FR2782206A1 - Convertisseur de tension continu-continu, susceptible d'une protection contre les courts-circuits - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un convertisseur de tension pour courant continu comportant une première et un deuxième borne d'entrée, destinées à recevoir une tension d'entrée, un élément selfique (L) ayant une première borne couplée à la première borne d'entrée et une deuxième borne couplée à une première borne d'une branche capacitive qui présente une deuxième borne couplée à la deuxième borne d'entrée, un premier et un deuxième commutateur commandés en opposition et un transformateur de sortie (T) présentant un primaire (L p) ainsi qu'un secondaire alimentant une charge. Il est caractérisé en ce que la branche capacitive présente deux éléments capacitifs (C1 , C2 ) disposés en série et dont la borne commune est couplée à une première borne du primaire (Lp) dudit transformateur de sortie (T), en ce que le premier (S1 ) et le deuxième (S2 ) commutateur sont disposés en série et présentent une borne commune couplée à une deuxième borne du primaire (Lp) dudit transformateur de sortie (T), l'autre borne du premier (S1 ) et du deuxième (S2 ) commutateur étant couplées respectivement à la première et à la deuxième borne de la branche capacitive (C1 ,C2 ).

Description

!

CONVERTISSEUR DE TENSION CONTINU-CONTINU, SUSCEPTIBLE

D'UNE PROTECTION CONTRE LES COURTS-CIRCUITS

La présente invention a pour objet un convertisseur de tension continucontinu du type résonant, utilisable notamment pour l'alimentation de tubes à ondes progressives (TWT), et plus particulièrement un convertisseur qui commute à

tension nulle et à courant nul.

Le Brevet US 4,959,765 de la Demanderesse décrit une topologie correspondant à un convertisseur résonant qui commute à tension nulle et à courant nul. Ce Brevet décrit en particulier un dispositif de type "push-pull", dans lequel le circuit résonant est constitué par un condensateur d'alimentation en

courant et par l'inductance de fuite du transformateur.

Ce convertisseur n'est pas protégé contre le court-circuit accidentel d'un des commutateurs dans la version "push-pull", ou du commutateur unique dans

l'autre version décrite.

Pour obtenir un commutateur à tension nulle, le commutateur d'une branche du push-pull ne doit être fermé qu'après que le commutateur de l'autre branche ait été ouvert et que la tension aux bornes de ce commutateur ait atteint sa valeur haute, grâce à l'énergie de magnétisation du transformateur, et sous l'action du

transformateur, ait atteint sa valeur basse sur le commutateur qui doit être fermé.

Le Brevet US 5,140,512 (O'SULLIVAN) permet d'obtenir dé manière automatique une telle commutation à tension nulle, par détection de l'excursion de tension du transformateur. Une logique de détection est associée à chaque commutateur du push-pull et la commande alternée du push-pull est autorisée seulement lorsque le transformateur a commuté dans un intervalle de temps o les

deux commutateurs du push-pull sont ouverts.

Enfin, le Brevet US 5,249,113 de la Demanderesse décrit un convertisseur comportant un transformateur qui permet d'obtenir une transition rapide et un bon fonctionnement de la topologie lorsque les commutateurs sont des transistors à effet de champ à grille isolée (MOSFET), lesquels sont susceptibles de présenter une capacité drain-source élevée qui tend à ralentir notablement la commutation automatique du transformateur ou bien sont responsables d'un facteur de forme défavorable du courant et d'un mauvais rendement. Le réglage du courant de magnétisation du transformateur, qui ne modifie pas les caractéristiques de résonance du transformateur, permet d'augmenter la vitesse de commutation du transformateur,

ce qui améliore le facteur de forme et le rendement.

Par mise en oeuvre combinée des trois Brevets précités, il a été possible de réaliser des convertisseurs présentant une efficacité de 97% et plus pour des bus régulés de 50V. Ces convertisseurs nécessitant toutefois une protection

d'entrée en cas de défaut de court-circuit, ce qui induit une complexité accrue.

La présente invention a pour objet une topologie de convertisseur qui soit en pratique utilisable pour les bus jusqu'à une tension de l'ordre de 100V, et qui soit susceptible d'être protégée contre les courts- circuits sans complication

notable, ce qui permet également de limiter le courant à travers la charge.

L'invention concerne ainsi un convertisseur de tension pour courant continu comportant une première et une deuxième borne d'entrée, destinées à recevoir une tension d'entrée, un élément selfique ayant une première borne couplée à la première borne d'entrée et une deuxième borne couplée à une première borne d'une branche capacitive qui présente une deuxième borne d'entrée, un premier et un deuxième commutateur en opposition et un transformateur de sortie présentant un primaire ainsi qu'un secondaire alimentant une charge, caractérisé en ce que -la branche capacitive présente deux éléments capacitifs disposés en série et dont la borne commune est couplée à une première borne du primaire dudit transformateur de sortie, en ce que le premier et le deuxième commutateur sont disposés en série et présentent une borne commune couplée à une deuxième borne du primaire dudit transformateur de sortie, l'autre borne du premier et du deuxième commutateurs étant couplées

respectivement à la première et à la deuxième borne de la branche capacitive.

Afin d'obtenir une protection mutuelle des commutateurs contre les courts-circuits, le convertisseur comporte une commande de commutation à tension nulle à partir de la tension de la borne commune au premier et au deuxième commutateurs. Afin d'obtenir une auto-protection contre le court-circuit accidentel d'un commutateur, le convertisseur peut être caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de mesure du courant à travers ledit élément selfique et un comparateur, entre ledit courant mesuré et un courant de référence maximal, dont la sortie est couplée à un dispositif de commande qui commande une ouverture du premier et du deuxième commutateurs lorsque le courant mesuré dépasse ledit courant de référence maximal.

Ledit comparateur est de préférence un comparateur à hystérésis.

Selon une variante permettant une commande additionnelle d'ajustement de tension, le convertisseur est caractérisé en ce qu'il comporte un troisième et un quatrième commutateurs disposés en série et présentant une borne commune couplée à une première borne du primaire d'un transformateur auxiliaire, l'autre borne du troisième et du quatrième commutateur étant couplée respectivement à la première et à la deuxième borne de la branche capacitive, et en ce que le transformateur auxiliaire présente un secondaire disposé en série avec le primaire du transformateur de sortie, entre la borne commune aux deux éléments capacitifs et la borne commune au premier et au deuxième commutateur. Le convertisseur peut alors être caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'ajustement de tension pour commander le troisième et le quatrième commutateur en fonction de la tension, soir selon un premier mode additif selon lequel le troisième et le quatrième commutateur sont commandés en synchronisme avec respectivement le premier et le deuxième commutateur, soit selon un deuxième mode soustractif selon lequel le troisième et le quatrième commutateur sont commandés en opposition de phase avec respectivement

le premier et le deuxième commutateur.

Selon un mode de réalisation préféré, le convertisseur est caractérisé en ce que le dispositif d'ajustement de tension comporte un premier et un deuxième comparateur à seuil ainsi qu'une unité de commande des troisième et quatrième commutateurs pour commander les troisième et quatrième commutateurs au moins selon le premier et le deuxième mode, le premier et le deuxième comparateur à seuil recevant à une première entrée un signal représentatif de ladite tension d'entrée et à une deuxième entrée un signal représentatif respectivement d'un seuil haut et d'un seuil bas et présentant une sortie de commande appliquée à une entrée de l'unité de commande pour commander l'unité de commande selon respectivement ledit premier

mode, et ledit deuxième mode.

Au moins un dit comparateur à seuil est avantageusement un

comparateur à hystérésis.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va

suivre, en liaison avec les dessins ci-annexés, dans lesquels: - la figure 1 illustre la technique mise en oeuvre dans le Brevet US 4,959, 765 précité

- la figure 2 représente un circuit qui présente une protection anti-

court-circuit convenant au circuit de la figure 1 - la figure 3 représente à titre illustratif un convertisseur présentant un montage en pont des commutateurs - la figure 4 représente un mode de réalisation d'un convertisseur selon l'invention - la figure 5 représente le circuit de la figure 4 associé à un dispositif de protection anti-court-circuit selon l'invention - et la-figure 6 représente le circuit de la figure 4 associé à tin

dispositif d'ajustement de tension selon l'invention.

Selon la figure 1, le convertisseur correspondant au concept décrit dans le Brevet US 4,959,765 précité présente une self d'entrée L, dont une borne est connectée à une première borne d'entrée E1 du convertisseur et dont l'autre borne est connectée à une borne d'un condensateur C dont l'autre borne est connectée à la deuxième borne d'entrée E2 du convertisseur. Le convertisseur présente également un transformateur T à deux enroulements Lm, et Lm2 dont le point commun A est connecté au point commun à la self L et au condensateur C. Deux commutateurs S. et S2 sont connectés entre respectivement la borne opposée des enroulements Lm, et Lm2 et la deuxième borne d'entrée E2 du convertisseur. Une tension d'entrée Vin est appliquée aux bornes d'entrée E. et E2 du convertisseur. Le transformateur T présente un secondaire Ls qui alimente une charge représentée par une résistance Ro. A titre d'exemple, le secondaire Ls présente une diode D, en direct entre une borne du

s secondaire Ls et une borne d'un condensateur Co en série avec un condensateur C'o.

Le point commun B à ces deux condensateurs est connecté à l'autre borne du secondaire Ls et la deuxième borne du condensateur C'o opposée audit point commun B est connectée à l'anode d'un diode D2 en inverse entre la première borne du

secondaire Ls et la deuxième borne du condensateur C'o.

Le circuit résonant est composé du condensateur d'alimentation C et de l'inductance de fuite Lk du transformateur T. En cas de défaillance par mise en court-circuit de l'un ou l'autre des commutateurs S1 et S2, ce circuit ne présente

aucune protection.

La Figure 2 représente un mode de réalisation permettant d'assurer une telle protection. Elle implique d'ajouter un commutateur série S, ainsi qu'une diode D en inverse entre le point commun au commutateur S et à la self L, et la deuxième borne d'entrée E., du convertisseur. Cette diode D permet de refermer la boucle de courant dans l'inductance L. La mise en ceuvre de cette protection implique

également l'ajout d'un filtre d'entrée (Lin, Ci).

L'évolution technologique vers des tensions de ligne bus d'alimentation de l'ordre de 100 V, comme dans le cas des bus d'alimentation potif télécommunications dites de haute puissance, a pour effet que la topologie précitée de type " push-pull " n'est plus optimale, car elle nécessite des transistors de tension

nominale plus élevée et conduit à des pertes plus élevées.

La Figure 3 montre à titre illustratif un montage qu'il serait possible d'envisager pour solutionner le problème de la tenue en tension des commutateurs. Il s'agit d'un montage en pont complet disposé en aval d'une self d'entrée L et présentant quatre commutateurs disposés par paires de commutateurs en série, à savoir

SI S2 d'une part et S'y, S'2 d'autre part.

Le primaire Lp du transformateur T, a ses bornes couplées aux bornes communes à respectivement S. et S2 d'une part et S', et S'2 d'autre part. Ce

montage permet de résoudre le problème précité de la tenue en tension des transistors.

Il serait par contre difficile de mettre en oeuvre avec cette topologie la solution préconisée par le Brevet US 5,140,512, étant donné que cette solution impliquerait, en vue d'une détection correcte de l'état de commutation du transformateur, de détecter simultanément qu'une borne de primaire est à son niveau haut et que l'autre borne est

à son niveau bas.

La Figure 4 représente un circuit qui, selon l'invention, met en oeuvre un montage en demi-pont qui permet d'obtenir un fonctionnement similaire à celui de la Figure 3 à l'aide de seulement deux commutateurs S, et S2, deux condensateurs en série C, et C2 étant disposés en lieu et place des commutateurs S', et

S', de la Figure 3.

Ce circuit conserve non seulement les avantages de la topologie décrite dans le Brevet US 4,959,765 précité, mais il présente également d'autres avantages. En effet, pour la mise en oeuvre de la technique de commutation à tension nulle décrite dans le Brevet US 5,140,512, il suffit de détecter la tension du primaire Lp au point commun aux commutateurs S. et S2, la tension de l'autre borne du

primaire Lp étant maintenue grâce au pont de condensateurs C, et C,.

En outre, les deux commutateurs St et S2 étant disposés en série, ceci induit une protection automatique au cas o un commutateur se trouve accidentellement en court-circuit. En effet, dans le cas o un commutateur reste en court-circuit, le transformateur ne commute pas, la détection de tension nulle aux bornes de l'autre commutateur n'est pas validée et les deux commutateurs restent

commandés à l'état ouvert.

Le circuit de la Figure 5 représente le circuit de la Figure 4 auquel est rajouté un circuit de protection qui permet de pallier au cas d'un court-circuit intervenant lorsque l'un des deux commutateurs se trouve accidentellement à l'état

fermé alors que l'autre commutateur se trouve normalement commandé à l'état fermé.

Dans un tel cas, les condensateurs Cl et C2 se déchargent à travers les commutateurs S. et S2, ce qui engendre un pic de courant, dont la valeur est limitée en raison de la faible énergie stockée dans les condensateurs. Ce courant, qui provoque une augmentation de courant à travers le self L, est détecté par une boucle de courant CL. Le courant mesuré Imes est comparé à une valeur Imax réf, dans un comparateur COMP 1, de préférence à hystérésis, dont la sortie commande à l'ouverture les commutateurs S. et S2. Dans le cas o le comparateur COMP1 est un simple amplificateur opérationnel, son action doit être inhibée lors d'une mise sous tension pour permettre un démarrage

du circuit.

Si les commutateurs S. et S2 se trouvent en court-circuit lors du démarrage, alors la protection n'est pas acquise. C'est pour cette raison qu'il est préférable de mettre en ceuvre un comparateur à hystérésis, en particulier de type à cycle d'hystérésis limite présentant un seuil d'hystérésis haut et un seuil d'hystérésis

bas, qui permet d'obtenir une limitation du courant.

En raison du filtre constitué par la self L et les condensateurs C, et C2, la forme de la courbe du courant I représentée en haut de la Figure 5 montre un certain dépassement au-dessus du seuil haut et en dessous du seuil bas du cycle théorique représentés par les deux lignes horizontales en pointillés. L'amplitude de ces dépassements dépend de l'amortissement apporté par une résistance R en parallèle avec la self L. En mode de limitation de courant, la puissance appliquée au

convertisseur est le produit de la tension d'entrée par la moyenne du courant limité.

Cette puissance peut être élevée et la durée de cycle d'hystérésis devrait être limitée, de manière à laisser passer les transitoires de démarrage et de surcharge, mais l'ensemble du convertisseur doit être désactivé après un temps limité, de manière à

éviter une dissipation excessive d'énergie.

En mode de limitation de courant et dans le cas de commutateurs à transistors à effet de champ à grille isolée MOSFET qui sont à l'état fermé, leur diode en parallèle est susceptible de rediriger tout courant de magnétisation circulant dans le transformateur, dans l'un ou l'autre sens à travers les condensateurs C, et C2, ce qui

permet d'éviter d'endommager les commutateurs.

La Figure 6 représente une variante du circuit selon l'invention qui l'associe à un dispositif d'ajustement de la tension qui commute à tension nulle et à courant nul. Cette possibilité de réglage ne modifie pas le rendement de la topologie,

ni sa protection contre les courts-circuits.

Selon la Figure 6, deux commutateurs additionnels S3 et S4 sont disposés en série. Ils présentent une borne commune connectée à une borne du primaire d'un transformateur T, de petite taille par rapport au transformateur T. L'autre borne des commutateurs S3 et S4 est connectée à la borne non commune respectivement des commutateurs S. et S2. Le secondaire du transformateur T, qui présente une borne commune avec le primaire, est en série avec le primaire Lp du transformateur T, entre les bornes communes d'une part à C, et C2 et d'autre part à S. et S,. Les commutateurs S3 et S4, qui peuvent bénéficier du même dispositif de protection mutuelle contre les courts-circuits que les commutateurs S, et S2 (voir Figures 4 et 5) sont commandés soit en synchronisme avec respectivement les

commutateurs S. et S, soit en opposition de phase avec ceux-ci.

Le transformateur T1 présente un rapport de transformation relativement élevé, par exemple compris entre 10:1 et 20:1, en fonction de l'amplitude désirée de l'ajustement de tension. Le primaire de T, est donc commandé par les commutateurs S3 et S4, et la tension générée sur le secondaire s'ajoute ou se retranche à celle du primaire Lp du transformateur principal T, selon que S3 ou S4 est synchrone

avec S,.

Selon le mode de réalisation représenté à la Figure 6, les commutateurs S3 et S4 sont commandés par un circuit de commandes COM qui présente trois modes logiques de fonctionnement: - un mode additif lorsque la valeur de la tension d'entrée Vin dépasse un seuil haut; - un mode soustractif lorsque la valeur de la tension d'entrée Vin est en dessous d'un seuil bas; et - un mode inactif (S3 et S4 ouvert) lorsque la valeur de la tension Vin se situe entre ces deux seuils. Le mode inactif est également utilisé pour la protection contre les courts-circuits, de la même façon que dans le cas de la Figure 4, en détectant cette fois-ci la

tension au point commun aux commutateurs S3 et S4. Une auto-

protection peut être également obtenue de la même façon que pour les commutateurs S, et S2 (Figure 5). La tension d'entrée Vin est appliquée à un pont de résistances R, R', dont le point milieu attaque l'entrée inverseuse d'un intégrateur INT contre-réactionné par un condensateur C3. L'entrée non-inverseuse de l'intégrateur INT a sa tension fixée

par une diode Zener Dz.

La sortie de l'intégrateur INT est appliquée à l'entrée non-inverseuse d'un comparateur COMP2 contre-réactionné par une résistance R, et à l'entrée inverseuse d'un comparateur COMP3 contre-réactionné par une résistance R3. L'entrée non-inverseuse du comparateur COMPI reçoit une tension Réf. H représentative du seuil haut désiré pour la tension Vin, et l'entrée inverseuse du comparateur COMP2

reçoit une tension Réf. L représentative du seuil bas désiré pour la tension Vin.

Lorsque Vin est supérieur au seuil haut, le comparateur COMP2 produit en sortie un 1 logique qui valide le fonctionnement du circuit de commande pour qu'il commande les commutateurs S3 et S4 en mode additif de sorte que la tension dans le secondaire de T, s'ajoute à la tension dans le primaire de T. Lorsque Vin est inférieur au seuil bas, le comparateur COMP2 produit en sortie un 1 logique qui valide le circuit de commande COM pour qu'il commande les commutateurs S3 et S4 en mode soustractif. Dans ce cas, la tension aux bornes du secondaire de T1 se soustrait à la tension aux bornes du primaire de T. Les comparateurs COMP2 et COMP3 sont de préférence des

comparateurs à hystérésis.

Le circuit de réglage de tension permet d'obtenir une certaine bande

passante de commande de tension tout en gardant la maîtrise de l'excursion de tension.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Convertisseur de tension pour courant continu comportant une première et un deuxième borne d'entrée, destinées à recevoir une tension d'entrée, un élément selfique ayant une première borne couplée à la première borne d'entrée et une deuxième borne couplée à une première borne d'une branche capacitive qui présente une deuxième borne couplée à la deuxième borne d'entrée, un premier et un deuxième commutateur commandés en opposition et un transformateur de sortie présentant un primaire ainsi qu'un secondaire alimentant une charge, caractérisé en ce que la branche capacitive présente deux éléments capacitifs (Cl, C2) disposés en série et dont la borne commune est couplée à une première borne du primaire (Lp) dudit transformateur de sortie (T), en ce que le premier (S.) et le deuxième (S2) commutateur sont disposés en série et présentent une borne commune couplée à une deuxième borne du primaire (Lp) dudit transformateur de sortie (T), l'autre borne du premier (S,) et du deuxième (S2) commutateur étant couplées respectivement à la

première et à la deuxième borne de la branche capacitive (C,,C2).

2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une commande de commutation à tension nulle à partir de la tension de la

borne commune au premier (S.) et au deuxième (S2) commutateurs.

3. Convertisseur selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en

ce qu'il comporte un dispositif (CL) de mesure du courant à travers ledit élément selfique (L) et un comparateur (COMP1), effectuant une comparaison entre ledit courant mesuré (Imes) et un courant de référence maximal (Imax ref), et dont la sortie est couplée à un dispositif de commande qui commande une ouverture du premier (S.) et du deuxième (S2) commutateur lorsque le courant mesuré (Imes) dépasse ledit

courant de référence maximal (Imax ref).

4. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit

comparateur (COMP1) est un comparateur à hystérésis.

5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,

caractérisé en ce qu'il comporte un troisième (S3) et un quatrième (S4) commutateurs disposés en série et présentant une borne commune couplée à une première borne du Il primaire d'un transformateur auxiliaire (TI), l'autre borne du troisième (S3) et du quatrième (S4) commutateur étant couplée respectivement à la première et à la deuxième borne de la branche capacitive (C1,C2), et en ce que le transformateur auxiliaire (T1) présente un secondaire disposé en série avec le primaire (Lp) du transformateur de sortie (T), entre la borne commune aux deux éléments capacitifs

(C1,C2) et la borne commune au premier (S.) et au deuxième (S2) commutateur.

6. Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'ajustement de tension pour commander le troisième (S3) et le quatrième (S4) commutateur en fonction de la tension d'entrée Vin, soit selon un premier mode additif selon lequel le troisième (S3) et le quatrième (S4) commutateur sont commandés en synchronisme avec respectivement le premier (S1) et le deuxième (S.) commutateur, soit selon un deuxième mode soustractif selon lequel le troisième (S3) et le quatrième (S4) commutateur sont commandés en opposition de phase avec

respectivement le premier (S,) et le deuxième (S2) commutateur.

7. Convertisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif d'ajustement de tension comporte un premier (COMP2) et un deuxième (COMP3) comparateur à seuil ainsi qu'une unité de commande (COM) des troisième (S3) et quatrième (S4) commutateurs pour commander les troisième (S3) et quatrième commutateurs (S4) au moins selon le premier et le deuxième mode, le premier (COMP2) et le deuxième (COMP3) comparateurs à seuil recevant à une première entrée un signal représentatif de ladite tension d'entrée (Vin) et à une deuxième entrée un signal représentatif respectivement d'un seuil haut (Ref H) et d'un seuil bas (Ref L) et présentant une sortie de commande appliquée à une entrée de l'unité de commande (COM) pour commander l'unité de commande (COM) selon respectivement ledit

premier mode, et ledit deuxième mode.

8. Convertisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au

moins un dit comparateur à seuil (COMP2, COMP3) est un comparateur à hystérésis.

9. Convertisseur selon une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce

qu'il comporte une commande de commutation à tension nulle à partir de la tension de

la borne commune au troisième (S3) et au quatrième (S4) commutateurs.