'une première phase, appelée phase de charge des inductances. Au cours de cette phase de charge, le commutateur S1 est fermé tandis que les moyens de commutation S2 et S2a sont ouverts, c'est-à-dire que les transistors correspondants sont commandés dans un état bloqué par l'intermédiaire des moyens de commande SW. Ainsi, au cours de cette phase de charge, 15 le courant en provenance de la source de tension primaire Uin charge l'inductance L1. II charge également, à travers la capacité de découplage C2a, l'inductance L2. La figure 1 b montre le convertisseur de la figure la dans une seconde phase, appelée phase de décharge des inductances. Le commutateur S1 et les transistors S2 et S2a sont commandés pour commuter simultanément, pour passer de leurs positions 20 représentées sur la figure la aux positions de la figure 1b. Le commutateur S1 est alors commandé en position ouverte tandis que les transistors S2 et S2a sont commandés dans un état passant. L'inductance L1 fournit alors du courant tout d'abord au condensateur Cl mais également, par l'intermédiaire du transistor S2a passant, à l'étage secondaire. Dans ce second étage, du courant est ainsi fourni par l'inductance L2, et 25 aussi par L1, au condensateur C2. La fréquence de commutation définie par les moyens de commande est adaptée à la tension Vout1 que l'on souhaite obtenir. Dans le convertisseur représenté sur les figures la et 1 b, la tension Vout2 est alors sensiblement le double de la tension Voutl. 30 Bien entendu, il est possible d'obtenir une troisième tension de sortie Vout3 en réalisant un second étage secondaire, ou troisième étage, avec une tension de sortie Vout3, la structure de ce second étage secondaire étant alors la réplique de la structure de l'étage E2 par rapport à l'étage primaire. Un premier inconvénient de cette architecture de convertisseur de tension de 35 l'état de l'art réside dans l'échauffement des transistors constituant les moyens de commutation associés à chaque étage secondaire, lors de la phase de décharge du convertisseur. Cet échauffement non souhaité provient du fait que les transistors en question sont polarisés en dessous de leur tension de pincement. En effet, le transistor MOSFET d'un étage secondaire est référencé par rapport à la tension de sortie de l'étage inférieur. En l'occurrence, s'agissant de l'exemple précédent, la source du transistor S2a est connectée à la tension de sortie Voutl, non nulle. Compte tenu de la tension de commande de grille fournie par les moyens de commande SW pour faire commuter les transistors d'un état bloqué vers un état passant, on obtient une tension grille-source Vgs inférieure à la tension de pincement. Le transistor n'est donc pas passant correctement et il en résulte une dissipation thermique importante, au détriment du rendement du convertisseur. Ce problème ne se pose pas pour le transistor constituant les moyens de commutation de l'étage primaire du convertisseur, dans la mesure où ce dernier est référencé à la masse. La tension de commande de grille permet donc d'obtenir une tension grille-source adapté à rendre passant le transistor. En outre, dans le domaine de l'électronique, il peut être nécessaire de disposer de plusieurs tensions d'alimentation différentes à partir d'au moins une même source d'alimentation. C'est par exemple le cas pour un autoradio dans un véhicule automobile. En effet, l'autoradio est alimenté par la batterie du véhicule, qui délivre une tension donnée, typiquement 12V, tandis que les divers systèmes au sein de l'autoradio requièrent des tensions d'alimentation différentes, par exemple 3,3V, 5V, 8V et 8,5V. Le convertisseur de l'état de l'art décrit en référence aux figures 1 a et 1 b, ne permet cependant pas d'obtenir un tel éventail de choix de tensions d'alimentation différentes. En effet, les tensions de sortie fournies correspondent sensiblement à des multiples d'une tension de base. Ainsi, la tension de sortie Vout2 vaut sensiblement le double de la tension de sortie Voutl. Or, comme on l'a vu, dans les systèmes électroniques, les tensions d'alimentation souhaitées ne sont pas forcément des multiples d'une tension de base. La présente invention a donc pour but de remédier aux inconvénients précités. En particulier, un objet de l'invention est de proposer un dispositif convertisseur continu- continu présentant une faible dissipation thermique au niveau des transistors MOSFET des étages secondaires du dispositif. Un autre objet de l'invention est de proposer un dispositif convertisseur continu-continu à plusieurs sorties, capable de procurer une grande variété de tensions d'alimentation disponibles sur ces sorties. Avec ces objectifs en vue, l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est plus particulièrement caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de polarisation du transistor à effet de champ de chaque étage secondaire, intercalés entre les moyens de commande et ledit transistor, pour fixer une tension de commande sur la grille du transistor adaptée à maintenir le transistor dans un état passant lorsqu'il est commandé dans ledit état. De préférence, les moyens de polarisation comprennent une diode reliant la grille et la source dudit transistor, et une capacité de découplage, reliant la grille dudit transistor aux moyens de commande. Les moyens de polarisation peuvent comprendre en outre une résistance connectée en parallèle de la diode entre la grille et la source dudit transistor. De préférence, le dispositif convertisseur comprend un premier étage primaire dont l'inductance est directement reliée à la source de tension primaire par des premiers moyens de hachage de la tension primaire, et en ce que la tension de référence de chaque étage correspond à la tension de sortie de l'étage inférieur, le premier étage primaire ayant une première tension de référence correspondant à la masse. Avantageusement, chaque étage secondaire comprend des moyens de découplage connectés en série avec l'inductance de l'étage correspondant, de manière à découpler cet étage secondaire de la tension de référence de l'étage primaire. Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif convertisseur comprend un premier et un second étage primaire dont les inductances respectives sont directement reliées à la source de tension primaire respectivement par des premier et second moyens de hachage de la tension primaire et en ce qu'il comprend un premier et un second étage secondaire, dont les tensions de références correspondent respectivement à la tension de sortie du second étage primaire et à une tension fournie par une source de tension secondaire, le premier et le second étage primaire ayant une tension de référence correspondant à la masse. La source de tension secondaire peut être constituée par la sortie d'un régulateur linéaire prenant en entrée la tension délivrée par la source de tension primaire. Avantageusement, le premier étage secondaire comprend des moyens de découplage connectés entre l'entrée de l'inductance dudit premier étage secondaire et l'entrée de l'inductance dudit premier étage primaire, et en ce que le second étage secondaire comprend des moyens de découplage connectés entre l'entrée de l'inductance dudit second étage secondaire et l'entrée de l'inductance dudit second étage primaire. De préférence, les moyens de découplage d'un étage secondaire comportent une capacité de découplage. Les moyens de hachage de la tension primaire comprennent avantageusement un commutateur commandé en position ouverte lorsque les moyens de commutation associés aux étages du dispositif sont commandés dans un état passant et inversement. L'invention concerne encore un appareil électronique de type autoradio, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif convertisseur continu-continu selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : - les figures 1 a et 1 b représentent un schéma électrique d'un convertisseur 10 continu-continu selon l'état de la technique à deux étages, respectivement dans des premiers et seconds états de commutation et ont déjà été décrites, - la figure 2 représente un schéma électrique d'un convertisseur continu-continu à deux étages, intégrant des moyens de polarisation propres à l'invention, - la figure 3 représente un schéma électrique d'un convertisseur continu- 15 continu, selon un mode de réalisation particulier de l'invention permettant d'optimiser la plage des tensions de sorties disponibles au niveau des différents étages du dispositif. L'invention va dans un premier temps être décrite en référence à la figure 2, illustrant un dispositif convertisseur continu-continu à deux étages, similaire à celui décrit en référence à la présentation de l'état de l'art. Sur cette figure, les références des figures 20 1 a et 1 b sont reprises pour désigner des éléments semblables. Selon l'invention, le dispositif convertisseur continu-continu intègre, en plus, des moyens de polarisation Pol du transistor à effet de champ S2a de l'étage secondaire E2, constituant les moyens de commutation associé à cet étage. Ces moyens de polarisation Pol du transistor de commutation S2a sont prévus pour être intercalés entre 25 les moyens de commande SW, délivrant la tension de commande de grille du transistor S2a et ce dernier, de manière à fixer une tension de commande de grille adaptée à maintenir le transistor dans un état passant, lorsqu'il est commandé dans cet état par l'intermédiaire des moyens de commande, lors d'une phase de décharge des inductances du dispositif convertisseur continu-continu. 30 Plus particulièrement, les moyens de polarisation Pol comprennent une diode Dp, connectée entre la grille et la source du transistor S2a, et une capacité Cp, reliée entre la cathode de la diode Dp (elle-même reliée à la grille du transistor S2a) et les moyens de commande SW, la capacité Cp étant prévue pour relier la grille du transistor aux moyens de commande SW. 35 Ainsi, la grille et la source du transistor S2a sont ramenées au même potentiel par l'intermédiaire de la diode Dp. Cette dernière permet donc de polariser la grille du transistor de l'étage secondaire E2 par rapport à la tension de référence Voutl, garantissant ainsi une tension grille-source Vgs suffisante pour commuter le transistor dans un état passant, quand on applique sur la grille le signal de commutation suivant les moyens de commande SW, par l'intermédiaire de la capacité Cp. Cette dernière est donc utilisée en tant que moyens de découplage, permettant de fournir le signal de commutation du transistor en provenance des moyens de commande SW. En plaçant de manière adjacente les éléments Cp et Dp sur la grille du transistor MOSFET S2a, la polarisation du MOSFET est donc référencée à Vout1, rendant donc le montage indépendant de cette dernière et garantissant ainsi une tension grille-source adaptée à rendre passant le transistor suivant le signal fourni par les moyens de commande. Les moyens de polarisation peuvent en outre comprendre, comme illustré à la figure 2, une résistance Rp, connectée en parallèle de la diode Dp, entre la grille et la source du transistor S2a. Cette variante de réalisation des moyens de polarisation du transistor permet ainsi, par l'intermédiaire de la résistance Rp, d'ajuster le seuil de polarisation du transistor, selon la valeur fixée pour la tension Vout1 à laquelle est référencée la grille du transistor. Ainsi, en polarisant et maintenant le transistor MOSFET S2a correctement passant pendant la phase de décharge du dispositif convertisseur continu-continu, comme expliqué ci-dessus, la dissipation thermique induite est fortement réduite, au bénéfice du rendement global du système. Un mode de réalisation particulier du dispositif convertisseur continu-continu selon l'invention va maintenant être décrit en référence à la figure 3. Il permet, en plus d'assurer une polarisation correcte des transistors de commutation des étages secondaires du dispositif lors de la phase de décharge des inductances, de fournir une plus grande variété de tensions de sortie disponibles. Cependant, ce mode de réalisation implique de prévoir une seconde source de tension Uref, nommée ci-après source de tension secondaire. Sur la figure 3, les références des figures précédentes sont reprises pour désigner des éléments semblables. Le dispositif convertisseur continu-continu comprend, selon l'exemple de la figure 3, deux étages primaires, respectivement El et E3. L'étage E3 présente une structure similaire à celle de l'étage primaire El, déjà décrit en référence aux figures précédentes. Ainsi, il est relié à la masse, faisant office de tension de référence pour cet étage. Il comporte une inductance L3, un condensateur C3, une résistance R3 et des moyens de commutation S4, de type MOSFET. Ces éléments sont connectés de manière identique aux éléments correspondants L1, Cl, R1 et S2 de l'étage primaire El. La tension de sortie Vout3 de l'étage primaire E3 correspond alors à la tension de la borne de sortie de l'inductance L3. La borne d'entrée de l'inductance L3 de l'étage E3 est également reliée par l'intermédiaire d'un commutateur S3 à la source de tension primaire Uin, de manière à 5 réaliser, sous contrôle des moyens de commande SW, le hachage de la tension fournie par la source de tension primaire Uin. Selon l'exemple de la figure 3, le dispositif convertisseur comprend en outre deux étages secondaires, respectivement E2 et E4, dont les tensions de références correspondent respectivement à la tension de sortie Vout3 du second étage primaire E3 10 et à la tension fournie par la source de tension secondaire Uref. La structure de ces étages secondaires est la réplique de celle déjà décrite en référence aux figures précédentes. Plus précisément, l'étage secondaire E2 comporte une inductance L2, un condensateur C2, une résistance R2, et des moyens de commutation S2a, de type 15 MOSFET. Il comporte en outre une capacité de découplage C2a, montée entre les bornes d'entrée des inductances L1 et L2. La tension de référence de l'étage E2 étant constitué dans cet exemple par la tension de sortie Vout3 de l'étage primaire E3, fournie sur la borne de sortie de l'inductance L3, le transistor S2a a donc sa source reliée à la tension de sortie Vout3 de l'étage primaire E3. Par ailleurs, le drain du transistor S2a est relié à la 20 borne d'entrée de l'inductance L2 de l'étage E2, tandis que sa grille est commandée par l'intermédiaire des moyens de commande SW. S'agissant de l'étage secondaire E4, il comporte une inductance L4, un condensateur C4, une résistance R4, et des moyens de commutation S4a, de type MOSFET. Il comporte en outre une capacité de découplage C4a, montée entre les bornes 25 d'entrée des inductances L3 et L4. La tension de référence de l'étage E4 étant constitué dans cet exemple par la tension fournie par la source de tension secondaire Uref, le transistor S4a a donc sa source reliée à la tension Uref. Par ailleurs, le drain du transistor S4a est relié à la borne d'entrée de l'inductance L4 de l'étage E4, tandis que sa grille est commandée par l'intermédiaire des moyens de commande SW. 30 Bien que non représentés à la figure 3, à des fins de clarté, le dispositif convertisseur comprend également les moyens de polarisation des transistors de commutation associés à chaque étage secondaire, respectivement S2a et S4a, adaptés à maintenir ces transistor passant lors de la phase de décharge du dispositif, tels que décrits en référence à la figure 2. 35 De même que les tensions de sortie Vout1 et Vout3 des étages primaires El et E3 correspondent respectivement à la tension à la borne de sortie des inductances L1 et L3, la tension de sortie Vout2 de l'étage secondaire E2 correspond à la tension de la borne de sortie de l'inductance L2 de l'étage secondaire et la tension de sortie Vout4 de l'étage secondaire E4 correspond à la tension de la borne de sortie de l'inductance L4 de l'étage secondaire. Dans le convertisseur représenté sur la figure 3, la tension de sortie Vout2 de 5 l'étage E2 est sensiblement égale à la somme des tensions Vout1 et Vout3, tandis que la tension de sortie Vout4 de l'étage E4 est sensiblement égale à la somme des tensions Uref et Vout3. La fréquence de commutation des commutateurs S1 et S3 respectivement, définie par les moyens de commande SW, est adaptée aux tensions de sortie Vout1 et 10 Vout3 que l'on souhaite obtenir en sortie des étages El et E3. Par exemple, on choisit une fréquence de commutation adaptée à obtenir une tension de sortie Vout1 de l'ordre de 3 V et une tension de sortie Vout3 de l'ordre de 5 V. La source de tension secondaire Uref est par exemple constituée par la sortie d'un régulateur linéaire Reg, prenant comme tension d'entrée la tension Uin fournie par la 15 source de tension primaire. Le régulateur linéaire est par exemple adapté à fournir une tension Uref de l'ordre de 1 V. Ainsi, selon cet exemple, on obtient en sortie des étages El, E3, E2 et E4, des tensions de sortie de l'ordre de 3 V, 5 V, 8 V et 6 V respectivement. Cette solution, bien que nécessitant une seconde source de tension Uref, permet une grande adaptation 20 des tensions de sortie des divers étages du convertisseur selon l'invention, au-delà de simples multiples d'une tension de base. L'exemple décrit à la figure 3 permet ainsi de disposer d'un choix de tensions d'alimentation différentes, particulièrement intéressant dans le cas de l'alimentation d'un autoradio dans un véhicule automobile. En outre, les convertisseurs décrits ci-dessus présentent avantageusement 25 une faible dissipation thermique, même quand les MOSFET des étages secondaires sont soumis à de forts courants, grâce à l'intégration des moyens de polarisation des MOSFET assurant une commutation correcte de ces derniers. REVENDICATIONS1. Dispositif convertisseur continu-continu à plusieurs étages à partir d'au moins une source de tension primaire (Uin), comportant au moins un étage primaire (El) et au moins un étage secondaire (E2), chaque étage comprenant une inductance (L1, L2) et des moyens de commutation (S2, S2a) constitués par un transistor à effet de champ, dont la source est connectée à une tension de référence dudit étage, dont le drain est connecté à une entrée de l'inductance dudit étage et dont la grille est commandée par des moyens de commande (SW) adaptés à commander simultanément et à la même fréquence lesdits moyens de commutation, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de polarisation (Pol) du transistor à effet de champ (S2a, S4a) de chaque étage secondaire, intercalés entre les moyens de commande et ledit transistor, pour fixer une tension de commande sur la grille du transistor adaptée à maintenir le transistor dans un état passant lorsqu'il est commandé dans ledit état. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de polarisation (Pol) comprennent une diode (Dp) reliant la grille et la source dudit transistor, en parallèle avec une capacité de découplage (Cp), reliant la grille dudit transistor aux moyens de commande. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de polarisation (Pol) comprennent en outre une résistance (Rp) connectée en parallèle de la 20 diode (Dp) entre la grille et la source dudit transistor. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un premier étage primaire (E1) dont l'inductance (L1) est directement reliée à la source de tension primaire (Uin) par des premiers moyens de hachage (Si) de la tension primaire, et en ce que la tension de référence de chaque 25 étage (E1, E2) correspond à la tension de sortie de l'étage inférieur, le premier étage primaire (E1) ayant une première tension de référence correspondant à la masse. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque étage secondaire (E2) comprend des moyens de découplage (C2a) connectés en série avec l'inductance (L2) de l'étage correspondant, de manière à découpler cet étage secondaire 30 de la tension de référence de l'étage primaire. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un premier (E1) et un second étage primaire (E3) dont les inductances respectives (L1, L3) sont directement reliées à la source de tension primaire (Uin) respectivement par des premier (Si) et second moyens de hachage (S3) de la tension 35 primaire et en ce qu'il comprend un premier (E2) et un second étage secondaire (E4), dont les tensions de références correspondent respectivement à la tension de sortie(Vout3) du second étage primaire (E3) et à une tension fournie par une source de tension secondaire (Uref), le premier et le second étage primaire ayant une tension de référence correspondant à la masse. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source de tension secondaire (Uref) est constituée par la sortie d'un régulateur linéaire (Reg) prenant en entrée la tension délivrée par la source de tension primaire (Uin). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le premier étage secondaire (E2) comprend des moyens de découplage (C2a) connectés entre l'entrée de l'inductance (L2) dudit premier étage secondaire et l'entrée de l'inductance (L1) dudit premier étage primaire (El), et en ce que le second étage secondaire (E4) comprend des moyens de découplage (C4a) connectés entre l'entrée de l'inductance (L4) dudit second étage secondaire (E4) et l'entrée de l'inductance (L3) dudit second étage primaire (E3). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 8, caractérisé en 15 ce que les moyens de découplage d'un étage secondaire comportent une capacité de découplage. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que les moyens de hachage de la tension primaire comprennent un commutateur commandé en position ouverte lorsque les moyens de commutation (S2, S4, S2a, S4a) 20 associés aux étages du dispositif sont commandés dans un état passant et inversement. 11. Appareil électronique de type autoradio, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif convertisseur continu-continu selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.