Brevet FR2964515A1 — publié le 20120309

CIRCUIT DE COMMANDE DES INTERRUPTEURS COMMANDABLES D'UN HACHEUR [001 L'invention concerne un circuit de commande des interrupteurs 5 commandables d'un hacheur d'une alimentation à découpage ainsi qu'un véhicule et une alimentation à découpage incorporant ce circuit de commande. [002 Une alimentation à découpage est une alimentation qui alterne cycliquement entre un mode d'accumulation d'énergie et un mode de libération d'énergie. Pendant le mode d'accumulation d'énergie, l'alimentation stocke de l'énergie temporairement. 10 Typiquement, cette énergie est stockée par exemple dans une inductance, un transformateur ou un condensateur. Pendant le mode de libération d'énergie, l'énergie stockée est libérée pour, par exemple, accroître la tension de sortie de l'alimentation. Le basculement d'un mode de fonctionnement à l'autre est obtenu en commandant des interrupteurs commandables. 15 [003] Pour ces alimentations à découpage, on définit un rapport cyclique a comme étant la durée du mode d'accumulation d'énergie sur la durée totale du cycle. Dans les modes de réalisation décrits ci-dessous, le rapport cyclique est le rapport de la durée pendant laquelle l'interrupteur conduit sur la durée totale d'un cycle. [004 Les alimentations à découpage connues comportent : 20 - un hacheur équipé d'au moins un interrupteur commandable pour transformer une tension continue d'entrée en une tension continue de sortie, et - le circuit de commande pour commander cet interrupteur du hacheur. [5] Le hacheur peut être un hacheur multiphase c'est-à-dire un hacheur comportant plusieurs phases aptes chacune à fournir de façon déphasée les unes par 25 rapport aux autres de la puissance à la charge à alimenter. La mise en oeuvre d'un tel hacheur multiphase permet de réduire les oscillations de la tension de sortie et donc de diminuer la taille des condensateurs de filtrage utilisés en sortie de cette alimentation. [6] Les circuits de commande de ces alimentations à découpage sont 30 généralement des circuits électroniques numériques, c'est-à-dire composés, au moins en partie de composants électroniques numériques. Par exemple, il existe souvent un ou plusieurs registres utilisés pour stocker des valeurs de réglage telles qu'une consigne de tension de régulation de la sortie. Les composants électroniques numériques sont des composants électroniques recevant en entrée ou restituant en 35 sortie des signaux non pas continus mais quantifiés. Un signal quantifié est un signal qui a subi une conversion analogique numérique. La conversion analogique numérique approxime par une valeur quantifiée choisie dans un ensemble discret de valeurs la valeur d'un signal continu. Typiquement, un composant électronique numérique est un micro-contrôleur. Il comporte généralement au moins un registre 40 pour enregistrer des données numériques. [007] Par opposition, on définit ici un circuit électronique analogique comme étant un circuit électronique uniquement réalisé à partir de composants électroniques analogiques. Les composants électroniques analogiques sont des composants recevant en entrée et restituant en sortie uniquement des signaux continus. Ces signaux continus sont typiquement un courant ou une tension. Ces signaux continus ne sont pas quantifiés contrairement à ceux traités par un composant électronique numérique. [oos] La fiabilité des composants électroniques numériques est difficile à quantifier et n'est souvent pas connue. Par conséquent, il est difficile de quantifier la fiabilité du circuit de commande et donc de réaliser un circuit de commande atteignant un seuil de fiabilité prescrit. De plus, la fiabilité des composants électroniques numériques est souvent faible de sorte que le circuit de commande peut s'avérer peu fiable. [oos] L'invention vise à remédier au moins à l'un de ces inconvénients. Elle a donc pour objet un circuit de commande des interrupteurs commandables d'un hacheur d'une alimentation à découpage, dans lequel le circuit de commande est un circuit électronique analogique uniquement réalisé à partir de composants électroniques analogiques recevant en entrée et restituant en sortie des signaux continus. [0010] La fiabilité des composants électroniques analogiques est connue et mieux maîtrisée que celle des composants électroniques numériques. Il est donc plus facile de concevoir un circuit de commande ayant un niveau de fiabilité prescrit. Ainsi, la réalisation du circuit de commande ci-dessus uniquement à l'aide de composants électroniques analogiques permet d'accroître sa fiabilité. [0011] L'invention a également pour objet une alimentation à découpage comportant le circuit de commande ci-dessus. [0012] Les modes de réalisation de cette alimentation à découpage peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le hacheur est un hacheur survolteur non isolé galvaniquement; - le hacheur est un convertisseur continu à 2X phases, où x est un entier non nul, dans lequel chaque phase fournit de l'énergie à une charge alimentée par 30 cette alimentation de façon déphasée temporellement par rapport aux autres phases; - le circuit de commande comprend : une horloge maître générant un signal d'horloge maître à une fréquence fo, un diviseur de fréquence apte à générer, à partir du signal d'horloge maître, n 35 signaux d'horloge esclave de fréquence fn déphasés les uns par rapport aux autres de 2rr/n rad, où la fréquence fn est égale à fo/n, et pour chaque phase : - un générateur de rampe cadencé par un signal d'horloge esclave respectif, - un générateur d'impulsions modulées en largeur, chaque générateur établissant la durée de chaque impulsion par comparaison de la rampe générée à un seuil prédéfini, et - un étage d'amplification apte à appliquer les impulsions modulées en largeur sur une électrode de commande de l'ouverture ou de la fermeture d'un interrupteur respectif du hacheur; - l'horloge maître et chaque générateur de rampe sont implémentés à l'aide de son propre circuit intégré analogique de minuterie; - tous les circuits intégrés analogiques de minuterie sont identiques les uns aux autres; - le circuit de commande comprend un correcteur analogique apte à établir automatiquement la valeur du seuil prédéfini en fonction d'une différence entre la tension continue de sortie du hacheur et une consigne de tension de régulation de la sortie; - le circuit de commande comporte des résistances pour fixer la valeur de la consigne de tension de régulation. [0013] Enfin, l'invention a également pour objet un véhicule équipé de l'alimentation à découpage ci-dessus. [0014] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif en se référant aux dessins sur lesquels : - la figure 1 est une illustration schématique partielle d'un véhicule équipé d'une alimentation à découpage, - la figure 2 est un schéma électronique simplifié d'un hacheur de l'alimentation à 25 découpage de la figure 1, et - la figure 3 est un schéma sous forme de blocs fonctionnels d'un circuit de commande du hacheur de la figure 2, - la figure 4 représente les chronogrammes de plusieurs signaux générés par les blocs fonctionnels du circuit de commande de la figure 3, 30 - la figure 5 est un schéma électronique simplifié d'un mode de réalisation particulier des blocs fonctionnels du circuit de commande de la figure 3, et - la figure 6 est une illustration schématique d'un schéma électronique d'un autre mode de réalisation du hacheur de la figure 2. [0015] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les 35 mêmes éléments. [0016] Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail. [0017] La figure 1 représente un véhicule 2 équipé d'un réseau électrique 4 embarqué auquel sont raccordées différentes charges 6 à alimenter. Le véhicule 2 est par exemple un véhicule automobile tel qu'une voiture. [ools] Le réseau 4 est raccordé à une source d'énergie électrique comportant une 5 batterie 8 par l'intermédiaire d'une alimentation 10 à découpage. [0019] L'alimentation 10 comprend un hacheur 12 commandable apte à convertir une tension continue d'entrée Vin délivrée par la batterie 8 en une autre tension continue de sortie Vout différente. [0020] L'alimentation 10 comprend également un circuit électronique 14 de 10 commande du hacheur 12. [0021] La figure 2 représente plus en détail le hacheur 12 dans le cas particulier où ce hacheur est un hacheur survolteur également connu sous les termes de « convertisseur boost » ou sous l'expression anglaise de « step-up converter ». De plus, ici, le hacheur 12 est un hacheur multiphase. 15 [0022] Ici, le hacheur 12 comporte quatre phases 20 à 23 raccordées en parallèle entre des bornes d'entrée 26 et 28 et des bornes de sortie 30 et 32. Les bornes 28 et 32 sont confondues puisque les masses sont communes. La tension continue Vin est appliquée entre les bornes 26 et 28. Ici, la borne 28 est raccordée à la masse du véhicule 2. La tension continue Vout est générée entre les bornes 30 et 28. 20 [0023] Les phases de 20 à 23 étant identiques entre elles, seule la phase 20 est décrite plus en détail. [0024] La phase 20 comprend une inductance 34 dont une extrémité est directement raccordée à la borne 26 et dont l'autre extrémité est raccordée à la borne 30 par l'intermédiaire d'une diode 36. La phase 20 comprend également un interrupteur 25 commandable 38 raccordé, d'un côté, entre l'inductance 34 et la diode 36 et, de l'autre côté, à la masse. Ici, l'interrupteur 38 est un transistor type MOSFET. [0025] Lorsque l'interrupteur 38 est passant, de l'énergie est stockée dans l'inductance 34. Lorsque l'interrupteur 38 est non-passant, l'énergie stockée dans l'inductance 34 est libérée vers la borne 30 ce qui permet de générer une tension 30 continue Vout plus élevée que la tension d'entrée Vin. [0026] Un condensateur 40 est directement raccordé entre les bornes 26 et 28. [0027] De façon similaire, du côté de la sortie, deux condensateurs 42, 43 sont raccordés en parallèle entre les bornes 30 et 28. [0028] La figure 3 représente sous forme de blocs fonctionnels un mode de 35 réalisation du circuit 14 apte à commander l'interrupteur 38 de chacune des phases 20 à 23 du hacheur 12. [0029] Le circuit 14 comprend une horloge maître 50 apte à générer un signal d'horloge maître à une fréquence fo. Par exemple, le signal d'horloge est un signal carré périodique qui évolue entre 0 et la tension d'alimentation du circuit. Ce signal 40 d'horloge maître permet de synchroniser entre eux les différents signaux de commande transmis à chacune des phases du hacheur 12. Ainsi, une dérive, par exemple temporelle, de ce signal d'horloge maître se répercute de la même manière sur les signaux de commande de chacune des phases 20 à 23. [0030] Ce signal d'horloge maître est transmis à un diviseur 52 de fréquence par l'intermédiaire d'une liaison filaire 54. Le diviseur 52 génère n signaux d'horloge esclave, où n est un entier égal au nombre de phases du hacheur 12. Plus précisément, ici, n est égal à 2x, où x est un entier positif non nul. [0031] Chacun des signaux d'horloge esclave est décalé temporellement ou déphasé de 2rr/n rad par rapport aux autres. De plus, ces signaux d'horloge esclave 10 ont tous la même fréquence fn, où la fréquence fn est égale à fo/n. [0032] Les quatre signaux d'horloge esclave sont chacun transmis vers un générateur de rampe respectif 56 à 59. A cet effet, le diviseur 52 est raccordé aux générateurs 56 à 59 par l'intermédiaire, respectivement, de liaisons filaires 62 à 65. [0033] Chaque générateur 56 à 59 génère un signal en dents de scie cadencé par 15 les fronts montants du signal d'horloge esclave auquel il est raccordé. Par conséquent, ces signaux en dents de scie sont déphasés les uns par rapport aux autres de 2rr/n rad. Le signal en dents de scie est décrit plus en détail en référence à la figure 4. [0034] Le circuit 14 comprend également un correcteur 70 apte à fournir un signal de 20 correction représentatif de l'écart entre la tension Vont réellement obtenue et une consigne Vo de régulation prédéterminée pour cette tension Vont. A cet effet, le correcteur 70 mesure la tension Vont et la compare à la tension Vo pour obtenir ce signal de correction. Ce correcteur 70 comporte typiquement un circuit PI (Proportionnel - Intégral). La consigne Vo se présente sous la forme d'un signal 25 continu. Par exemple, la consigne Vo est une tension dont la valeur est fixée par une ou plusieurs résistances et, typiquement, par deux résistances. [0035] Le correcteur 70 est par exemple réalisé à base d'amplificateurs opérationnels. [0036] Le signal de correction est transmis par l'intermédiaire d'une liaison 72 à 30 quatre générateurs 74 à 77 d'impulsions modulées en largeur. [0037] Les générateurs 74 à 77 reçoivent également les signaux en dents de scie générés, respectivement, par les générateurs 56 à 59 par l'intermédiaire, respectivement, de liaisons filaires 80 à 83. [0038] Chaque générateur 74 à 77 génère des impulsions dont la largeur est 35 modulée en fonction du signal de correction reçu par l'intermédiaire de la liaison 72. De plus, les impulsions modulées en largeur par l'un des générateurs 74 à 77 sont déphasées de 2rr/n par rapport aux impulsions modulées en largeur générées par les autres générateurs 74 à 77. [0039] Les impulsions modulées en largeur générées par chacun des générateurs 40 74 à 77 sont transmises chacune à un étage respectif d'amplification 88 à 91. L'étage d'amplification amplifie les impulsions modulées en largeur de manière à fournir le courant nécessaire à la commande d'un interrupteur 38 respectif. [0040] Typiquement, chaque étage 88 à 91 est réalisé par un montage push-pull composé de transistors dont un transistor PNP et un transistor NPN. [0041] Ensuite, les impulsions modulées en largeur et amplifiées sont transmises à un interrupteur 38 respectif par l'intermédiaire de liaisons 98 à 101. [0042] Les impulsions modulées en largeur produites par les générateurs 74 à 77 sont transmises aux étages 88 à 91 par l'intermédiaire de liaisons filaires, respectivement, 92 à 95. [0043] Le circuit 14 comporte des blocs communs à toutes les phases et des blocs dédiés à une phase spécifique. Sur la figure 3, tous les blocs du circuit 14 dédiés à une phase spécifique du hacheur 12 sont encadrés par une ligne en pointillés, respective 110 à 113. [0044] Chacun de ces blocs fonctionnels est réalisé à l'aide de composants électroniques analogiques contenus à l'intérieur d'un ou plusieurs boîtiers. Les boîtiers utilisés pour réaliser un bloc fonctionnel sont différents des boîtiers utilisés pour réaliser un autre bloc fonctionnel. Différents blocs fonctionnels ne sont donc intégrés dans un même boîtier. On évite ainsi l'usage de circuits intégrés dont la fiabilité est difficile à estimer. [0045] La figure 4 représente l'évolution au cours du temps des différents signaux produits par les blocs fonctionnels du circuit 14. Pour simplifier, sur ces chronogrammes, les signaux portent les mêmes numérotations que la liaison filaire sur laquelle ils sont véhiculés. [0046] La rampe générée par chacun des générateurs 56 à 59 débute en même temps que le front montant du signal d'horloge esclave reçu puis augmente continûment et linéairement avant d'être réinitialisée à sa valeur d'origine au moment où est reçu le prochain front montant du signal d'horloge esclave. [0047] Grâce à la comparaison du signal de correction 72 aux différentes rampes 80 à 83, le rapport cyclique de chacune des phases du hacheur 12 est automatiquement 30 adapté pour asservir la tension Vout sur la consigne Vc. [0048] La figure 5 représente un mode particulier de réalisation des blocs du circuit 14. [0049] Par exemple, l'horloge 50 est réalisé à partir d'un circuit intégré de minuterie « LM555 » 128 de la société National Semiconductor ® monté de façon astable. 35 [0050] Le diviseur 52 est par exemple réalisé sous la forme d'un compteur binaire réalisé à l'aide de bascules « JK » 130, 132 combinées avec un décodage à portes logiques « ET » 134 à 137 en sortie. Le nombre x qui fixe le nombre de phases est égal au nombre de bascule JK du bloc 52. [0051] Ici, chacun des générateurs 56 à 59 est aussi réalisé à l'aide d'un circuit 40 intégré de minuterie « LM555 » 140 à 143 de la société National Semiconductor® monté en monostable avec l'entrée « Reset » de chacun de ces composants « LM555 » raccordée à une liaison 62 à 65 respective.. [0052] Sur le schéma de la figure 5, les comparateurs 74 à 77 sont représentés sous la forme d'un amplificateur. Le correcteur 70 et les étages d'amplification 88 à 91 5 n'ont pas été représentés. [0053] La figure 6 représente un hacheur survolteur 200 susceptible d'être utilisé à la place du hacheur 12. Ce hacheur est identique au hacheur 12 à l'exception du fait que les diodes 36 sont remplacées par des interrupteurs commandables 202, ici des transistors de type MOSFET. 10 [0054] Pour commander ce hacheur 200, le circuit 14 est adapté pour fournir en tant que signaux de commande des interrupteurs 202, le complément, c'est-à-dire l'inverse, des impulsions modulées en largeur produites par les générateurs 74 à 77. Les signaux de commande des interrupteurs 202 sont cependant légèrement retardés par rapport aux signaux de commande des interrupteurs 38 de manière à ne pas 15 court-circuiter à la masse la sortie du hacheur 200. [0055] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, le hacheur survolteur peut être remplacé par un hacheur dévolteur, c'est-à-dire un hacheur propre à convertir la tension Vin en une tension Vont moins élevée. Un exemple de hacheur dévolteur est un convertisseur connu sous le terme de « buck » 20 ou sous l'expression anglaise de « step-down converter ». [0056] Le diviseur 52 peut être réalisé à l'aide d'un registre à décalage circulaire fabriqué à partir, par exemple, de bascules D. REVENDICATIONS1. Circuit (14) de commande des interrupteurs commandables d'un hacheur d'une alimentation à découpage, caractérisé en ce que le circuit de commande est un circuit électronique analogique uniquement réalisé à partir de composants électroniques analogiques recevant en entrée et restituant en sortie des signaux continus. 2. Alimentation à découpage, comportant : - un hacheur (12) équipé d'au moins un interrupteur commandable (38; 202) pour transformer une tension continue d'entrée en une tension continue de sortie, et - le circuit (14) de commande pour commander cet interrupteur du hacheur, et caractérisée en ce que le circuit de commande est conforme à la revendication 1. 5. Alimentation selon la revendication 2, dans laquelle le hacheur (12) est un 15 hacheur survolteur non isolé galvaniquement. 6. Alimentation selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle le hacheur (12) est un convertisseur continu à 2X phases, où x est un entier positif non nul, dans lequel chaque phase fournit de l'énergie à une charge alimentée par cette alimentation de 20 façon déphasée temporellement par rapport aux autres phases. 7. Alimentation selon la revendication 4, dans laquelle le circuit (14) de commande comprend : - une horloge maître (50) générant un signal d'horloge maître à une fréquence fo, 25 - un diviseur (52) de fréquence apte à générer, à partir du signal d'horloge maître, n signaux d'horloge esclave de fréquence fn déphasés les uns par rapport aux autres de 2rr/n rad, où la fréquence fn est égale à fo/n, et pour chaque phase : - un générateur (56-59) de rampe cadencé par un signal d'horloge esclave respectif, 30 - un générateur (74-77) d'impulsions modulées en largeur, chaque générateur établissant la durée de chaque impulsion par comparaison de la rampe générée à un seuil prédéfini, et - un étage (88-91) d'amplification apte à appliquer les impulsions modulées en largeur sur une électrode de commande de l'ouverture ou de la fermeture d'un 35 interrupteur respectif du hacheur.6. Alimentation selon la revendication 5, dans laquelle l'horloge maître (50) et chaque générateur (56-59) de rampe sont implémentés à l'aide de son propre circuit intégré analogique de minuterie (128, 140-143). 7. Alimentation selon la revendication 6, dans laquelle tous les circuits intégrés analogiques de minuterie (128, 140-143) sont identiques les uns aux autres. 8. Alimentation selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans laquelle le circuit de commande comprend un correcteur analogique (70) apte à établir automatiquement la valeur du seuil prédéfini en fonction d'une différence entre la tension continue de sortie du hacheur et une consigne de tension de régulation de la sortie. 9. Alimentation selon la revendication 8, dans laquelle le circuit (14) de commande 15 comporte des résistances pour fixer la valeur de la consigne de tension de régulation. 10. Véhicule (2), caractérisé en ce qu'il comporte une alimentation (10) à découpage conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 9.