Brevet FR2937806A1 — publié le 20100430

Circuit de correction de facteur de puissance La présente invention concerne un circuit de correction de facteur de puissance, et plus particulièrement un tel circuit comprenant un convertisseur de type Boost comportant un interrupteur commandé par un circuit de commande, un premier condensateur de sortie et une première inductance série d'entrée, une diode étant connectée en série avec ladite première inductance entre l'interrupteur commandé et le condensateur de sortie. On connaît l'utilisation de convertisseurs de type Boost dans les alimentations à découpage, et plus particulièrement dans les circuits de correction de fac- teur de puissance (PFC ou Power factor correction). Le but d'un tel circuit est d'assurer que la tension et l'intensité d'entrée de l'alimentation sont en phase ou, en d'autres termes, que la tension et l'intensité sont proportionnelles à chaque instant. Les figures 1 et 2 illustrent un tel circuit. On voit sur la figure 1 un pont redresseur 1 dont la tension de sortie u est appliqué en entrée du convertisseur Boost composé de façon connue d'une induc- tance série L1 et d'un interrupteur commandé. Une diode D est connectée en série avec l'inductance série L1.et un condensateur de sortie C1 est relié à la diode D. La sortie du circuit est prise à la borne commune à la diode D et au condensateur C1. L'interrupteur 2 est commandé à l'aide d'un circuit de commande 3 qui re- çoit en entrée la tension u de sortie du pont redresseur, la tension V de sortie du circuit PFC, la tension de consigne Vref de sortie de ce même circuit, et le courant i dans le circuit PFC. Ce circuit 3 est décrit plus en détail en référence à la figure 2. Le circuit 3 soustrait V de Vref de manière à obtenir l'erreur sur la tension de sortie. Cette erreur en tension est appliquée à un régulateur PID (Proportionnel Intégral Dérivé) 4 dont la sortie est multipliée par u de manière à former la consi- gne d'intensité iref qui est donc constamment proportionnelle à u, de sorte que iref est en phase avec u. Cette intensité iref est soustraite de i pour obtenir l'erreur en intensité qui est elle-même appliquée à un régulateur PID 5 dont la sortie com- mande l'interrupteur 2 par l'intermédiaire de circuits non représentés appropriés à ce type d'interrupteur. Les circuits PFC connus de ce type utilisent généralement des transistors MOS comme interrupteurs commandés. Si un tel agencement donne satisfaction dans des convertisseurs de faible puissance, il n'est pas possible de le généraliser au domaine de fortes puissances. Il est par ailleurs bien connu d'utiliser des thyristors comme interrupteurs commandés de puissance. La difficulté avec ces composants réside dans le fait qu'ils ne peuvent s'ouvrir que lorsque le courant qui les traverse s'annule. Or, cette ouverture n'est pas instantanée mais nécessite un certain temps de recouvrement. La présente invention vise à fournir un circuit PFC de puissance palliant les inconvénients mentionnés ci-dessus liés à l'ouverture des thyristors. A cet effet, l'invention a tout d'abord pour objet un circuit de correction de facteur de puissance, comprenant un convertisseur de type Boost comportant un interrupteur commandé par un circuit de commande, un premier condensateur de sortie et une première inductance série d'entrée, une diode étant connectée en série avec ladite première inductance entre l'interrupteur commandé et le condensateur de sortie, circuit de correction de facteur de puissance dans lequel ledit interrupteur commandé est formé d'un thyristor et d'une diode antiparallèle, des moyens étant prévus pour garantir l'annulation du courant dans le thyristor pendant un temps suffisant à l'ouverture de ce dernier. Dans un mode de réalisation particulier, lesdits moyens d'annulation du courant comprennent un circuit résonnant comportant une deuxième inductance série connectée entre ladite première inductance série et la diode série, et un deuxième condensateur connecté à la borne commune à ladite deuxième inductance série et à la diode série. Ce circuit, malgré sa simplicité, présente toutefois un inconvénient. En effet, si l'on calcule les valeurs de la deuxième inductance et de la capacité du deuxième condensateur qui permettent d'obtenir le résultat recherché, on constate que, lorsque le courant d'entrée du circuit est faible, le courant du circuit résonnant est surdimensionné et donc le rendement est mauvais. De plus, s'agissant d'un circuit PFC, la tension d'entrée est simultanément faible (elle est en phase avec l'intensité), de sorte que la fréquence de fonctionnement est élevée ce qui contribue à accroître les pertes. Il est possible de résoudre cette difficulté, dans une première variante, en utilisant comme deuxième inductance une inductance variable dépendant du cou- rant d'entrée et de valeur élevée lorsque ce courant est faible. Plus particulièrement, ladite inductance variable peut être réalisée à l'aide de deux transformateurs dont les enroulements primaires sont en série et les en-roulements secondaires sont en opposition. Dans une deuxième variante, le problème du dimensionnement du circuit résonnant est résolu en utilisant une pluralité de circuits élémentaires tels que décrits ci-dessus disposés en parallèle, les circuits élémentaires étant agencés pour pouvoir délivrer des courants de valeur croissante, les circuits de commande des thyristors des circuits élémentaires étant agencés pour rendre successivement conducteurs les différents circuits élémentaires dans l'ordre croissant des courants qu'ils sont susceptibles de délivrer. Dans un mode de réalisation particulier, les circuits de commande des thyristors des circuits élémentaires sont agencés pour maintenir à l'état conducteur les circuits élémentaires déjà conducteurs lorsqu'un nouveau circuit élémentaire est rendu conducteur. Lorsque le courant d'entrée augmente, il est ainsi réparti entre les différents circuits élémentaires, chacun de ces circuits pouvant être dimensionné de façon optimale. L'invention a également pour objet un équipement électrique de puissance comportant au moins un circuit de correction de facteur de puissance tel que décrit ci-dessus. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, des modes de réalisation particuliers de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels : - la figure 1 déjà décrite est un schéma électrique d'un circuit PFC de type connu ; - la figure 2, également déjà décrite, est un schéma par blocs du circuit de commande de l'interrupteur de la figure 1 ; la figure 3 est un schéma électrique de principe d'un circuit PFC selon l'invention ; - la figure 4 est un schéma par blocs du circuit de commande de l'inter-rupteur de la figure 3 ; - la figure 5 illustre le fonctionnement du circuit PFC de la figure 3 ; - la figure 6 est un schéma électrique d'un circuit PFC selon une première variante de l'invention ; - la figure 7 est un schéma électrique d'un circuit PFC selon une deuxième variante de l'invention ; - la figure 8 est un schéma par blocs du circuit de commande des inter-rupteurs de la figure 7 ; et - la figure 9 illustre le fonctionnement du circuit PFC de la figure 7. Si l'on se réfère à la figure 3, on voit que le circuit PFC de l'invention comprend en premier lieu les mêmes composants que ceux de la figure 1, dans les- 15 quels l'interrupteur commandé 2 est formé d'un thyristor 10 et d'une diode antiparallèle 11. La figure 4 représente le circuit de commande 12 du thyristor 10, similaire au circuit de commande 3 de la figure 2 et comprenant, en sortie du régulateur 5, un oscillateur contrôlé en tension 13 (VCO ou Voltage controlled oscillator) qui fournit les impulsions de commande du thyristor 10. 20 On voit également sur la figure 3 que le circuit PFC de l'invention comprend en outre un circuit résonnant Lr, Cr disposé entre l'interrupteur 2 et la diode D de sorte que l'inductance Lr soit en série avec l'inductance L1 et que le condensateur Cr soit relié à la diode D du côté opposé au condensateur C1. Ce circuit oscillant est utilisé pour garantir au thyristor un temps suffisant pour son ouverture pour un 25 courant maximum ILlma dans l'inductance L1. En effet, la figure 5 montre les formes d'onde de l'intensité 'thyristor dans le thyristor, de l'intensité 'diode dans la diode D, et des intensités ILI et ILr dans les inductances L1 et Lr respectivement. La figure illustre le fait que le courant ILr dans l'inductance Lr est égal à la différence entre le courant ILI (pratiquement 30 constant à l'échelle du phénomène) dans l'inductance L1 et le courant dans le thyristor (ou dans la diode D, selon le sens). Le temps 'r de conduction de la diode D 10 doit donc être supérieur au temps de recouvrement (de désamorçage) tq du thyristor, ce qui permet à l'homme de métier de dimensionner Lr et Cr en prenant tq=tgmax, valeur que prend le temps de recouvrement pour le courant ILI maximum. On constate alors que, comme mentionné précédemment, lorsque le cou- rant d'entrée ILI est faible, le courant du circuit résonnant est surdimensionné et donc que le rendement est mauvais. Une solution à cette difficulté est représentée à la figure 6. On a remplacé ici l'inductance Lr par une inductance saturable réalisée de façon connue à l'aide de deux transformateurs 15 et 16 dont les enroulements primaires 15p et 16p respectivement sont en série, et dont les enroulements secondaires 15s et 16s respectivement sont en opposition. Là encore, l'homme de métier sait calculer les paramètres des transformateurs 15 et 16. Une autre solution pour limiter les pertes à faible tension d'entrée est illustrée aux figures 7 à 9. On utilise ici, en sortie du pont redresseur 1, trois circuits PFC individuels 21, 22, 23 à thyristor tels que décrits ci-dessus, munis chacun d'un circuit réson- nant Lrl, Crl, Lr2, Cr2, et Lr3, Cr3 respectivement, d'annulation du courant. Ces trois circuits sont connectés en parallèle entre d'une part la sortie du pont 1 et d'autre part le condensateur de sortie commun C1 pour former le circuit PFC d'ensemble. On limite les courants dans chacun des trois circuits PFC à ilmax, i2max, i3max de sorte que ces circuits fonctionnent dans des conditions optimales. On peut choisir par exemple Lr3=Lr2/2 I r2=L1/2 Cr3=2 Cr2 Cr2=2 Cri avec, comme courant maximum dans chacun des trois circuits PFC i3max 2 i2max i2max=2 il max Le courant en sortie du circuit d'ensemble est représenté à la figure 9. Dans les zones 30, seul le circuit 21 est actif, les circuits 22 et 23 étant inactifs ; dans les zones 31, les circuits 21 et 22 sont actifs, le circuit 23 étant inactif ; et dans la zone 32, tous les circuits 21 à 23 sont actifs. On voit donc que i=il pour i e' +i2 pour +12 +13 pour 1 REVENDICATIONS1. Circuit de correction de facteur de puissance, comprenant un convertisseur de type Boost comportant un interrupteur commandé par un circuit de commande (12), un premier condensateur de sortie (C1) et une première induc- tance série d'entrée (L1), une diode (D) étant connectée en série avec ladite première inductance entre l'interrupteur commandé et le condensateur de sortie, caractérisé par le fait que ledit interrupteur commandé est formé d'un thyristor (10) et d'une diode antiparallèle (11), des moyens (Lr, Cr) étant prévus pour garantir l'annulation du courant dans le thyristor pendant un temps suffisant à l'ouverture de ce dernier. 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens d'annulation du courant comprennent un circuit résonnant comportant une deuxième inductance série (Lr) connectée entre ladite première inductance série et la diode série, et un deuxième condensateur (Cr) connecté à la borne commune à ladite deuxième inductance série et à la diode série. 3. Circuit selon la revendication 2, dans lequel ladite deuxième inductance série est une inductance variable. 4. Circuit selon la revendication 3, dans lequel ladite inductance variable est réalisée à l'aide de deux transformateurs (15, 16) dont les enroulements pri- maires (15p, 16p) sont en série et les enroulements secondaires (15s, 16s) sont en opposition. 5. Circuit de correction de facteur de puissance caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de circuits élémentaires (21, 22, 23) selon la revendication 1 disposés en parallèle, les circuits élémentaires étant agencés pour pou- voir délivrer des courants de valeur croissante, les circuits de commande des thyristors des circuits élémentaires étant agencés pour rendre successivement conducteurs les différents circuits élémentaires dans l'ordre croissant des courants qu'ils sont susceptibles de délivrer. 6. Circuit de correction de facteur de puissance selon la revendication 5, dans lequel les circuits de commande des thyristors des circuits élémentaires sont agencés pour maintenir à l'état conducteur les circuits élémentaires déjà conducteurs lorsqu'un nouveau circuit élémentaire est rendu conducteur. 7. Equipement électrique de puissance, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un circuit de correction de facteur de puissance selon l'une quel-conque des revendications précédentes.