FR2478903A1 - Amplificateur magnetique et convertisseur a decoupage equipe d'un tel dispositif - Google Patents

Abstract

AMPLIFICATEUR MAGNETIQUE ET CONVERTISSEUR A DECOUPAGE EQUIPE D'UN TEL DISPOSITIF. L'AMPLIFICATEUR COMPREND UN ENROULEMENT PRINCIPAL, UN ENROULEMENT SECONDAIRE DE REINITIALISATION ET UN NOYAU MAGNETIQUE AMORPHE. IL EST OPERATOIRE A UN FREQUENCE SUPERIEURE A 20KHZ. LE COMMUTATEUR COMPREND UN TRANSFORMATEUR HAUTE FREQUENCE A ENROULEMENT PRIMAIRE COMPRENANT DES MOYENS POUR COMMUTER LE COURANT A UNE FREQUENCE SUPERIEURE A 20 KHZ, UN ENROULEMENT SECONDAIRE AVEC DES MOYENS POUR LISSER ET INTEGRER LA SORTIE DE L'ENROULEMENT SECONDAIRE. LE CIRCUIT SECONDAIRE OU PRIMAIRE COMPREND UN AMPLIFICATEUR MAGNETIQUE SELON L'INVENTION PROPRE A REGULER LA SORTIE DU CIRCUIT SECONDAIRE PAR MODULATION DE LARGEUR D'IMPULSION DU FLUX DE COURANT VERS LES MOYENS DE LISSAGE ET D'INTEGRATION.

Description

L'invention concerne les amplificateurs magnétiques (dénommés aussi

quelquefois bobines saturables) et l'un de ses buts est de fournir un amplificateur magnétique amélioré. L'amplificateur magnétique selon l'invention comprend un enroulement principal, au moins un enroulement secondaire de réinitialisation et un noyau en matériau magnétique amorphe, l'amplificateur étant conçu pour être opératoire à une

fréquence supérieure à 20 Kliz.

L'invention concerne aussi les circuits électriques comprenant un amplificateur magnétique tel que décrit dans le paragraphe précédent; une forme de circuit électrique dans lequel l'amplificateur magnétique peut être utilisé avantageusement est un convertisseur à découpage du type dans

lequel une amenée de courant continu au primaire d'un trans-

formateur haute fréquence est mise en circuit et hors circuit,

par exemple par des commutateurs à semi-conducteurs. Conven-

tionnellement, de tels convertisseurs sont conçus pour être

opératoires à une fréquence qui est typiquement 15-25 KHz.

Usuellement, l'amenée de courant continu est formée en redres-

sant et un filtrant une entrée de courant alternatif du secteur. Le transformateur est équipé d'un ou de plusieurs circuits secondaires dans lesquels la sortie est redressée et intégrée pour fournir un courant continu sensiblement régulier

aux bornes de sortie.

Un circuit de commande à boucle fermée peut être prévu entre le circuit primaire et le circuit secondaire, ou un premier des circuits secondaires s'ils sont plusieurs, pour commander la durée du temps de conduction des commutateurs dans le circuit primaire, afin de maintenir constante la tension de sortie du circuit secondaire. Quand est prévu plus d'un circuit secondaire, la régulation s'étend aux autres circuits secondaires en plus du premier, bien que ceux-ci puissent subir des variations individuelles de tension de sortie provenant de différences entre leurs conditions et les conditions du premier circuit secondaire. Dans ce cas, une régulation additionnelle peut être prévue dans chacun des

circuits secondaires additionnels.

Un autre but de l'invention est de fournir un convertisseur à découpage amélioré dans lequel la régulation de tension est assurée dans le circuit secondaire individuel, ou dans chacun d'entre eux, tout en maintenant une efficacité élevée dans le circuit secondaire ou les circuits secondaires, et en permettant de construire un convertisseur

relativement compact.

La présente invention fournit en outre un convertisseur à découpage qui comprend un transformateur haute fréquence présentant un enroulement primaire dans un circuit primaire propre à être excité par du courant continu et comprenant des moyens pour commuter le courant continu

à une fréquence plus grande que 20 KHz, et au moins un enrou-

lement secondaire compris dans un circuit d'enroulement secondaire comprenant des moyens pour lisser et intégrer la sortie de l'enroulement secondaireppour fournir une tension et une intensité de courant continu relativement régulieres aux bornes de sortie, dans lequel le circuit primaire ou secondaire comprend un amplificateur magnétique équipé d'un noyau en matériau magnétique amorphe conçu pour 8tre opératoire à une fréquence plus grande que 20 KHz et pour réguler ou asservir la sortie du circuit secondaire par modulation de la largeur d'impulsion du flux de courant vers les moyens de lissage

et d'intégration.

Des formes de réalisation de l'invention seront maintenant décrites, à titre d'exemples, en liaison avec le dessin annexé, dans lequel:

- la figure 1 représente une courbe de magnétisa-

tion propre à aider à l'explication de l'invention; - la figure 2 représente une première forme de circuit électrique selon l'invention; et - la figure 3 représente une seconde forme de

circuit électrique selon l'invention.

Dans une première forme avantageuse de réalisation

de l'invention, un amplificateur magnétique (bobine satu-

rable) conçu pour être opératoire à une fréquence supérieure à 20 KHz, comprend un enroulementprincipal et un ou plusieurs enroulements secondaires de réinitialisation, ainsi qu'un noyau en matériau magnétique amorphe. Un tel matériau à une bouclede caractéristique magnétique extrêmement carrée, un rapport de rémanence élevé et une caractéristique coercitive basse, et il est fabriqué usuellement par le traitement spécial d'aliagesde métaux fereux, tels que le fer, le nickel et le cobalt. La figure 1 représente schématiquement la courbe caractéristique de magnétisation du noyau (sur le graphique, la courbe de magnétisation initiale a été omise pour plus de clareté). Quand la tension appliquée à l'enroulement principal est réduite à zéro (et si l'on considère qu'il n'y a pas de tension aux bornes des enroulements de réinitialisation) le flux induit B dans le noyau a sa valeur de rémanence Bu Le point A sur la courbe représente le point de saturation idéale auquel la force H de magnétisation a une valeur Rs et induit le flux B de saturation idéales S'il y a un accroissement de courant provoquant le dépassement de Hs par la force de magnétisation, alors le noyau est amené dans une région de post-saturation au-delà du point A et il y a un léger accroissement (habituellement

négligé) du flux magnétique au-dessus de la valeur Bs de sa-

turation idéale. Le gradient en un point quelconque sur ce tracé t c'està-dire AB/ AH, représente la perméabilité du

matériau en ce point, et la caractéristique magnétique repré-

sentée par le gradient du tracé à la droite du point A,

comme représenté, peut être dénommée avantageusement perméa-

bilité de post-saturation.

Dans une forme de réalisation préférée de l'inventions le matériau magnétique amorphe doit Otre choisi de manière à présenter les caractéristiques suivantes, toutes mesurées à une fréquence de 35 KHz: (1) -la durée nécessaire pour la saturation du noyau doit être aussi courte que possible et, étant donné que cette durée dépend de la différence entre le flux magnétique à la saturation idéale, c'est-à-dire B5, et du flux magnétique pour une intensité de champ magnétique nulle, c'est-à- dire la rémanence BR, le rapport BR/BS doit être aussi proche de 1 que possible, au moins plus grand de 0,7 et de préférence plus

grand que 0,9; -

(2)_ l'impédance de l'enroulement principal de l'amplificateur magnétique, quand le noyau est saturé, doit être aussi petite que possible, de sorte que, au-delà du point A, pour des valeurs élevées de l'intensité du champ magnétique, le rapport existant entre le flux magnétique induit et la rémanence BR ne doit pas 8tre de beaucoup inférieur au rapport BR/BS cidessus, et ceci est au mieux défini en se référant à la perméabilité de post-saturation AB/AH qui doit Otre inférieure à 1000 et de préférence inférieure à 700 pour une intensité de flux magnétique de H = 1 ampèretour par cm, o le flux B est mesuré en Tesla; (3)- pour le courant de magnétisation minimal, l'inductance de pré-saturation de l'enroulement principal de l'amplificateur magnétique doit Otre aussi élevée que possible de sorte que la perméabilité AB/AH pour un flux magnétique B = 0 doit Otre aussi élevée que possible, au moins plus grande que 50.000 et de préférence plus grande que 100.000 ou même 500.000 en utilisant comme unités le Tesla et l'ampère-tour par cm; et (4)- le fcv,: r' coercitif. du noyau doit être ^fé- afin que les pertes de puissance haute fréquence du noyau soient maintenues inférieures k 100 watts par Kg de matériau du noyau pour un cycle de magnétisation présentant un flux

magnétique maximum B = 0,4 Tesla.

La figure 2 représente un convertisseur à découpage dans lequel une entrée de secteur en courant alternatif est alimentée en 10 à un circuit 11 de filtrage et de redressement qui fournit un courant cotinu de haute tension (par exemple 310 volts quand on utilise un secteur de courant alternatif en 240 volts) à un circuit 12 de commutation conçu pour être opératoire à une fréquence qui est typiquement 50 ou 75 KHz (mais qui pourrait être aussi basse que 20 ou 25 KHz ou aussi élevée que 200 KHz) et qui est connecté dans un circuit primaire qui comprend l'enroulement primaire P d'un

transformateur T pouvant fonctionner à cette haute fréquence.

Le circuit est conçu pour 8tre opératoire selon un rapport

cyclique régulier.

Le transformateur T comprend un enroulement secondaire Si1 dans un circuit secondaire qui comprend des diodes Dl et D2,uneinductance LI et une capacité Cl propres -à redresser et à intégrer la sortie en onde carrée de l'enroulement secondaire Sl, pour fournir une sortie OP de courant continu relativement régulière aux bornes de sortie. L'énergie est transformée à partir du circuit primaire vers le circuit secondaire pendant l'état fermé

du circuit de commutation 12.

La diode Dl est connectée en série à l'enroulement principal L2 d'un amplificateur magnétique conçu pour appliquer une régulation de tension à la sortie en courant continu, au moyen d'une modulation de largeur d'impulsion

de la manière décrite ci-dessous.

L'amplificateur magnétique a un noyau en matériau magnétique amorphe, comme décrit précédemment en

liaison avec la figure 1.

En partant de l'instant o la fin F de l'enrou-

lement secondaire Si change de positive en négative, la diode Dl devient conductrice pour appliquer la tension totale d'enroulement secondaire à l'enroulement principal L2 de l'amplificateur magnétique. Si l'enroulement de réinitialisation de l'amplificateur n'a pas été excité, l'amplificateur fonctionne à proximité de sa condition de saturations de sorte que très peu de temps après l'application de la tension à l'enroulement L2, son noyau est saturé et un courant important circule dans le circuit d'intégration Li et Cl. Ceci fournit une largeur d'impulsion maximale et donc une tension de sortie maximale. Pendant la courte durée au cours de laquelle le noyau est en saturation, seulement un petit courant circule

dans l'inducteur LI, ce courant étant le courant de magnéti-

sation du noyau.

Cependant, si durant la période de coupure de Dl, l'enroulement de réinitialisation de l'amplificateur a été préalablement excité par le courant circulant à travers la diode 1)3, le noyau aura alors été ramené du voisinage de sa valeur saturée positive vers sa valeur saturée négative. Il en résulte que le flux de courant dans le circuit d'intégration Li et Cl est retardé d'une durée dépendant du

chemin parcouru par le noyau vers sa position.de réinitiali-

sation, réduisant ainsi la largeur d'impulsion.

Si le noyau a été complètemeait ramené à 1' état initial cours de la période de coupure Dl, alors, quand Dl est amené à l'état conducteur, le produit tension temps n'est pas assez long pour amener le noyau de l'amplificateur à saturation et le courant circulant dans le circuit Ll et Cl a une faible valeur déterminée par l'inductance de l'enroulement L2,

c'est-à-dire seulement le courant de magnétisation.

La tension et l'intensité de sortie du convertis-

seur peuvent ainsi 9tre commandées par l'amplificateur magnétique exerçant une commande de largeur d'impulsion sur le flux de

courant vers le circuit Llet Cl.

Dans le circuit représenté sur le dessin, l'enrou-

lement de réinitialisation commandé par un circuit de commande 13

excité par la diode D4 connectéeà l'enroulement secondaire Si.

La régulation de tension est réalisée au moyen de l'ampli-

ficateur Ai connecté à la sortie de courant continu et à une tension de référence REF 1,de sorte q-ue quand la tension de

sortie en courant continu atteint le niveau requis, l'ampli-

ficateur Ai est opératoire par la didtle D6 sur le circuit 13 pour provoquer l'éntrainement du noyau de l'amplificateur magnétique dans la direction de la saturation négative, quand le point F est positif, d'une valeur nécessaire pour maintenir

constante la tension de sortie en courant continu.

L'action de limitation du courant est assurée par un autre amplificateur A2 connecté à une résistance Rl en série dans la sortie de courant continu etparune tension de référence REF2. Quand le courant de sortie dépasse un maximum prédéterminé et est détecté par la tension aux bornes de la résistance Rî l'amplificateur A2 agit par la diode porte D7

pour provoquer la commande par le circuit 13 du courant circu-

lant dans l'enroulement de réinitialisation, pour empocher

l'accroissement ultérieur du courant de sortie.

Une protection contre les surtensions est assurée par un amplificateur A3 connecté à une tension de référence REF3 et pilotant la tension de sortie en courant continu. Dans l'éventualité d'une condition de surtension, l'amplificateur A3 devient conducteur pour rendre opératoire le thyristor (SCR) qui -a, deux actions. Premièrement le courant maximum circule dans l'enroulement de réinitialisation de

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l'amplificateur magnétique pour réduire le courant de sortie à

une valeur minimale, deuxièmement, la mise en condition conduc-

trice de la diode D5 est provoquée afin de décharger la capacité Cl de sortie et ainsi de maintenir la tension de sortie à proximité de zéro. Pour prévoir l'éventualité de la panne des trois dispositifsun fusible est prévu pour déconnecter le circuit d'entrée. Des tensions opératoires pour les amplificateurs Al, A3 et les références REF1 et REF3

sont dérivées au moyen de la diode D4.

On doit noter que la totalité du circuit secon-

daire, y compris ses commandes, est excité seulement à partir de la sortie de l'enroulement secondaire, sans nécessiter

d'enroulements auxiliaires séparés.

On comprendra qu'un ou plusieurs circuits secon-

daires additionnels peuvent Otre associés au m9me ou à

des enroulements secondaires additionnels sur le transformateur.

La figure 3 représente une autre forme de réali-

sation du convertisseur à découpage conçu pour être

opératoire dans le mode avec retour du signal, four-

nissant deux sorties OP1 et OP2.

Une entrée de secteur en courant alternatif est amenée à un circuit 21 de filtrage et de redressement qui fournit un courant continu haute tension (par exemple 310 volts) à un-circuit primaire qui comprend l'enroulement primaire P d'un transformateur T et un commutateur de puissance TR1 à semi-conducteurs. Le circuit 21-fournit aussi des sources de puissance auxiliaires à un générateur 22 d'onde carrée opératoire selon un rapport cyclique régulier, et conçu pour commander le commutateur TR1 à une fréquence semblable à celle décrite avec référence au circuit de la

figure 2.

En fonctionnement, le commutateur de puissance TR1 fournit des impulsions de puissance au transformateur T et de l'énergie est transférée aux sorties OPI et OP2 par une action de retour en passant par les enroulements secondaires S1 et S2 du transformateur T, et.les composants de filtrage et de redressement Dll Cll, et D12 C12 associés respectivement

aux deux circuits secondaires.

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L'enroulement principal LMI d'un amplificateur magnétique est connecté en série entre la base du commutateur

de puissance TR1 et le générateur 22 d'onde carrée. L'ampli-

ficateur magnétique a deux enroulements deréinitialisation L12 et L13 et comprend un-noyau en matériau magnétique amorphe, tel que décrit en liaison avec le circuit représenté k la

figure 2.

Quanid le noyau de l'amplificateur magnétique est saturé, la largeur maximale d'impulsion que l'on peut obtenir (par exemple 50%) est appliquée au commutateur de puissance TR1

et les sorties OP1 et 0P2 sont maximales.

Les enroulements de réinitialisation L12 et L13 peuvent être utilisés pour fournir une commande de protection en ramenant le noyau hors de la saturation, comme décrit précédemment et en commandant ainsi la largeur d'impulsion opératoire pour commander le fonctionnement du commutateur de

puissance TR1. -

De nombreuses fonctions de commande peuvent être appliquées, mais dans l'exemple représenté k la figure 3, l'amplificateur All est utilisé pour comparer la tension k la sortie OP1 avec la référence REF et pour appliquer un signal de commande k l'enroulement de réinitialisation L12, afin de limiter la tension k la sortie OPl. L'amplificateur A12 est utilisé pour prélever le courant de sortie circulant par la résistance R11 et pour appliquer un signal de commande k l'enroulement de réinitialisation L12 afin de limiter le courant k la sortie 0P2. On comprendra que si le circuit fonctionne de manière k limiter la tension ou courant à une

sortie, l'autre sortie est alors aussi affectée.

Une action similaire, mais dans un mode de shunt, peut 4tre obtenue en interchangeant l'enroulement principal Lll

de l'amplificateur magnétique et la résistance R11.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Amplificateur magnétique caractérisé en ce

qu'il comprend un enroulement principal, au moins un enrou-

lement secondaire de réinitialisation et un noyau en matériau magnétique amorphe, et en ce qu'il comprend des moyens pour

Otre opératoire à une fréquence supérieure à 20 OHz.

2. Amplificateur magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau magnétique amorphe a les caractéristiques suivantes, mesurées à une fréquence de 34 KHz: (1)_ un rapport de rémanence BR/BS plus grand que 0,7, o B. est la rémanence et BS le flux magnétique ' la saturation idéale; (2)- une perméabilité de post-saturation AB/ AH inférieure à 1000, quand elle est mesurée pour une intensité de champ magnétique de H = 1 ampère-tour par cm, o le flux B est mesuré en Tesla; (3)- une perméabilitéA B/Ai supérieure ' 50.000, quand elle est mesurée pour un flux magnétique B = 0, les unités étant le Tesla et l'ampère-tour par cm; et (4)- un pouvoir coercitif tel que les pertes de puissance haute fréquence du noyau sont inférieures à 100 watts par kg de matériau du noyau, mesurée pour le flux maximum de

0,4 Tesla.

3. Amplificateur magnétique selon la revendication 2,

caractérisé en ce que B./B5 est supérieur a 0,9.

4. Amplificateur magnétique selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que AB/A H est inférieur à 700 pour

H = 1 ampère-tour par cm.

5. Amplificateur magnétique selon l'une quelconque

des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que AB/ AH est

supérieure à 100-000 pour B = 0.

6. Amplificateur magnétique selon l'une quelconque

des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que AB/ AH est

supérieur à 500.000 pour B = 0.

7. Convertisseur à découpage, caractérisé -en ce qu'il comprend un transformateur haute fréquence comprenant un enroulement primaire dans un circuit primaire propre à 8tre excité par un courant continu et comprenant des moyens pour commuter le courant continu à une fréquence supérieure à 20 KHz, au moins un enroulement secondaire compris dans un circuit d'enroulement secondaire comprenant des moyens pour lisser et intégrer la sortie de l'enroulement secondaireet fournir une tension et une intensité de courant continu relativement régulières aux bornes de sorties, et en ce que le circuit primaire ou-secondaire comprend un amplificateur magnétique

selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et propre à

réguler la sortie du circuit secondaire par modulation de largeur d'impulsion du flux de courant vers les moyens de

lissage et d'intégration.

8. Commutateur convertisseur de mode selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'amplificateur

magnétique est connecté dans le circuit d'enroulement secon-

daire et est propre à réguler la sortie du circuit secondaire

par modulation de largeur d'impulsion de la sortie de l'enrou-

lement secondaire.

9. Commutateur convertisseur de mode selon la

revendication 7, caractérisé en ce que l'amplificateur magné-

tique est connecté dans le circuit primaire et est conçu pour réguler la sortie-du circuit secondaire par modulation de

largeur d'impulsion du courant dans le circuit primaire.

10. Commutateur convertisseur de mode selon l'une

quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que,

dans les conditions opératoires normales, le convertisseur est conçu pour être opératoire à la largeur d'impulsion maximale avec saturation du noyau de l'amplificateur magnétique pendant

chaque période active ou de mise en circuit.