Brevet FR3089720A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : Convertisseur de tension Domaine technique [0001] La présente invention concerne de manière générale le domaine des convertisseurs de tension électrique. Elle vise en particulier un convertisseur de tension continue apte à fournir au moins une tension secondaire y compris en cas de tension primaire faible. Technique antérieure [0002] Comme illustré à la figure 1, il est connu pour réaliser un convertisseur de tension recevant en entrée une tension primaire continue 2, variable dans une grande étendue de tension, telle que la tension issue d'une batterie, et fournissant en sortie une première tension secondaire 3 continue régulée et une deuxième tension secondaire 4 continue non régulée, d'utiliser un convertisseur Buck à self couplées 5. Un tel convertisseur Buck 5 est, de manière connue, apte à fournir en sortie une première tension secondaire 3 continue régulée et une deuxième tension secondaire 4 continue non régulée. La tension primaire continue 2 est avantageusement filtrée par un module filtre F. [0003] 11 est encore connu, afin de pallier à une baisse de la tension primaire 2, en cas par exemple de décharge de la batterie, de placer un convertisseur boost, supposé connu, en amont du convertisseur Buck 5 afin de soutenir la tension primaire 2. Pour assurer sa fonction dans cette configuration, en ignorant la répartition des charges relatives entre la première tension secondaire 3 et la deuxième tension secondaire 4, le convertisseur hoost doit être activé pour une faible chute de la tension primaire 2, soit typiquement pour une tension primaire 2 baissant de 20 à 25 % de la tension primaire nominale, correspondant à la charge nominale de la batterie. Pour une batterie de tension nominale 12V, le convertisseur hoost doit être activé dès que la tension primaire 2 baisse en dessous de 9 à 10V. Ceci conduit à des activations fréquentes, préjudiciables d'une part en ce que l'activation d'un convertisseur hoost crée d'importantes perturbations électromagnétiques et d'autre part en ce que le mauvais rendement d'un convertisseur boost aggrave la consommation d'énergie sur la tension primaire 2 et donc la décharge de la batterie. En outre, pour une tension primaire 2 très basse, si la répartition des charges entre les deux sorties secondaires 3, 4 est défavorable, le convertisseur boost ne permet pas seul de garantir la valeur de la deuxième tension secondaire 4. Exposé de l'invention 100041 L'objectif de l'invention est de proposer un convertisseur de tension continu ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur et améliorant principalement la 2 qualité de la deuxième tension secondaire. [0005] Cet objectif est atteint grâce à un convertisseur de tension recevant en entrée une tension primaire continue, variable dans une grande étendue de tension, et fournissant en sortie une première tension secondaire continue régulée et une deuxième tension secondaire continue non régulée, comprenant un convertisseur buck à self couplées à deux sorties, un convertisseur boost disposé en amont du convertisseur buck apte à relever la tension primaire lorsqu'activé et un module pompe de charge apte à équilibrer les charges entre la première tension secondaire et la deuxième tension secondaire lorsqu'activé, l'activation du convertisseur boost et du module pompe de charge étant simultanée. Ainsi, cette solution permet d'atteindre l'objectif précité en améliorant nettement les performances de l'art antérieur. [0006] Selon une autre caractéristique, le convertisseur boost, lorsqu'activé, est commandé par un premier contrôleur et le module pompe de charge, lorsqu'activé, est commandé par un deuxième contrôleur, le deuxième contrôleur étant confondu avec le premier contrôleur. [0007] Selon une autre caractéristique, l'activation commune est réalisée lorsque la deuxième tension secondaire est inférieure à un seuil, préférentiellement égal à une deuxième tension secondaire nominale réduite de 10%. [0008] Selon une autre caractéristique, l'activation commune est réalisée lorsque la tension primaire est inférieure à un seuil, préférentiellement égal à 50% d'une la tension primaire nominale [0009] Selon une autre caractéristique, le convertisseur buck est commandé par un troisième contrôleur confondu avec le premier contrôleur etlou le deuxième contrôleur. [0010] Selon une autre caractéristique, le convertisseur buck est commandé par un troisième contrôleur distinct du premier contrôleur et du deuxième contrôleur. Brève description des dessins [0011] D'autres caractéristiques et avantages innovants de l'invention ressortiront à la lecture de la description ci-après, fournie à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : [0012] [fig.]] : La figure 1, déjà décrite, montre un schéma selon l'art antérieur d'un convertisseur comprenant un convertisseur buck. [0013] [fig.2] : La figure 2 montre un schéma d'un convertisseur selon un mode de réalisation préféré de l'invention. [0014] [fig.3] 3 : La figure 3 montre un graphe comparatif de la deuxième tension secondaire selon l'art antérieur et selon l'invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. Description des modes de réalisation [0015] Tel qu'illustré à la figure 1, un convertisseur (le tension continue comprenant un convertisseur buck à selfs couplées 5, supposé connu, permet à partir d'une tension primaire 2, par exemple issue d'une batterie, telle une batterie véhicule, présentant une tension nominale de 12V, mais variable dans une grande étendue de tension, comprise entre 3 et 42V, de produire une première tension secondaire 3 continue et une deuxième tension secondaire 4 continue. La première tension secondaire 3 peut être régulée, de manière connue, par une boucle de rétroaction R comprenant un contrôleur 8. Ce contrôleur 8 peut être de tout type et par exemple de mode courant, de mode tension, de mode PWM (de l'anglais « pulse width modulation » signifiant modulation de largeur d'amplitude), de mode hystérétique ou tout autre mode équivalent. La première tension secondaire 3 est typiquement faible afin de pouvoir garantir la régulation y compris pour une faible tension primaire 2, la première tension secondaire 3 ne pouvant pas dépasser la tension primaire 2. Aussi une valeur de 3,3V est avantageusement retenue. Une telle valeur est encore avantageuse en ce qu'elle permet l'alimentation d'un calculateur véhicule. [0016] La deuxième tension secondaire 4, telle que produite par le convertisseur buck 5, se déduit de la première tension secondaire 3 par un gain égal à I +N2/N1 où N2 est le nombre de spire de l'enroulement secondaire et NI et le nombres de spires de l'enroulement primaire. Ainsi si les nombres de spires sont identiques N2=N 1, la deuxième tension secondaire 4 est double de la première tension secondaire 3, soit égale à 6,6V. Cependant cette deuxième tension secondaire 3, n'étant pas régulée, peut être perturbée par un mauvais couplage inductif, ou par un déséquilibre des charges entre la première sortie secondaire 3 et la deuxième sortie secondaire 4. Cette perturbation peut entraîner un effondrement de la deuxième tension secondaire 4, avec une sensibilité augmentée lorsque la tension primaire 2 est faible. [0017] Il est connu de remédier à ce problème en disposant en amont du convertisseur buck un convertisseur boost 6 en charge de soutenir la tension primaire 2 et activé lorsque la valeur de la tension primaire 2 baisse en dessous d'un seuil. Afin d'assurer la régulation permettant d'obtenir la première tension secondaire 3, le convertisseur boost 6 doit être activé pour une faible chute de la tension primaire 2, soit typiquement pour une tension primaire 2 baissant de 20 à 25 % de sa valeur nominale, soit pour une batterie de tension nominale 12V, dès que la tension primaire 2 baisse en dessous de 9 à 10V. Ceci conduit à des activations fréquentes avec le double préjudice évoqué plus haut. [0018] Tel qu'illustré à la figure 2, selon un mode de réalisation de l'invention, le convertisseur 1 reprend sensiblement l'arrangement du convertisseur de l'art antérieur. Aussi, le convertisseur de tension 1 selon l'invention reçoit en entrée une tension primaire 2 continue, variable dans une grande étendue de tension. Il fournit en sortie une première tension secondaire 3 continue régulée et une deuxième tension secondaire 4 continue non régulée. De ce fait, cette deuxième tension secondaire 4 dépend des caractéristiques des charges, des rapports d'inductances, du couplage inductif, etc. Aussi cette deuxième tension secondaire 4 peut fluctuer lors de configurations aux limites. Un mauvais couplage inductif ainsi que des charges déséquilibrées entre les deux tensions secondaires 3, 4, peuvent provoquer un effondrement de la deuxième sortie secondaire 4 et ce d'autant plus que la tension primaire est faible. [0019] Pour réaliser la régulation, le convertisseur 1 comprend un convertisseur huck à self couplées à deux sorties 5. L'invention ajoute, relativement à l'art antérieur, un convertisseur hoost 6. Le convertisseur hoost 6 est semblable au convertisseur hoost de l'art antérieur sauf en ce qui concerne son activation, détaillée plus avant. Le convertisseur hoost 6 est disposé en amont du convertisseur huck 5. Il est apte à relever la tension primaire 2, lorsqu'activé, afin d'aider le convertisseur huck 5 à fournir les deux tensions secondaires 3, 4 et la régulation. L'invention ajoute encore un module pompe de charge 7 disposé entre la deuxième tension secondaire 4 et la première tension secondaire 3 et apte à équilibrer les charges entre ces deux sorties 3, 4, lorsqu'activé. Selon une caractéristique de l'invention, l'activation du convertisseur boost 6 et du module pompe de charge 7 est avantageusement simultanée. [0020] 11 peut être noté que le convertisseur boost 6, en l'absence d'activation, réalise un filtre passif similaire au filtre F de l'art antérieur. [0021] Afin de commander le convertisseur boost 6, un premier contrôleur 8, par exemple du type à découpage, est, de manière connue, nécessaire. De manière analogue, afin de commander le module pompe de charge 7, un deuxième contrôleur 8, par exemple du type à découpage, est, de manière connue, nécessaire. Bien qu'ils partagent un activateur 9 commun, le convertisseur boost 6 et le module pompe de charge 7 pourraient avoir des contrôleurs distincts. Cependant, selon une caractéristique de l'invention, le deuxième contrôleur et le premier contrôleur sont avantageusement confondus. Ceci permet une réutilisation importante et donc une économie de composants. [0022] 11 s'ensuit que l'ajout du module pompe de charge 7, si l'on ne tient pas compte du contrôleur 8, communalisé avec le convertisseur boost 6, ne nécessite que quelques composants passifs peu onéreux et peu volumineux : deux diodes, une résistance et une 5 capacité. [0023] Tel que visible sur la figure 2, l'activation commune au convertisseur hoost 6 et au module pompe de charge 7 est réalisée par un activateur 9. Cet activateur 9 recopie sélectivement sur sa sortie « out » le signal issu du contrôleur 8 reçu sur son entrée « in » en présence d'un signal « enahle » 10 et ne le recopie pas dans le cas contraire. Le signal issu du contrôleur 8, lorsqu'un signal « cnable » 10 est présent, est transmis simultanément au convertisseur boost 6 et au module pompe de charge 7. [0024] Aussi le signal « enable » 10, permet d'activer ou non le convertisseur boost 6 et le module pompe de charge 7. Selon une caractéristique de l'invention, le signal d'activation «enahle» 10 est issu d'une comparaison (non représentée) de la deuxième tension secondaire 4 avec un seuil. Si la deuxième tension secondaire 4, la tension non régulée, est inférieure à un seuil, le signal d'activation 10 commande l'activation. Si la deuxième tension secondaire 4 est supérieure au seuil, le signal d'activation 10 ne commande pas l'activation. [0025] Le seuil est par exemple égal à la valeur nominale de la deuxième tension secondaire réduit de 10%. Ainsi, pour une batterie de tension nominale 12V et pour une deuxième tension secondaire 4 de valeur 6,6V, le seuil est avantageusement égal à 6V. [0026] Sur cette caractéristique, l'invention diffère de l'art antérieur, en ce que l'activation du hoost 6 (et du module de pompe de charge 7) est déterminée relativement à la deuxième tension secondaire 4, alors que l'art antérieur la détermine relativement à la tension primaire 2. Ceci est avantageux en ce que le pilotage de l'activation est piloté directement par la grandeur dont la valeur est spécifiée : la deuxième tension secondaire 4. [0027] Selon une autre caractéristique, optionnelle, complémentaire ou alternative de la précédente, l'activation commune est réalisée lorsque la tension primaire est inférieure à un seuil. Aussi dans ce cas, le signal d'activation 10 est issu d'une comparaison de la tension primaire 2 avec un seuil. Si la tension primaire 2 est inférieure à un seuil, le signal d'activation 10 commande l'activation. Si la tension primaire 2 est supérieure au seuil, le signal d'activation 10 ne commande pas l'activation. [0028] Cependant, du fait des caractéristiques particulières du convertisseur 1 selon l'invention, le seuil pour la tension primaire, si cette dernière est utilisée pour commander une activation, peut être beaucoup plus bas que dans l'art antérieur avec une valeur pouvant être aussi basse que 50% de la tension nominale Ainsi pour une batterie de tension nominale 12V, le seuil peut être égal à 6V, alors qu'il était de 9-10V pour le convertisseur de l'art antérieur. Cette caractéristique avantageuse de l'invention permet de n'activer le convertisseur boost 6, avec les inconvénients précités, que dans les cas qui le nécessitent vraiment. [0029] De manière connue, pour faire fonctionner un convertisseur buck 5, un contrôleur 8, 6 par exemple du type à découpage, est nécessaire. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ce troisième contrôleur est confondu avec le premier contrôleur et/ou avec le deuxième contrôleur. Autrement dit, le contrôleur 8 utilisé par le convertisseur hoost 6 et/ou par le module pompe de charge 7 réutilise avantageusement le contrôleur 8 déjà prévu pour le convertisseur huck 5. Ceci est avantageux en termes d'économie de composants et donc de coût et de place. [0030] Il convient de noter que le convertisseur huck 5 est en permanence relié à son contrôleur 8 et qu'il n'est pas sujet à l'activation 9 sélective qui ne concerne que le convertisseur boost 6 et le module pompe de charge 7. [0031] L'invention telle que décrite permet de garantir un fonctionnement stable pour une tension primaire 2 aussi faible que 25% de la tension nominale, soit aussi faible que 3V pour une batterie 12V. [0032] Selon une caractéristique opposée le troisième contrôleur est distinct du premier contrôleur et du deuxième contrôleur. Cette option plus couteuse et plus volumineuse, en cc qu'elle utilise au moins deux contrôleurs, est avantageuse en termes de performances. Une telle configuration offre une marge supplémentaire de relevage de la tension primaire 2. Cette configuration permet de garantir un fonctionnement stable pour une tension primaire 2 inférieure à 25% de la tension nominale, soit inférieure à 3V pour une batterie 12V. [0033] La figure 3 illustre l'amélioration obtenue au moyen de l'invention. Elle présente sur un graphe figurant la tension primaire 2 en abscisses et la deuxième tension secondaire 4 en ordonnées, une première courbe 11 illustrant l'art antérieur et une deuxième courbe 12 illustrant l'invention pour une répartition de charge très déséquilibrée entre la première sortie secondaire 3 et la deuxième sortie secondaire 4, soit le cas le plus défavorable. Il peut être noté, que pour la courbe 11, la deuxième tension secondaire 4 s'effondre notablement lorsque la tension primaire 2 diminue. Au contraire selon la courbe 12 et l'invention, la deuxième tension secondaire 4 se maintient nettement mieux à l'approche des faibles valeurs de tension primaire 2. [0034] L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que la personne de l'art est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l'invention, en associant par exemple les différentes caractéristiques ci-dessus prises seules ou en combinaison, sans pour autant sortir du cache de l'invention. 7