Brevet FR2986678A1 — publié le 20130809

- 1 - CONVERTISSEUR DE TENSION POUR CHARGEUR DE BATTERIE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention à trait à un convertisseur de tension continue en tension continue à découpage. Ledit convertisseur de tension suivant est particulièrement destiné pour la charge de batteries alimentant un véhicule automobile ; toutefois, ledit convertisseur pourra être utilisé dans un grand nombre d'applications nécessitant la charge de batteries. ART ANTERIEUR Dans le domaine de la charge de batteries, et plus particulièrement la charge de batteries alimentant des véhicules automobiles ou similaires, il est bien connu d'utiliser des convertisseurs de tension à découpage qui présentent un meilleur rendement que les convertisseurs linéaires notamment. En effet, pour réguler la tension de sortie d'une alimentation linéaire, il est nécessaire de dissiper toute l'énergie correspondant, pour le courant à fournir, à la différence qui existe entre la tension régulée et la source primaire de tension continue généralement obtenue par redressement et filtrage du courant alternatif fourni par un réseau public de distribution d'électricité, communément appelé le secteur. Les convertisseurs continu-continu à découpage hache la source primaire de tension continue pour fournir une tension régulée. Ce hachage ne dissipe que l'énergie correspondant aux imperfections inhérentes à la résistance de conduction notamment du hacheur. Par ailleurs la fréquence de hachage est usuellement plus élevée que la fréquence du secteur permettant une réduction significative de la taille des composants électromagnétiques utilisés, essentiellement une bobine et/ou un transformateur, ce dernier servant aussi à assurer l'isolation galvanique entre le secteur et les circuits alimentés. Par conséquent, les convertisseurs à découpage présentent d'une part un meilleur rendement et d'autre part un encombrement et un poids plus faibles que les alimentations linéaires. - 2 - De tels convertisseurs sont notamment décrits dans la demande de brevet américain US 6,839,252. Toutefois, le convertisseur décrit dans cette demande de brevet américain présente l'inconvénient de ne procurer qu'une faible compatibilité électromagnétique dite EMC selon l'acronyme anglo-saxon « ElectroMagnetic Compatibility ». Afin de remédier à cet inconvénient, on a déjà imaginé des convertisseurs présentant une meilleure compatibilité électromagnétique (EMC). C'est le cas notamment de la demande de brevet international WO 2044/138736. Cette demande de brevet décrit une unité de commande et un procédé pour un convertisseur en courant continu, le convertisseur en courant continu comprenant une entrée, une sortie, une connexion à la terre, et au moins un demi-pont. Le demi-pont comprend deux éléments de commutation connectés en série et une inductance connectée au point connectant les deux éléments de commutation. L'unité de commande est équipée pour mesurer le courant par l'intermédiaire de l'inductance, et commande l'élément de commutation positionné sur le côté terre/côté entrée toujours avec du courant négatif/positif par l'intermédiaire de l'inductance à l'état à l'arrêt. Ce type de convertisseur présente néanmoins l'inconvénient de procurer une tension élevée dans le circuit de protection dit circuit « snubber ». De plus, il est difficile de maintenir le rapport entre le courant absorbé et la tension d'entrée pour des faibles niveaux de ladite tension d'entrée, ce qui pose problème pour obtenir un courant sinusoïdal absorbé par le convertisseur, le courant nécessaire près des passages par zéro de la tension secteur ne pouvant pas suivre la sinusoïde. D'une manière générale, en référence à la figure 1, les convertisseurs de tension continue en tension continue à découpage pour chargeur de batterie comprennent un étage de puissance (1), des moyens de mesure de la tension (2) dans l'étage de puissance (1), des moyens de mesure de l'intensité du courant (3) dans l'étage de puissance (1), des moyens de commande (4) de l'étage de puissance (1), un microcontrôleur (5) et une isolation galvanique (6) positionnée entre le microcontrôleur (5) et l'étage de puissance (1). L'étage de puissance (1) comporte un circuit redresseur (7) et deux convertisseurs de type « flyback » (8) montés en parallèle, la partie secondaire des convertisseurs « flyback » (8) étant connectée à un pont de diodes (9) monté en série avec un filtre passe-bas (10). De manière usuelle, le convertisseur comporte également un circuit snubber (11) connecté à l'étage de puissance (1), ledit circuit snubber (11) consistant en un circuit redresseur à diodes ou en un circuit convertisseur permettant de transférer la - 3 - puissance au secondaire au lieu de la dissiper. Accessoirement, le convertisseur comporte également un filtre de compatibilité électromagnétique dit EMC (12) monté à l'entrée de l'étage de puissance (1) et/ou au moins un filtre de compatibilité électromagnétique dit EMC (13) monté à la sortie de l'étage de puissance (1). En référence aux figures 2 et 3, lorsque la première commande est active, le transistor (14) bipolaire à grille isolée dit igbt devient conducteur. Le transformateur flyback (8a) présente alors sur le côté secondaire une tension qui est égale à la tension d'entrée Vin multipliée par le rapport entre le nombre de spires de la bobine secondaire et le nombre de spires de la bobine primaire soit V = V,n x et ledit transformateur flyback (8a) Np emmagasine de l'énergie dans son inductance propre. Lorsque la seconde commande devient active, le transistor (15) bipolaire à grille isolée dit igbt devient conducteur et l'énergie emmagasinée dans le transformateur « flyback » (8a) est restituée côté secondaire. A cet instant, le transformateur « flyback » (8b) présente une tension secondaire similaire à la tension secondaire du transformateur « flyback » (8a) dans la première partie du cycle. La puissance transférée est donnée par la somme des tensions des deux bobines secondaires, le courant étant imposé par le transformateur « flyback » (8b) puis par le transformateur « flyback » (8a) dans la deuxième partie du cycle. On notera que le courant secondaire est imposé par le transformateur qui restitue son énergie. De plus, pendant la conduction du transistor (14,15) igbt, le courant absorbé côté primaire est donné par la somme du courant de charge de l'inductance du transformateur (8a,8b) et du courant de transfert sur le secondaire. En fonction des tensions d'entrée et de sortie, l'énergie emmagasinée peut être transférée au secondaire, dans un temps plus court ou plus long que le temps de commande du transistor (14,15) igbt. Pour un temps de transfert plus court, le courant primaire présente une forme de V. Par contre, si le temps de transfert est plus long, le courant primaire est amplifié en raison de la conduction qui devient continue. De la même manière que précédemment, ce type de convertisseur présente l'inconvénient de procurer une tension élevée dans le circuit de protection dit circuit « snubber ». De plus, il est difficile de maintenir le rapport entre le courant absorbé et la tension d'entrée pour des faibles niveaux de ladite tension d'entrée. - 4 - EXPOSE DE L'INVENTION L'un des buts de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en proposant un convertisseur de tension continue en tension continue de conception simple, peu onéreuse et procurant une récupération de l'énergie pendant les phases de conduction. A cet effet, et conformément à l'invention, il est proposé un convertisseur de tension continue en tension continue à découpage pour chargeur de batterie comprenant au moins un étage de puissance, des moyens de mesure de la tension dans l'étage de puissance, des moyens de mesure de l'intensité du courant dans l'étage de puissance, des moyens de commande de l'étage de puissance, un microcontrôleur et une isolation galvanique positionnée entre le microcontrôleur et l'étage de puissance ; ledit convertisseur est remarquable en ce qu'il comporte des moyens aptes à procurer un temps de conduction de l'étage de puissance inférieur à 50%. On comprend bien que, contrairement aux dispositifs de l'art antérieur, le convertisseur suivant l'invention permet de récupérer de l'énergie pendant les phases de conduction et de maintenir un bon rapport entre le courant absorbé et la tension d'entrée pour des faibles niveaux de tension d'entrée. De plus, pour un convertisseur comprenant un circuit dit snubber, lesdits moyens permettent de diminuer la tension dans le circuit snubber et ainsi améliorer sa fiabilité. De préférence, le convertisseur suivant l'invention comporte au moins deux convertisseurs de type « flyback » montés en parallèle et la partie secondaire des convertisseurs « flyback » est connectée à un pont de diodes. Lesdits moyens consistent avantageusement en deux diodes montées en parallèle dudit pont de diodes et connectées à la partie secondaire des convertisseurs « flyback ». Par ailleurs, les moyens de commande consistent en des transistors bipolaires à grille isolée dits igbt. De manière avantageuse, le convertisseur suivant l'invention comporte au moins un circuit snubber connecté à l'étage de puissance. Alternativement, ledit circuit snubber consiste en un convertisseur permettant de transférer la puissance au secondaire au lieu de la dissiper. Accessoirement, le convertisseur suivant l'invention comporte au moins un filtre de compatibilité électromagnétique dit EMC monté à l'entrée de l'étage de puissance et/ou - 5 - au moins un filtre de compatibilité électromagnétique dit EMC monté à la sortie de l'étage de puissance. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre, d'une unique variante d'exécution, donnée à titre d'exemple non limitatif, convertisseur de tension de tension continue en tension continue à découpage pour chargeur de batterie ou analogue suivant l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un convertisseur de tension continu en tension continue de l'art antérieur, - la figure 2 est une représentation schématique de l'étage de puissance d'un convertisseur de l'art antérieur représenté sur la figure 1, - la figure 3 est une représentation graphique de la variation de l'intensité du courant de commande du premier transistor igbt, du second transistor igbt, de la bobine primaire du premier et du second transformateur et des bobines secondaires pour un temps de transfert inférieur, égal et supérieur au temps de conduction d'un convertisseur de l'art antérieur, - la figure 4 est une représentation schématique de l'étage de puissance du convertisseur suivant l'invention, - la figure 5 est une représentation graphique de la variation de l'intensité du courant de commande du premier transistor igbt, du second transistor igbt, de la bobine primaire du premier et du second transformateur et des bobines secondaires, des transistors pour un temps de transfert inférieur, égal et supérieur au temps de conduction d'un convertisseur suivant l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Par souci de clarté, dans la suite de la description, les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. De plus, les diverses vues ne sont pas nécessairement tracées à l'échelle et les dimensions des éléments peuvent avoir été exagérées pour faciliter la compréhension de l'invention. - 6 - En référence à la figure 1, le convertisseur de tension continue en tension continue à découpage suivant l'invention comprend de manière usuelle au moins un étage de puissance (1), des moyens de mesure de la tension (2) dans l'étage de puissance (1), des moyens de mesure de l'intensité du courant (3) dans l'étage de puissance (1), des moyens de commande (4) de l'étage de puissance (1), un microcontrôleur (5) et une isolation galvanique (6) positionnée entre le microcontrôleur (5) et l'étage de puissance (1). L'étage de puissance (1) comporte un circuit redresseur (7) et au moins deux convertisseurs de type « flyback » (8) montés en parallèle, la partie secondaire des convertisseurs « flyback» (8) étant connectée à un pont de diodes (9) monté en série avec un filtre passe-bas (10). De manière usuelle, le convertisseur comporte également un circuit snubber (11) connecté à l'étage de puissance (1), ledit circuit snubber (11) consistant en un circuit redresseur à diodes ou en un convertisseur permettant de transférer la puissance au secondaire au lieu de la dissiper. Accessoirement, le convertisseur comporte également un filtre de compatibilité électromagnétique dit EMC (12) monté à l'entrée de l'étage de puissance (1) et/ou au moins un filtre de compatibilité électromagnétique dit EMC (13) monté à la sortie de l'étage de puissance (1). En référence à la figure 2, l'étage de puissance (1) est constitué de deux convertisseurs (8a,8b) et les moyens de commande 4 sont constitués de deux transistors bipolaires à grille isolée dits igbt (14,15). Par ailleurs, l'étage de puissance (1) comporte des moyens aptes à procurer un temps de conduction de l'étage de puissance (1) inférieur à 50%. Ces moyens consistent en deux diodes (16,17) montées en parallèle dudit pont de diodes (9) et connectées à la partie secondaire des convertisseurs « flyback» (8a,8b). L'utilisation des diodes (16,17) permet un fonctionnement du convertisseur avec un temps de conduction inférieur à 50%. En effet, le cycle de travail du convertisseur suivant l'invention est enrichi d'un nouvel état au moment de la coupure de deux transistors igbt (14,15). Dans cet état, le courant secondaire est donné par l'énergie emmagasinée dans un des transformateurs (8a), l'autre transformateur (8b) étant inactif. Il va de soi que, en fonction de le tension à convertir notamment, les transistors igbt (14,15) pourront être substitués par tout autre moyen de commande bien connu de l'homme du métier sans pour autant sortir du cadre de l'invention. En référence à la figure 5, les formes d'ondes principales ainsi que le courant qui s'établit dans les diodes (16,17) dans le cas ou le temps de transfert secondaire est supérieur au temps de conduction du transistor igbt (14,15) associé son représentées. - 7 - Le temps de conduction est donné par la commande, alors que le temps de transfert dépend de l'énergie emmagasine dans l'inductance du transformateur et de la tension aux bornes du bobinage qui restitue cette énergie. Le courant d'entrée est constitué de deux courants qui s'additionnent, d'une part le courant de charge de l'inductance primaire (montant) et d'autre part l'image du courant secondaire restitué par le deuxième transformateur (décroissant). Dans le cas de figure où ces temps sont identiques, la somme des ces deux courants donne un niveau constant en entrée. Par contre, si le temps de transfert est inférieur au temps de conduction, l'image de ce courant s'arrête avant la fin du cycle et nous avons un courant d'entrée qui présente la forme d'un « V ». Par ailleurs, si le temps de transfert est supérieur au temps de conduction, l'énergie dans l'inductance n'est pas transférée à la fin du cycle, le cycle suivant commence avec un courant non nul, ce qui produit une amplification du transfert. Le fonctionnement avec temps de conduction inférieur à 50% reste similaire au précédent, si le temps de transfert est inférieur ou égal au temps de conduction. Dans ce cas l'énergie est complètement transférée au secondaire à la fin du temps de conduction. Finalement, si le temps de transfert est supérieur au temps de conduction à la fin de celui ci, l'énergie emmagasiné dans l'inductance du transformateur sera transféré au secondaire grâce aux diodes (17, 18). On observera qu'un programme enregistré dans le microcontrôleur (5) permet de faire fonctionner le convertisseur suivant l'invention avec un temps de transfert inférieur ou égal ou supérieur au temps de conduction, i.e. un temps de conduction inférieur à 50% ou égal à 50%, ou supérieur à 50%. Pour un temps de conduction supérieur ou égal à 50%, le convertisseur suivant l'invention fonctionne de la même manière que précédemment décrit en référence à la figure 3. Ledit programme dans le microcontrôleur (5) détermine le mode de fonctionnement optimal, à savoir un temps de conduction inférieur à 50% ou égal à 50%, ou supérieur à 50%. La diminution du temps de conduction entraîne l'augmentation du nombre des spires secondaires et par conséquent la diminution du rapport Np/Ns. La tension d' écrêtage du circuit snubber devant être supérieur Vout* Np/Ns, la diminution du rapport Np/Ns permet de diminuer la tension du circuit snubber et d'améliorer sa fiabilité. - 8 - Enfin, il est bien évident que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention. REVENDICATIONS1. Convertisseur de tension continue en tension continue à découpage pour chargeur de batterie ou analogue comprenant au moins un étage de puissance (1), des moyens de mesure de la tension (2) dans l'étage de puissance (1), des moyens de mesure de l'intensité du courant (3) dans l'étage de puissance (1), des moyens de commande (4) de l'étage de puissance, un microcontrôleur (5) et une isolation galvanique (6) positionnée entre le microcontrôleur (5) et l'étage de puissance (1), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens aptes à procurer un temps de conduction de l'étage de puissance (1) inférieur à 50%. 2. Convertisseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étage de puissance (1) comporte au moins deux convertisseurs de type « flyback » (8a,8b) montés en parallèle. 3. Convertisseur selon la revendication 2 caractérisé en ce que la partie secondaire des convertisseurs « flyback » (8a,8b) est connectée à un pont de diodes (9). 4. Convertisseur selon la revendication 3 caractérisé en ce que lesdits moyens consistent en deux diodes (16,17) montées en parallèle dudit pont de diodes (9) et connectées à la partie secondaire des convertisseurs « flyback » (8a,8b). 5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les moyens de commande consistent en des transistors bipolaires à grille isolée dits igbt (14,15). 6. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un circuit snubber (11) connecté à l'étage de puissance (1). 7. Convertisseur selon la revendication 6 caractérisé en ce que le circuit snubber (11) consiste en un circuit redresseur à diodes.- 10 - 8. Convertisseur selon la revendication 6 caractérisé en ce que le circuit snubber (11) consiste en un convertisseur permettant de transférer la puissance au secondaire au lieu de la dissiper. 9. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que 'il comporte au moins un filtre de compatibilité électromagnétique dit EMC (12) monté à l'entrée de l'étage de puissance (1). 10. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un filtre de compatibilité électromagnétique dit EMC (13) monté à la sortie de l'étage de puissance (1).