Brevet FR3008258A1 — publié le 20150109

La présente invention concerne un convertisseur alternatif / continu à isolement galvanique utilisable par exemple sur le réseau de distribution électrique d'un aéronef. Dans un avion, l'énergie électrique est fournie par un alternateur entraîné par le moteur de l'avion. L'alternateur délivre une tension alternative convertie en tension continue pour être exploitée par les équipements électriques embarqués dans l'avion. Dans sa version la plus simplifiée, la conversion est réalisée au moyen d'un transformateur comportant un enroulement primaire relié à l'alternateur et un enroulement secondaire relié à un pont redresseur associé à un condensateur de filtrage. La tension en sortie du pont redresseur est en sinusoïde double alternance tandis que le courant consommé est soumis à une forte distorsion qui provoque une baisse du rendement du transformateur et de l'alternateur, un échauffement des conducteurs et un rayonnement électromagnétique à haute fréquence source de parasites. Un moyen pour remédier à cet inconvénient est de réaliser un filtrage en série sur le circuit primaire du transformateur. Toutefois, cette option n'est pas adaptée lorsque la fréquence de la tension alternative est variable, comme dans le cas d'un alternateur entraîné par une turbine de réacteur pour lequel la fréquence varie de 360 Hz à 800 Hz environ. Il est également connu de recourir à un circuit de correction de facteur de puissance ou PFC ( power factor corrector ) pour réduire la distorsion en forçant le courant consommé à suivre une forme d'onde identique à celle de la tension d'entrée, à savoir une sinusoïde redressée double alternance. Il existe différentes structures de PFC. Dans la structure de type BOOST, le circuit ne comporte pas d'isolement galvanique, obligeant à associer à ce circuit un convertisseur continu / continu assurant cette fonction. Cet ensemble présente un rendement total relativement faible, ainsi qu'un encombrement et un poids élevés. Dans la structure de type FLYBACK, le circuit comprend un transformateur d'isolement dont les enroulements primaire et secondaire sont de sens opposés. Le fonctionnement des circuits PFC de ce type entraîne 10 périodiquement le stockage d'une grande quantité d'énergie dans le noyau magnétique du transformateur. Il est donc nécessaire d'utiliser de gros transformateurs pour les fortes puissances, ce qui augmente la masse et l'encombrement du circuit. 15 Dans la structure de type FORWARD, le circuit comprend également un transformateur d'isolement mais dont les enroulements primaire et secondaire sont de même sens. Dans ce type de circuit, il n'est pas possible d'exploiter le courant sur la totalité de la sinusoïde 20 obtenue et donc de consommer un courant suivant la forme d'onde de la tension d'entrée. Il a été proposé dans le document FR-A-2925790 une structure de convertisseur alternatif / continu ayant des performances améliorées, comportant un transformateur 25 d'isolement ayant un enroulement primaire relié à un commutateur de découpage piloté par un circuit de commande par modulation de largeur d'impulsion ou PWM, un premier enroulement secondaire qui est de sens identique à l'enroulement primaire et qui est relié à une ligne de 30 sortie du convertisseur via une diode et une bobine de filtrage, et un deuxième enroulement secondaire qui a un sens opposé à l'enroulement primaire et qui est directement relié à la ligne de sortie via une diode. Ainsi, pour les tensions moyennes à fortes, l'énergie est 35 transmise vers la sortie via le premier enroulement secondaire, la diode et la bobine de filtrage. Ceci permet de faire passer de fortes puissances. Lorsque la tension est faible, l'énergie emmagasinée dans le noyau magnétique du transformateur peut être transmise, à l'ouverture du commutateur de découpage, vers un condensateur de sortie de la ligne de sortie via le deuxième enroulement secondaire et la diode y raccordée. Le deuxième enroulement secondaire permet donc d'évacuer l'énergie stockée dans le noyau magnétique vers la sortie et évite un gaspillage d'énergie. Il permet aussi d'assurer une consommation d'énergie, utilisée par la sortie, pour les tensions faibles (partie basse amplitude de la sinusoïde). De plus, le flux résiduel présent dans le noyau à l'ouverture du commutateur de découpage excite le deuxième enroulement secondaire qui évacue l'énergie correspondante vers la sortie, minimisant ainsi l'apparition de surtensions à l'ouverture du commutateur de découpage, surtensions qui risqueraient de détériorer le commutateur de découpage. Un seul étage de conversion permet ainsi de réaliser l'isolement galvanique et une fonction PFC de manière simple, fiable et efficace grâce à un rendement relativement élevé. Si les avantages de cette solution sont évidents, elle présente néanmoins en pratique l'inconvénient d'être 25 difficilement compatible avec un régulateur PWM-PFC fonctionnant en mode courant-crête. En effet, pour les tensions faibles, lorsque seul le deuxième enroulement secondaire conduit, le courant primaire a une forme triangulaire (caractéristique d'un fonctionnement de type 30 FLYBACK) parfaitement adaptée à un tel mode de fonctionnement. En revanche, pour les tensions moyennes à fortes, les deux enroulements secondaires conduisent successivement, ce qui se traduit par un courant primaire en forme de trapèze résultant de la 35 superposition de la forme en triangle caractéristique du fonctionnement de type FLYBACK et de la forme presque carrée caractéristique d'un fonctionnement de type FORWARD. Or, cette forme en trapèze est préjudiciable au fonctionnement optimal d'un tel régulateur (conformément à la norme DO-160). Il est connu du document FR-A-2979040 un convertisseur alternatif / continu, comportant en entrée un circuit redresseur raccordé en série à un enroulement primaire d'un transformateur d'isolement et à un commutateur de découpage piloté par un circuit de commande par modulation de largeur d'impulsion à partir d'un signal représentatif d'un courant primaire, le transformateur d'isolement comprenant un premier enroulement secondaire qui est de sens identique à l'enroulement primaire et qui est relié à une ligne de sortie du convertisseur via une diode et une bobine de filtrage, et un deuxième enroulement secondaire qui a un sens opposé à l'enroulement primaire et qui est relié directement à la ligne de sortie via une diode, la ligne de sortie étant reliée à un condensateur de sortie. Le convertisseur comprend un circuit analogique de correction du courant primaire, qui est relié au circuit de commande et à un élément de mesure fournissant un signal représentatif du courant primaire, et qui est agencé pour transformer ledit signal en un signal triangulaire apte au pilotage du circuit de commande. Ainsi, le circuit analogique de correction permet un fonctionnement optimal du circuit de commande en lui envoyant un signal triangulaire au lieu du signal trapézoïdal qui serait normalement fourni au circuit de commande. Toutefois, il s'avère que pour avoir les meilleures performances, la correction doit être corrélée en permanence avec la puissance de sortie ou la tension d'entrée. Il en résulte que le réglage du circuit de correction est relativement difficile. Un but de l'invention est d'obvier au moins en partie aux inconvénients précités. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un convertisseur alternatif / continu, comportant en entrée un circuit redresseur raccordé en série à un enroulement primaire d'un transformateur d'isolement et à un commutateur de découpage piloté par un circuit de commande par modulation de largeur d'impulsion à partir 10 d'un signal représentatif d'un courant primaire. Le transformateur d'isolement comprend un premier enroulement secondaire qui est de sens identique à l'enroulement primaire et qui est relié à une ligne de sortie du convertisseur via une diode et une bobine de 15 filtrage, et un deuxième enroulement secondaire qui a un sens opposé à l'enroulement primaire et qui est relié directement à la ligne de sortie via une diode. La ligne de sortie est reliée à un condensateur de sortie (Cout). Le convertisseur comprend un circuit analogique de 20 correction du courant primaire, qui est relié au circuit de commande et à un élément de mesure fournissant un signal représentatif du courant primaire, et qui est agencé pour intégrer ledit signal pour obtenir un signal de pilotage du circuit de commande ayant sensiblement une 25 forme triangulaire et une valeur moyenne identique à celle du courant primaire. Ainsi, l'intégration du courant primaire permet de former simplement un signal susceptible de tromper le circuit de commande. La correction est indépendante de la 30 charge et de la tension d'entrée. L'invention permet également d'avoir un taux de distorsion harmonique relativement faible par rapport aux convertisseurs de l'art antérieur décrit ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de 35 l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 représente schématiquement le circuit d'un convertisseur conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue de détail du module de correction. En référence à la figure 1, le convertisseur conforme à l'invention est destiné à être raccordé, en entrée, à un réseau de distribution électrique de courant alternatif et, en sortie, à au moins un équipement électronique fonctionnant en courant continu. Ce convertisseur est globalement conforme à celui décrit dans le document FR-A-2925790 de sorte que seules seront détaillées les parties de celui-ci dont la description est nécessaire à la compréhension de la présente invention. Le convertisseur comprend en entrée un circuit de filtrage relié à des bornes d'entrée d'un circuit redresseur. Le circuit de filtrage et le circuit redresseur sont connus en eux-mêmes et non représentés. Le circuit redresseur comporte un pont de diodes ayant une première borne de sortie reliée à un shunt de mesure de courant et une deuxième borne de sortie reliée, d'une part, à un pont diviseur d'entrée et, d'autre part, à un enroulement primaire 5 d'un transformateur d'isolement 6 en série avec un commutateur de découpage Tl. Le commutateur de découpage Tl est un transistor de puissance tel qu'un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde ou MOSFET ou un transistor bipolaire à grille isolée ou IGBT. Le commutateur de découpage Ti est relié à un circuit de commande ou, plus précisément, circuit de commande de découpage 10 qui sera décrit ci-après. Le 35 transformateur d'isolement 6 possède un premier enroulement secondaire 7 qui est de sens identique à l'enroulement primaire 5 et qui est relié en série à une ligne de sortie 8 du convertisseur via une diode D3 et une bobine de filtrage (couramment appelée inductance) Ll. Une diode de roue libre D6 relie la masse à la bobine de filtrage Ll de façon connue en soi pour assurer la continuité du courant lorsque la diode D3 ne conduit pas (restitution de l'énergie par la bobine de filtrage L1). Le transformateur d'isolement 6 possède un deuxième enroulement secondaire 9 qui a un sens opposé à l'enroulement primaire 5 et qui est relié via une diode D2 directement à la ligne de sortie 8, c'est-à-dire en aval le la bobine Ll. A la ligne de sortie 8, sont en outre reliés un condensateur de sortie Cout et un pont diviseur de sortie non représenté. Le circuit de commande de découpage 10 est un circuit de commande par modulation de largeur d'impulsion, dont la structure et le fonctionnement sont connus en eux-mêmes, agencé pour commander le commutateur de découpage Tl à partir d'un signal a établi en fonction d'une comparaison d'une tension image d'un courant consommé en entrée du convertisseur avec un signal en forme de sinusoïde redressée double alternance ayant une amplitude dépendant d'une tension d'erreur entre une tension de sortie du convertisseur et une tension de référence. Le circuit de commande de découpage 10 est piloté notamment en fonction du courant primaire mesuré en aval du commutateur de découpage Tl. Le circuit de commande de découpage est relié à cette fin à un circuit analogique de correction 20 qui lui fournit un signal V3 image du courant primaire obtenu à partir d'un signal V1 représentatif du courant primaire fourni par un élément de mesure symbolisé en 30 sur la figure 1. L'élément de mesure 30 est ici un transformateur de courant dont le primaire est relié au commutateur de découpage Ti et le secondaire est relié au circuit analogique de correction 20. Le secondaire de l'élément de mesure est relié via un filtre 31 à une ligne principale 21 du circuit analogique de correction 20 pour lui fournir le signal Vl. A la ligne principale se raccordent deux branches parallèles 22, 23 reliées à la masse. Sur la branche 22, entre la masse et la ligne principale 21, sont montés en série une résistance R20 et un commutateur Q20. Le commutateur Q20 est de type MOSFET et a sa source reliée à la résistance R20 et son drain relié à la ligne principale 21. La grille du commutateur Q20 est reliée à la sortie d'une cellule NON N20 dont l'entrée est reliée à la sortie du circuit de commande de découpage 10. Sur la branche 23 est monté un condensateur C20 relié, d'une part, à la ligne principale 21 et, d'autre part, à la masse. La ligne principale est en outre reliée à une entrée du circuit de commande 10 pour lui fournir le signal V3. Le fonctionnement du circuit de correction va maintenant être décrit. Le commutateur Q20 est piloté par l'inverse du signal a reçu par le commutateur de découpage Ti : quand le commutateur de découpage Ti est ouvert, le commutateur Q20 est fermé et décharge rapidement le condensateur C20 par l'intermédiaire de la résistance R20 Dans une première phase, le commutateur Q20 est ouvert, il est produit un signal quadratique avec la charge du condensateur C20 en fonction du signal V1 fourni par le transformateur de courant de l'élément de mesure 30. Comme ce transformateur de courant est agencé pour délivrer le même courant que celui circulant le primaire 5 du transformateur 6, le condensateur C20 intègre ce courant et la tension aux bornes du condensateur C20 est le résultat de cette intégration. On a alors : ic20(t) = Cc2o dVc 20 et ic20(t) = in(t) dt mtc dans lesquelles ic20 est l'intensité dans le condensateur 020, CC20 la capacité du condensateur C20, V020 est la tension au bornes du condensateur C20, iT1 est mtc est l'intensité dans le commutateur de découpage T1 et le rapport de transformation du transformateur 6. On obtient également : 1 dTdéch arg e Vc2o(t) = HOXIt MtcC C 20 0 où Tdécharge est le temps de décharge. Dans une deuxième phase, le condensateur C20 se décharge avec une constante de temps T = RR2 OCc2 0 à partir de la fermeture du commutateur Q20. Le principe du convertisseur consiste à commander en modulation de largeur d'impulsion le commutateur de découpage Tl de manière à forcer le courant consommé à suivre une forme d'onde identique à celle de la tension à savoir une sinusoïde redressée double alternance. Pour ce faire, le signal issu du pont diviseur d'entrée, représentatif de la tension en sortie du circuit redresseur (sinusoïde redressée double alternance), est multiplié par un signal représentatif d'une tension d'erreur résultant de la comparaison de la tension du pont diviseur de sortie et d'une tension de référence. Le produit de ces signaux est un signal en forme de sinusoïde redressé double alternance dont l'amplitude dépend de l'erreur sur la tension de sortie. Ce signal est comparé, avec une hystérésis, à la tension image du courant consommé pour alimenter après temporisation la grille du commutateur de découpage Ti. Ainsi, à l'ouverture du commutateur de découpage Ti, lorsque la tension est faible (tension de sortie inférieure à un seuil égal au produit de la tension d'entrée et du rapport de transformation, soit 1,5), l'énergie stockée dans le noyau magnétique du transformateur d'isolement 6 excite le deuxième enroulement secondaire 9 et est transmise vers la ligne de sortie 8 à travers la diode D2. Le fonctionnement du convertisseur s'apparente alors à celui d'un convertisseur du type FLYBACK. Lorsque la tension de sortie a augmenté jusqu'à atteindre un seuil égal au produit de la tension d'entrée et du rapport de transformation, la diode D3 conduit et l'énergie du noyau magnétique est transférée vers la ligne de sortie par le premier enroulement 7, la diode D3 et la bobine de filtrage Ll. Le fonctionnement du convertisseur s'apparente alors à celui d'un convertisseur de type FORWARD. On est donc en présence d'un système auto- oscillant asservi sur l'amplitude de la tension d'erreur elle-même en forme de sinusoïde redressé double alternance, permettant d'obtenir une tension de sortie précise et un courant consommé sinusoïdal. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, le circuit de correction peut être modifié : les composants Q20 et R20 peuvent être intervertis sans que son fonctionnement soit changé. REVENDICATIONS1. Convertisseur alternatif / continu, comportant en entrée un circuit redresseur (2) raccordé en série à 5 un enroulement primaire (5) d'un transformateur d'isolement (6) et à un commutateur de découpage (Tl) piloté par un circuit de commande (10) par modulation de largeur d'impulsion à partir d'un signal représentatif d'un courant primaire, le transformateur d'isolement 10 comprenant un premier enroulement secondaire (7) qui est de sens identique à l'enroulement primaire et qui est relié à une ligne de sortie (8) du convertisseur via une diode (D4) et une bobine de filtrage (L1), et un deuxième enroulement secondaire (9) qui a un sens opposé à 15 l'enroulement primaire et qui est relié directement à la ligne de sortie via une diode (D2), la ligne de sortie étant reliée à un condensateur de sortie (Cout), caractérisé en ce que le convertisseur comprend un circuit analogique de correction (20) du courant 20 primaire, qui est relié au circuit de commande et à un élément de mesure (30) fournissant un signal représentatif du courant primaire, et qui est agencé pour intégrer ledit signal pour obtenir un signal de pilotage du circuit de commande ayant sensiblement une forme 25 triangulaire et une valeur moyenne identique à celle du courant primaire. 2. Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel le circuit analogique de correction (20) comprend une ligne principale (21) à laquelle se raccordent 30 l'élément de mesure (30), et des première et deuxième branches (22, 23) qui sont parallèles l'une à l'autre et reliées à la masse : sur la première branche (22) sont montés en série une résistance (R20) et un commutateur (Q20) piloté par un signal inverse à un signal de sortie 35 du circuit de découpage (10) ; sur la branche (23) estmonté un condensateur (C20) relié, d'une part, à la ligne principale (21) et, d'autre part, à la masse.