Brevet FR3046892A1 — publié le 20170721

Convertisseur de tension continue-continue et procédé de commande de ce convertisseur L'invention concerne un convertisseur de tension continue-continue et un 5 procédé de commande de ce convertisseur. Pour une application basse puissance (de l'ordre de 50 Watts), la structure du convertisseur de tension la plus répandue est la structure d'un hacheur à accumulation inductive isolé aussi appelée structure « Flyback » en 10 anglais. Cette structure permet d'obtenir un rapport avantageux entre des pertes énergétiques acceptables et un nombre de composants électroniques faible. Toutefois, cette structure n'est généralement utilisée que sur une faible plage de fréquence de commutation. En effet, dès que la fréquence de commutation dépasse les 500 kHz, cette structure perd ces avantages car elle 15 nécessite l'implémentation d'un transformateur de taille importante et que les pertes énergétiques en commutation sur l'interrupteur et sur la diode augmentent. Par ailleurs, la structure de convertisseur continue-continue dite LLC multi-résonnant permet de réaliser des commutations douces sur tous les semi- 20 conducteurs que ce soit les transistors au primaire ou les diodes du redresseur. Toutefois, pour des applications dans lesquelles l'amplitude de la tension d'entrée du convertisseur LLC multi-résonnant est faible (c'est-à-dire de l'ordre de 10 à 100 Volts), l'énergie circulante de ce convertisseur augmente, augmentant ainsi significativement les pertes en conduction et les pertes 25 magnétiques. De plus, lorsque l'amplitude de la tension d'entrée est augmentée, la fréquence de commutation doit être augmentée. Ce qui peut perturber les circuits voisins pour des raisons de compatibilité électromagnétique. Le but de la présente invention est de proposer un convertisseur de tension continue-continue qui peut être utilisé avec un signal de commande 30 pouvant varier en rapport cyclique et en fréquence et qui présente donc une 3046892 2 conversion de tension plus efficace c'est-à-dire qui présente peu de perte en conduction à un coût faible. A cet effet, l'invention a pour objet un convertisseur de tension continue- continue destiné à être connecté, en entrée à un générateur de tension continue et, en sortie, à une charge de sortie, ledit convertisseur de tension continue-continue comprenant : - un étage convertisseur résonnant série-parallèle LLC, - un transformateur connecté en entrée à l'étage convertisseur résonnant série- parallèle LLC, - un redresseur double alternance couplé au transformateur, et - un filtre de sortie connecté en sortie du redresseur double alternance, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un étage élévateur connecté en série en entrée à l'étage convertisseur résonnant série-parallèle LLC. Avantageusement, le convertisseur selon l'invention réalise des commutations douces à la fois sur les diodes du redresseur et sur l'interrupteur de commande du circuit élévateur quasi-résonnant. Il utilise peu d'énergie circulante pour son fonctionnement et cela quel que soit la tension d'entrée. Suivant des modes particuliers de réalisation, le convertisseur de tension continue-continue comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - ledit étage élévateur comprend une bobine d'induction élévatrice et un interrupteur connecté à ladite bobine d'induction élévatrice ; - l'étage convertisseur résonnant série parallèle LLC comprend une capacité série, une bobine d'induction série connectée en série avec la capacité série, et une bobine d'induction parallèle connectée en parallèle de la capacité série et de la bobine d'induction série et dans lequel ladite bobine d'induction élévatrice est connectée en série à la capacité série ; - le convertisseur de tension continue-continue comporte une capacité parallèle connectée en parallèle de l'interrupteur ; - une inductance de la bobine d'induction élévatrice est supérieure à une inductance de la bobine d'induction série ; 3046892 3 - l'interrupteur est commandé par un générateur de tension propre à générer un signal de commande carré ayant un rapport cyclique variable et une fréquence variable ; et - l'interrupteur est un transistor bidirectionnel en courant.. 5 L'invention a également pour objet un procédé de commande d'un interrupteur d'un convertisseur de tension continue-continue selon les caractéristiques mentionnées ci-dessus, ledit convertisseur de tension continue-continue étant connecté, en entrée, audit générateur de tension continue et, en 10 sortie, à ladite charge de sortie, ledit procédé comportant les étapes suivantes : - amorçage dudit interrupteur au moment d'un creux de tension aux bornes dudit interrupteur.; - chargement de la bobine d'induction élévatrice par ledit générateur de tension continue ; 15 - transfert vers ladite charge de sortie, des charges électriques stockées dans la capacité série et dans la bobine d'induction série, par résonance; lesdites étapes de chargement et de transfert étant réalisées simultanément ; - blocage dudit interrupteur après une durée supérieure à 4-r- (L== ladite durée démarrant au moment de l'amorçage dudit interrupteur ; 20 - transfert vers ladite charge de sortie des charges électriques stockées dans la bobine d'induction élévatrice, par résonance de la bobine d'induction élévatrice, de la capacité série et de l'inductance série ; Suivant un mode particulier de réalisation, ledit convertisseur de tension 25 continue-continue comporte un voltmètre connecté aux bornes de la charge de sortie, et ledit procédé comporte en outre une étape de détermination d'un creux de tension aux bornes dudit interrupteur; ladite étape de détermination dudit creux de tension étant réalisée par mesure de la tension aux bornes de l'interrupteur. 30 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures sur lesquelles : 3046892 4 - la figure 1 est une structure du convertisseur de tension continue-continue selon l'invention, - la figure 2 est un graphe représentant la variation au cours du temps du courant parcourant l'étage élévateur quasi-résonnant et la 5 variation au cours du temps du courant parcourant l'étage convertisseur résonnant série-parallèle LLC du convertisseur illustré sur la figure 1 ; - la figure 3 est un graphe représentant la variation au cours du temps du courant traversant l'interrupteur de l'étage élévateur quasi- 10 résonnant du convertisseur illustré sur la figure 1 ; - la figure 4est un graphe représentant la variation au cours du temps de la tension VAB aux bornes de l'interrupteur de l'étage élévateur quasi-résonnant du convertisseur illustré sur la figure 1 ; - la figure 5 est un graphe représentant la variation au cours du temps 15 du courant en sortie du redresseur du convertisseur illustré sur la figure 1 ; et - la figure 6 est un graphe représentant la variation au cours du temps du signal de commande de l'étage élévateur quasi-résonnant du convertisseur illustré sur la figure 1. 20 En référence à la figure 1, le convertisseur de tension continue-continue 2 selon l'invention comporte un étage élévateur 4 quasi-résonnant, un étage convertisseur résonnant série-parallèle LLC 6 connecté en série à l'étage élévateur 4, un transformateur à haute fréquence 8 connecté à l'étage 25 convertisseur résonnant série-parallèle LLC, un redresseur 10 double alternance couplé au transformateur 8, et un filtre de sortie 12 connecté en sortie du redresseur 10. Un générateur de tension continue 11 est connecté en entrée de l'étage 30 élévateur 4 quasi-résonnant. Une charge de sortie 13 est connectée en sortie du convertisseur de tension continue-continue 2 en parallèle du filtre de sortie 12. 3046892 5 L'étage élévateur 4 quasi-résonnant comporte une bobine d'induction élévatrice 14, un interrupteur 16 connecté à ladite bobine d'induction élévatrice 14 et une capacité parallèle 17 connectée en parallèle de l'interrupteur 16. 5 L'interrupteur 16 est un transistor bidirectionnel en courant. Il est, par exemple constitué par un composant MOSFET. La capacité parallèle 17 peut être constituée par la capacité intrinsèque de l'interrupteur 16 ou être une capacité externe comme illustré sur la figure 1. 10 Le convertisseur de tension continue-continue 2 selon l'invention comporte en outre un générateur de tension 18 propre à générer un signal V16 de commande de l'interrupteur 16, une unité de traitement 19 propre à commander le générateur de tension 18 pour asservir le signal de commutation V16 en fonction de la tension aux bornes de l'interrupteur 16 et un voltmètre 21 15 propre à mesurer la tension aux bornes de la charge de sortie 13. Le signal de commande V16 est un signal carré ayant un rapport cyclique a et une période T. Le rapport cyclique a et la fréquence du signal de commutation V16 sont variables. L'unité de traitement 19 est propre à ajuster la 20 fréquence et le rapport cyclique du signal de commande V16 en fonction de la variation de la tension aux bornes de la charge (13) et aux bornes de l'interrupteur (16) , comme explicité ultérieurement. La fréquence du signal de commande V16 varie également en fonction des besoins de l'opérateur. 25 L'étage convertisseur résonnant série-parallèle LLC 6 comporte une capacité série 20, une bobine d'induction série 22 connectée en série à la capacité série 20 et une bobine d'induction parallèle 24 connectée en parallèle de la bobine d'induction série 22. L'étage convertisseur résonnant série-parallèle LLC 6 est connecté en parallèle à l'interrupteur 16 de sorte que l'interrupteur 16 30 commande également le fonctionnement de l'étage convertisseur résonnant série-parallèle LLC 6. En particulier, l'interrupteur 16 est connecté en parallèle à la capacité série 20 et à la bobine d'induction série 22. 3046892 6 La bobine d'induction série 22 peut être implémentée en tant que bobine externe comme illustrée sur la figure 1 ou en tant que bobine de fuite du transformateur 8. De même, la bobine d'induction parallèle 24 peut être implémentée en tant que bobine externe comme illustrée sur la figure 1 ou en 5 tant que bobine interne du transformateur 8. L'inductance L22 de la bobine d'induction série 22 est inférieure à l'inductance L14 de la bobine d'induction élévatrice 14. Le transformateur 8 est formé par un bobinage primaire 26 et un bobinage 10 secondaire 28à point milieu couplé au bobinage primaire 26. Le bobinage primaire 26 est connecté en série à la bobine d'induction série 22 et en parallèle de la bobine d'induction parallèle 24. Le redresseur double alternance 10 est propre à redresser la valeur des 15 courants d'entrée. Le redresseur 10 est constitué par deux diodes 29, 30. Il utilise la prise médiane du transformateur 8. En variante, un montage en pont de quatre diodes, généralement appelé pont de Graetz, peut également être implémenté. Dans ce cas, le bobinage secondaire à point milieu est remplacé par un bobinage simple en montage à pont. 20 Le filtre de sortie 12 est propre à filtrer les courants d'ondulation à haute fréquence. Il permet de fournir une tension de sortie constante à la charge de sortie 13. Il est constitué par une capacité 32. 25 En variante, l'étage élévateur 4 quasi-résonnant est replacé par un étage élévateur. Dans ce cas, cet étage élévateur 4 ne comporte pas de capacité parallèle 17. Un cycle de fonctionnement du convertisseur de tension continue- 30 continue selon l'invention se décompose en quatre périodes de temps illustrées sur les figures 2 à 6. 3046892 7 Au temps initial to, la capacité série 20 et la bobine d'induction série 22 sont chargées. La bobine d'induction élévatrice 14 est déchargée. La tension à l'entrée de l'étage élévateur quasi-résonnant 4 est égale à la tension du générateur de tension continue 11. Le courant il traversant la bobine d'induction 5 élévatrice 14, le courant i2 traversant la bobine d'induction série 22 et le courant i3traversant la bobine d'induction parallèle 24 sont considérés comme étant nuls. Entre les temps to et t1, le générateur de tension 18 applique, aux bornes de l'interrupteur 16, un signal de commande V16 propre à rendre l'interrupteur 16 10 passant. La capacité série 20 alimente en courant i2 l'étage convertisseur résonnant série parallèle LLC 6. . La bobine d'induction élévatrice 14 se charge avec une pente égale à :Vin/L14, dans laquelle Vin est la tension générée par le générateur de tension 11 et L14 est l'inductance de la bobine d'induction 14. 15 La capacité série 20 et la bobine d'induction série 22 se déchargent, en résonnant. Le courant i2 libéré par résonance est transféré au bobinage secondaire 28 du transformateur. Le courant i2 traverse la diode 30 et est transmis à la charge de sortie 13. La figure 5 représente le courant i13 traversant la charge de sortie 13. Contrairement à un convertisseur série résonnant LLC 20 classique, le courant magnétisant i3 est ici quasi nul en raison de la forte valeur d'inductance magnétisante qui n'est plus contrainte par le gain en élévateur qui doit être apporté par le convertisseur. Entre les temps t1 et t2, la tension 18 appliquée aux bornes de 25 l'interrupteur 16 reste positive de sorte que l'interrupteur 16 reste passant. La bobine d'induction élévatrice 14 continue de se charger en courant il par le générateur de tension continue 11. Le transfert des charges électriques stockées dans la capacité série 20 et dans la bobine d'induction série 22, vers la charge de sortie 13, est terminé. Le courant résonnant i2 rejoint le courant magnétisant 30 provoquant un découplage naturel du bobinage primaire 26 et du bobinage secondaire 28. La diode 30 effectue une commutation à courant nul (de l'anglais « Zero Current Switching » ZCS), c'est-à-dire une commutation douce. 3046892 8 Au temps t2, le signal de commande V16 bloque l'interrupteur 16. Entre les temps t2 et t3, les charges électriques stockées dans la bobine d'induction élévatrice 14 se déchargent générant un courant i2 dans l'étage 5 convertisseur résonnant série-parallèle LLC 6. Ce courant i2 circule dans un sens opposé au sens qu'avait ce même courant i2 entre les temps t1 et t2 La bobine d'induction élévatrice 14, la capacité série 20 et la bobine d'induction série 22 forment un circuit LLC série qui entre en résonance. Les charges stockées dans la bobine d'induction élévatrice 14 sont transférées par résonance du circuit LLC 10 série vers le bobinage secondaire 28 du transformateur. La diode 29 conduit. Le courant 113, visible sur la figure 5, traverse la charge de sortie 13. Le temps t2 correspond au temps aT avec a égal au rapport cyclique du signal de commande V16 et T est la période du signal de commande V16. La durée de aT est supérieure à 4. de sorte que la demi-période de résonance de 15 la capacité série 20 et de la bobine d'induction série 22 ne soit pas tronquée.Si l'on suppose que le courant magnétisant est nul, la durée de ce mode est égale au quart de la période de résonnance du circuit LLC série, à savoir : 1 20 La puissance transférée du bobinage primaire 26 au bobinage secondaire 28, au cours du temps t2 à t3, est uniquement fonction de l'inductance L14 de la bobine d'induction élévatrice 14 ainsi que de la quantité de charges électriques qu'elle a emmagasinée c'est-à-dire de la tension appliquée par le générateur de tension continue 11 et de la durée du temps aT. En particulier, la puissance transférée 25 durant les temps to et t1 du bobinage primaire 26 au bobinage secondaire 28 est indépendante des variations de charges comme c'est le cas dans un convertisseur multi-résonant classique fonctionnant à la fréquence de résonance série et du temps de conduction si ce dernier ne tronque pas la demi-résonance. 30 Au temps t3, La bobine d'induction élévatrice 14 s'est déchargée. Le courant i2 rejoint le courant magnétisant provoquant un découplage naturel du bobinage primaire 26 et du bobinage secondaire 28. La diode 29 effectue une 3046 892 9 commutation à courant nul (de l'anglais « Zero Current Switching » ZCS), c'est-à-dire une commutation douce. La capacité série 20 et la bobine d'induction série 22 sont chargées. Elles resteront chargées jusqu'au temps t4 où l'interrupteur 16 redeviendra passant. Ainsi, l'énergie qui reste emmagasinée 5 dans la bobine d'induction série 22 et dans la capacité série 20 pourra être au moins en partie recyclée entre les temps to et t1 du prochain cycle. Entre les temps t3 et t4, les charges électriques emmagasinées par la capacité parallèle C17 se déchargent. La capacité parallèle C17 et la bobine 10 d'induction élévatrice 14 entrent en résonance comme le montre le tracé en pointillés de la figure 4 qui représente la tension VAB qu'il pourrait y avoir aux bornes de l'interrupteur 16 si l'interrupteur 16 ne serait pas commuté au temps t4. Au temps t4, l'interrupteur 16 est amorcé au moment d'un creux de tension 15 à ses bornes VAB OU à tension nulle, comme visible sur le tracé en trait continu de la figure 4. A cet effet, l'unité de traitement 19 peut par exemple déterminer le creux de tension aux bornes de l'interrupteur 16 en scrutant la variation de la tension 20 aux bornes de l'interrupteur 16 selon le principe connu du Valley-switch. L'unité de traitement 19 ajuste la période T et le rapport cyclique a du signal de commande V16 pour amorcer l'interrupteur 16 au moment d'un creux de tension. Ainsi, la période du signal de commutation V16 est ajustée à chaque cycle par l'unité de traitement 19 pour tendre à obtenir une commutation douce sur cet 25 interrupteur et minimiser les pertes en commutation sur cet interrupteur. En variante, l'interrupteur 16 est amorcé au temps t4 lorsque le courant i4 circule dans le sens opposé par la diode en antiparallèle de l'interrupteur 16. Dans ce cas, les pertes en commutation sur l'interrupteur 16 sont nulles. Ainsi, 30 l'interrupteur 16 réalise une commutation à tension nulle (de l'anglais « Zero Voltage Switching » ZVS). 3046892 10 Le principe de fonctionnement du convertisseur de tension continue-continue selon l'invention a été explicité dans le cas avantageux dans lequel le courant magnétisant est nul. Ce cas a lieu lorsque la quantité d'énergie transférée du bobinage primaire 26 au bobinage secondaire 28 entre les temps 5 to et t1 est égale à la quantité d'énergie transférée du bobinage primaire 26 au bobinage secondaire 28 entre les temps t2 et t3. Autrement dit, ce cas se réalise, lorsque la capacitance C20 de la capacité de série 20, l'inductance L22 de la bobine d'induction série 22, l'inductance L14 de la bobine d'induction élévatrice 14 et le rapport cyclique a sont tels que l'énergie transférée par l'étage 10 convertisseur résonnant série-parallèle LLC 6 entre les temps to et t1 est égale à l'énergie transférée par l'étage élévateur 4 quasi-résonnant entre les temps t2 et t3 Dans ce cas, avantageusement, l'énergie circulante est nulle. REVENDICATIONS1. Convertisseur de tension continue-continue (2) destiné à être connecté, en entrée à un générateur de tension continue (11) et, en sortie, à une charge de sortie (13), ledit convertisseur de tension continue-continue (2) comprenant : - un étage convertisseur résonnant série-parallèle LLC (6), - un transformateur (8) connecté en entrée à l'étage convertisseur résonnant série-parallèle LLC (6), - un redresseur double alternance (10) couplé au transformateur (8), et - un filtre de sortie (12) connecté en sortie du redresseur double alternance (10), caractérisé en ce qu'il comporte en outre un étage élévateur (4) connecté en série en entrée à l'étage convertisseur résonnant série-parallèle LLC (6). 2.- Convertisseur de tension continue-continue (2) selon la revendication 1, dans lequel ledit étage élévateur (4) comprend une bobine d'induction élévatrice (14) et un interrupteur (16) connecté à ladite bobine d'induction élévatrice (14). 3.- Convertisseur de tension continue-continue (2) selon la revendication 2, dans lequel l'étage convertisseur résonnant série parallèle LLC (6) comprend une capacité série (20), une bobine d'induction série (22) connectée en série avec la capacité série (20), et une bobine d'induction parallèle (24) connectée en parallèle de la capacité série (20) et de la bobine d'induction série (22) et dans lequel ladite bobine d'induction élévatrice (14) est connectée en série à la capacité série (20). 4.- Convertisseur de tension continue-continue (2) selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, qui comporte une capacité parallèle (17) connectée en parallèle de l'interrupteur (16). 5.- Convertisseur de tension continue-continue (2) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel une inductance (L14) de la bobine d'induction élévatrice (14) est supérieure à une inductance (L22) de la bobine d'induction série (22). 3046 892 12 6.- Convertisseur de tension continue-continue (2) selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel l'interrupteur (16) est commandé par un générateur de tension (18) propre à générer un signal de commande carré ayant 5 un rapport cyclique variable et une fréquence variable. 7.- Convertisseur de tension continue-continue (2) selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel l'interrupteur (16) est un transistor bidirectionnel en courant. 10 8.- Procédé de commande d'un interrupteur (16) d'un convertisseur de tension continue-continue (2) selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, ledit convertisseur de tension continue-continue (2) étant connecté, en entrée, audit générateur de tension continue (11) et, en sortie, à ladite charge de sortie (13), 15 ledit procédé comportant les étapes suivantes : - amorçage (to, t4) dudit interrupteur (16) au moment d'un creux de tension aux bornes dudit interrupteur (16).; - chargement (to-ti) de la bobine d'induction élévatrice (14) par ledit générateur de tension continue (11) ; 20 - transfert (to-ti) vers ladite charge de sortie (13), des charges électriques stockées dans la capacité série (20) et dans la bobine d'induction série (22), par résonance; lesdites étapes de chargement et de transfert étant réalisées simultanément ; - blocage (t2) dudit interrupteur (16) après une durée supérieure à 4 25 ladite durée démarrant au moment de l'amorçage dudit interrupteur (16) ; - transfert (t243), vers ladite charge de sortie (13) des charges électriques stockées dans la bobine d'induction élévatrice (14), par résonance de la bobine d'induction élévatrice (14), de la capacité série (20) et de l'inductance série (22). 30 9.- Procédé de commande du convertisseur de tension continue-continue (2) selon la revendication 8, dans lequel ledit convertisseur de tension continue-continue comporte un voltmètre (21) connecté aux bornes de la charge de sortie (13), ledit procédé comportant en outre une étape de détermination d'un creux 3046892 13 de tension aux bornes dudit interrupteur (16); ladite étape de détermination dudit creux de tension étant réalisée par mesure de la tension aux bornes de l'interrupteur (16). 5