Brevet FR3102021A1 — publié le 20210416

Convertisseur de tension à redressement synchrone comprenant un circuit primaire (31) et un circuit secondaire (32), le circuit primaire (31) comprenant un enroulement primaire (33), le circuit secondaire (32) comprenant un enroulement secondaire (35) faisant face à l'enroulement primaire (33) pour former un transformateur, le circuit secondaire (32) comprenant un transistor de redressement (40) connecté à une borne (36) de l'enroulement secondaire (35) et dont une commande de grille (V GATE ) définit l'état passant ou bloquant du transistor de redressement (40), le circuit secondaire (32) comprenant un capteur de courant (50) connecté en série à une borne (37) de l'enroulement secondaire (35), le capteur de courant (50) étant configuré pour délivrer une mesure du courant (V info ) circulant dans l'enroulement secondaire (35), la commande de grille (V GATE ) du transistor de redressement (40) étant fonction de la mesure de courant. Figure pour l'abrégé : figure 3 Convertisseur de tension à redressement synchrone La présente invention se rapporte au domaine des équipements électriques embarqués et plus précisément à un système d'alimentation à découpage, notamment de type convertisseur Flyback, muni d'un redressement synchrone. Une alimentation à découpage est une alimentation électrique dont la régulation est assurée par des composants électroniques de puissance (bobinages, diode, transistors, et éléments passifs) utilisés en commutation, généralement afin de modifier une tension d'entrée en une tension de sortie d'amplitude différente et stabilisée. On parle donc communément de convertisseur de tension, ou plus simplement de convertisseur. Le découpage de l'alimentation impose de redresser la sortie afin de permettre une alimentation en courant continu. Un convertisseur flyback comporte deux circuits : un premier circuit dit primaire, et un second circuit dit secondaire. Chaque circuit comprend une inductance, et les deux inductances placées à proximité l'une de l'autre forment des inductances couplées jouant le rôle de transformateur. Un convertisseur flyback fonctionne selon deux phases : une première phase de stockage d'énergie dans les inductances couplées, via un courant circulant dans le circuit primaire, le courant de l'inductance du circuit secondaire étant bloqué ; une seconde phase de restitution d'énergie par un courant circulant dans le circuit secondaire, le circuit primaire étant bloqué. La solution la plus classique pour bloquer le circuit secondaire (et donc redresser la tension) est d'utiliser une diode. C'est l'exemple de la figure 1. Dans cet exemple simplifié, le circuit primaire 1, avec une tension d'entrée V IN , est muni d'un premier enroulement 3 formant une des inductances couplées et d'un interrupteur 4 (typiquement un transistor) commandé par un signal de commande. Le circuit secondaire 2, avec une tension de sortie V OUT , est muni d'un second enroulement 5 formant l'autre des inductances couplées, d'un condensateur de sortie 6 en parallèle de la sortie, et d'une diode 7 placée entre le second enroulement 5 et le condensateur de sortie 6. La diode 7 impose le sens du courant dans le second enroulement 5. Ainsi, lors de la phase de stockage, la tension aux bornes du second enroulement 5 est négative, bloquant ainsi la diode 7. C'est le condensateur de sortie 6 qui fournit l'énergie demandée par la charge connectée à la sortie. Bien que cette solution présente l'avantage de la simplicité, elle présente également plusieurs inconvénients. En particulier, l'utilisation d'une diode entraîne une baisse sensible du rendement, en particulier en raison de la forte intensité qui la traverse. Ce mauvais rendement est particulièrement préjudiciable pour l'alimentation de dispositifs électroniques embarqués dans un véhicule, en raison de la limitation de la quantité d'énergie et des problèmes de dissipation thermique. Cette baisse de rendement est d'autant plus importante pour les faibles tensions, qui sont justement les tensions les plus courantes pour l'alimentation des systèmes électriques embarqués. A titre d'illustration, des pertes d'environ 6% pour une tension de sortie V OUT de 12 V deviennent des pertes d'environ 12% pour une tension de sortie V OUT de 5 V. D'autres solutions ont donc été développées, avec un redressement dit synchrone au secondaire avec un transistor MOSFET (pour l'anglais "metal–oxide–semiconductor field-effect transistor" signifiant transistor à effet de champ à grille isolée). La figure 2 donne un exemple d'un tel convertisseur de tension. On y retrouve un circuit primaire 11 et un circuit secondaire 12. Comme précédemment, le circuit primaire 11, avec une tension d'entrée V IN , est muni d'un premier enroulement 13 formant une des inductances couplées et d'un interrupteur 14 (ici un transistor) commandé par un signal de commande. Ce signal de commande est envoyé par un contrôleur 10 connecté aux deux bornes du premier enroulement 13. Le circuit primaire 11 peut comprendre d'autres éléments, comme par exemple un condensateur 18 faisant office de filtre passe-bas. A la place d'une diode, le circuit secondaire comprend un transistor de redressement 20 MOSFET de type N connecté à une borne de l'enroulement secondaire 15, et dont la grille est commandée par une tension de commande V GATE fournie par un contrôleur secondaire 22 à partir de la tension de drain V DRAIN au drain du transistor de redressement 20 qui est connecté à l'enroulement secondaire 15. C'est la tension de drain V DRAIN qui constitue l'information de tension relative à la forme d'onde qui permet le redressement. Par la tension de commande V GATE , le transistor de redressement 20 est rendu passant ou bloquant, permettant le passage d'une phase de stockage à une phase de restitution, et inversement. Le circuit secondaire 12 peut comprendre d'autres éléments, tels que des condensateurs 24 faisant office de filtres passe-bas. L'utilisation d'un transistor de redressement 15 commandé par le contrôleur secondaire 16 permet d'améliorer sensiblement le rendement. Toutefois, en raison de l'utilisation de la tension de drain V DRAIN le contrôleur secondaire 16 présente alors une architecture complexe et sensible, qui rend le convertisseur susceptible de présenter des disfonctionnements majeurs en présence de résonnances liées aux imperfections des composants du convertisseur (inductances de fuite, capacités parasites, etc.), qui se traduisent notamment par des perturbations de la tension de drain V DRAIN . Des courts-circuits sont en outre susceptibles de survenir en cas de variations trop rapides de la tension. Or, un système embarqué doit présenter une fiabilité très élevée, et peut être soumis à des contraintes très importantes, par exemple en termes de variations brutales de tension. Présentation de l'invention L'invention vise à permettre une conversion de tension via une alimentation à découpage dont la sortie est correctement redressée, avec un rendement important, une faible dissipation thermique, et plus robuste que les convertisseurs de tension de l'état de la technique. A cet effet, l'invention propose un convertisseur de tension à redressement synchrone comprenant un circuit primaire et un circuit secondaire, le circuit primaire comprenant un enroulement primaire, le circuit secondaire comprenant un enroulement secondaire faisant face à l'enroulement primaire pour former un transformateur, le circuit secondaire comprenant un transistor de redressement connecté à une borne de l'enroulement secondaire et dont une commande de grille définit l'état passant ou bloquant du transistor de redressement, dans lequel le circuit secondaire comprend un capteur de courant connecté en série à une borne de l'enroulement secondaire, le capteur de courant étant configuré pour délivrer une mesure du courant circulant dans l'enroulement secondaire, la commande de grille du transistor de redressement étant fonction de la mesure de courant. Le convertisseur de tension à redressement synchrone selon l'invention, permet, grâce à la prise en compte d'une mesure du courant circulant dans l'enroulement secondaire pour déterminer la commande de grille du transistor de redressement, plutôt que d'une mesure de tension aux bornes de l'enroulement secondaire, permet d'obtenir une alimentation électrique plus fiable, robuste aux perturbations possibles des circuits électriques, avec en plus une complexité réduite. L'invention est avantageusement complétée par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon leurs différentes combinaisons possibles : - le capteur de courant comprend un premier enroulement et un second enroulement qui forment deux inductances couplées, le premier enroulement étant connecté en série à la seconde borne de l'enroulement secondaire et à la sortie du convertisseur, le second enroulement du capteur de courant étant connecté à un circuit d'adaptation de mesure configuré pour délivrer la mesure du courant ; - le second enroulement du capteur de courant comprend au moins cinquante fois plus de spires que le premier enroulement du capteur de courant ; - le circuit d'adaptation de mesure comprend un écrêteur de tension comprenant au moins une diode Zener dans un sens direct entre la masse et un nœud de sortie du capteur de courant ; - écrêteur de tension comprend une autre diode dans un sens direct entre le nœud de sortie du capteur de courant et la masse ; - le circuit d'adaptation de mesure comprend deux branches connectées à la masse, en parallèle mais séparées par une diode, chaque branche comprenant une résistance ; - le circuit secondaire comprend un contrôleur secondaire, le nœud de sortie du capteur de courant étant reliée au contrôleur secondaire, une sortie de commande de grille du contrôleur secondaire étant reliée à la grille du transistor de redressement ; - le contrôleur secondaire est configuré pour commander, par la commande de grille, l'état passant du transistor de redressement lorsque la mesure du courant est supérieure à une tension de seuil, et l'état bloquant du transistor de redressement lorsque la mesure du courant est inférieure à une tension de seuil ; - la mesure du courant fournie par le capteur de courant au contrôleur secondaire présente un profil avec un plateau suivi par une partie décroissante ; - le convertisseur est configuré pour la tension de seuil soit atteinte par la mesure du courant à un point anticipant d'au moins 150 ns un passage à zéro de la partie décroissante du profil de la mesure du courant. Présentation des figures D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1, déjà commentée, montre schématiquement un convertisseur de type flyback; la figure 2, déjà commentée, montre schématiquement un convertisseur flyback de l'état de la technique ; la figure 3 illustre schématiquement un convertisseur de tension selon un mode de réalisation possible de l'invention ; la figure 4 illustre schématiquement un capteur de courant selon un mode de réalisation possible de l'invention ; la figure 5 illustre schématiquement un exemple de profil de tension de la mesure du courant et de la commande de grille. Convertisseur de tension à redressement synchrone comprenant un circuit primaire (31) et un circuit secondaire (32), le circuit primaire (31) comprenant un enroulement primaire (33), le circuit secondaire (32) comprenant un enroulement secondaire (35) faisant face à l'enroulement primaire (33) pour former un transformateur, le circuit secondaire (32) comprenant un transistor de redressement (40) connecté à une borne (36) de l'enroulement secondaire (35) et dont une commande de grille (V GATE ) définit l'état passant ou bloquant du transistor de redressement (40), caractérisé en ce que le circuit secondaire (32) comprend un capteur de courant (50) connecté en série à une borne (37) de l'enroulement secondaire (35), le capteur de courant (50) étant configuré pour délivrer une mesure du courant (V info ) circulant dans l'enroulement secondaire (35), la commande de grille (V GATE ) du transistor de redressement (40) étant fonction de la mesure de courant. Convertisseur de tension selon la revendication 1, dans lequel le capteur de courant (50) comprend un premier enroulement (51) et un second enroulement (52) qui forment deux inductances couplées, le premier enroulement (51) étant connecté en série à la seconde borne (37) de l'enroulement secondaire (37) et à la sortie (64) du convertisseur, le second enroulement (52) du capteur de courant (50) étant connecté à un circuit d'adaptation de mesure (54) configuré pour délivrer la mesure du courant. Convertisseur de tension selon la revendication 2, dans lequel le second enroulement (52) du capteur de courant (50) comprend au moins cinquante fois plus de spires que le premier enroulement (51) du capteur de courant (50). Convertisseur de tension selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel le circuit d'adaptation de mesure (54) comprend un écrêteur de tension (60) comprenant au moins une diode Zener (D1) dans un sens direct entre la masse et un nœud de sortie (62) du capteur de courant (50). Convertisseur selon la revendication précédente, dans lequel l'écrêteur de tension (60) comprend une autre diode (D4) dans un sens direct entre le nœud de sortie (62) du capteur de courant (50) et la masse. Convertisseur de tension selon l'une des revendications 4 à 5, dans lequel le circuit d'adaptation de mesure (54) comprend deux branches (56, 58) connectées à la masse, en parallèle mais séparées par une diode (D3), chaque branche (56, 58) comprenant une résistance (R3, R4). Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit secondaire (32) comprend un contrôleur secondaire (42), le nœud de sortie (62) du capteur de courant (50) étant reliée au contrôleur secondaire (42), une sortie de commande de grille (V GATE ) du contrôleur secondaire (42) étant reliée à la grille du transistor de redressement (40). Convertisseur selon la revendication précédente, dans lequel le contrôleur secondaire (42) est configuré pour commander, par la commande de grille (V GATE ), l'état passant du transistor de redressement (40) lorsque la mesure du courant est supérieure à une tension de seuil (74), et l'état bloquant du transistor de redressement (40) lorsque la mesure du courant est inférieure à une tension de seuil (74). Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la mesure du courant (V info ) fournie par le capteur de courant (50) au contrôleur secondaire (42) présente un profil avec un plateau (72) suivi par une partie décroissante (73). Convertisseur selon l'une des revendications 8 ou 9, configuré pour la tension de seuil (74) soit atteinte par la mesure du courant (V info ) à un point (75) anticipant d'au moins 150 ns un passage à zéro de la partie décroissante (73) du profil de la mesure du courant.