FR2535543A1

FR2535543A1 - Convertisseur a commande alimentee par un circuit d'aide a la commutation

Info

Publication number: FR2535543A1
Application number: FR8218238A
Authority: FR
Inventors: Klaus Rischmuller
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1982-10-29
Filing date: 1982-10-29
Publication date: 1984-05-04

Abstract

DANS UN CONVERTISSEUR COMPRENANT UN TRANSISTOR PRINCIPAL 10 ASSOCIE A UNE CHARGE 20 ET A UN CIRCUIT DE COMMANDE 30, IL EST PREVU D'UTILISER L'ENERGIE STOCKEE DANS LES CIRCUITS D'AIDE A LA COMMUTATION A L'OUVERTURE 70 ET A LA FERMETURE 80 POUR ALIMENTER DIRECTEMENT LE CIRCUIT DE COMMANDE 30. ON EVITE AINSI DE PREVOIR UN CIRCUIT D'ALIMENTATION PARTICULIER, COUTEUX ET DISSIPATEUR DE CHALEUR.

Description

CONVERTISSEUR A COMMANDE ALIMENTEE PAR UN CIRCUIT D'AIDE AIDE
A LA COMMUTATION.

La présente invention concerne de façon générale les convertisseurs à -transistors dont la fonction premiere est de hacher une tension continue ou une tension alternative redressee.

Cette tension peut par exemple être hachée à fréquence constante avec un facteur de forme variable la frequence constante étant de l*ordre de 10 à 100 Idlz. De tels dispositifs permettent par exemple apres une etape de redressements de transformer une ten son continue en une autre tension continue de moindre valeur. Ils servent egalement de variateurs anergie ou peuvent etre utilises eomse element d'une source å fréquence variable. On ne reviendra pas ici sur ces diverses applications et tous les dispositifs de ce type seront appeles ci-apres convertisseurs.

La figure 1 represente, partiellement sous forme de blocs, les sous-systemes principaux d'un convertisseur a transistor classique. Ce convertisseur comprend un transistor de puissance 10 connecte par l'intermediaire d'une charge 20 à une source d'alimentation positive constitue d'une tension continue ou d'une tension alternative redressee +VA. Un circuit de commande 30 permet de mettre en conduction et de couper le transistor 10 à un rythme choisi, eventuellement variable.

Le circuit de commande 30 qui doit fournir un courant de base au transistor de puissance est alimente par un circuit d'alimentation 40 relie à une source de tension generalement alternative V. La source d'alimentation 40 fournit une ou plu- sieurs tensions de polarités identiques ou distinctes. En parallèle avec la charge 20, d'une façon connue, et pour faciliter la commutation, on trouve généralement une diode D, dite diode roue libre.

En outre, quand la tension VA devient- importante (supérieure par exemple à 200 volts) et que la puissance consommée est egalement élevée (supérleure par exemple à quelques centaines de watts), on trouve également des circuits d'aide à la com mutation, à savoir un circuit d'aide à la commutation à l'ouverture 50 et un circuit d'aide à la commutation à la fermeture 60. Ces circuits sont connus en eux-mêmes. On rappellera ci-après leur fonctionnement en relation avec une description de circuits particuliers (voir figure 4 et figure 5) donnée à titre d'exemple.

Parmi les divers blocs représentés en figure 1 :
- la charge 20 est generalement équivalente au montage en série d'une resistance et d'une inductance de forte valeur,
- le circuit de commande 30 peut etre choisi parmi de nombreux circuits de commande connus et n'est pas concerne par la présente invention sauf en ce qui concerne son alimentation,
- la source d'alimentation 40, qui permet de passer de la tension du réseau V à une tension d2alimen'ation de l'ordre de la dizaine de volts, est généralement réalisée par des circuits du type de l'un ou l'autre de ceux representes en figures 2 et 3.

a figure 2 représente une source .d'alirntation munie d'un transformateur abaisseur de tension 41 connecte à un pont redresseur 42. Des circuits intégrateurs de lissage, comprenant des condensateurs respectifs 43 et 44 et des résistances respectives 45 et 46, connectés au point milieu du secondaire du transformateur et entre ce point milieu et la borne positive ou la borne négative du pont redresseur permettent d'obtenir aux bornes de diodes Zener Z stabilisatrices de tension des tensions positi ves ou négatives par rapport à une tension de référence Ref. Dans un tel circuit d'alimentation, les pertes dans les résistances 45 et 46 sont peu importantes, mais un inconvénient fondamental réside dans l'existence du transformateur 41 qui est un élément coûteux, fragile et encombrant.

La figure 3 représente un circuit de source d'alimentation sans transformateur. Aux bornes d'un pont redresseur 42 connecté directement à-la tension V du réseau, est placé un circuit comprenant de la façon représentée dans la figure des condensateurs 47 et 48 et une résistance 49. La tension d'alimentation aux bornes du condensateur 48 est fixée par une diode Zener Z.

Un premier inconvénient d'un tel circuit réside dans la difficulté qu'il y a à obtenir des tensions d'alimentation en sortie positives ou négatives par rapport à une référence. Un autre inconvénient principal réside dans le fait qu'une dissipation importante se produit dans la résistance 49. En effet, si l'on considère des ordres de grandeur pratique, la tension d'alimentation V est la tension disponible sur le réseau, par exemple 220 volts, alors que la tension que l'on cherche à obtenir comme tension d'alimentation pour le circuit de commande est de l'ordre de 5 à îo volts. Ainsi, la résistance 49 voit à ses bornes la plus grande partie de la tension V redressée.Cette résistance 49 est choisie d'une valeur propre à fournir le courant choisi, par exemple dix milliampères, pour la plus faible valeur possible de V. irais, selon les pays et les fluctuations des tensions d'alimentation, V peut avoir une valeur double de la tension pour laquelle on obtient le courant minimal choisi ; alors, le courant dans la résistance 49 sera également double du courant nominal.

Dans de tels cas, on peut arriver à des dissipations de l'ordre de 5 à 10 watts dans cette résistance. Outre l'inconvénient général d'augmentation de la consommation électrique, ceci présente l'inconvénient que de la chaleur est dissipée dans la résistance 49 au voisinage du convertisseur.

Le circuit d'aide à la commutation à l'ouverture 50 connecte entre le collecteur et ltémetteur du transistor de puissance 10 directement ou par l'intermédiaire de moyens à faible impedance est classiquement du type représenté en figure 4. Il comprend un condensateur C1 en serine avec une diode D19 cette diode étant en parallèle avec une résistance R. Le but de ce circuit est de dériver vers le condensateur Cl le courant dans le transistor pendant l'ouverture de celu-i-ci. Quand un signal sur la base du transistor initialise son ouverture, le courant tend a diminuer et du courant est dérivé par le condensateur C1 vers la masse (ou ltémetteur) par l'intermédiaire de la diode Dl. Ainsi, le courant dans la charge reste sensiblement constant pendant que le condensateur C1 se charge et la tension aux bornes du transistor n'augmente pas immediatement. On évite donc, pendant la com mutation, l'apparition simultanée d'un courant et d'une tension importants dans le transistor et on limite fortement la dissipation dans le transistor lors de la commutation. L'énergie qui aurait été dissipée dans le transistor est stockée dans le condensateur C1. Pendant que le transistor est ouvert, le condensateur C1 ne se décharge pas ou peu à travers la charge qui est parcourue par un courant selfique circulant dans la boucle constituée avec la diode roue libre D représentée en figure 1. La décharge du condensateur C1 a seulement lieu lors de la prochaine fermeture du transistor par l'intermédiaire de la résistance R.

Un exemple de circuit d'aide à la commutation à la fermeture 60 est illustré en figure 5. Ce circuit comprend essentiellement une inductance L de faible valeur qui limite la rapidité de croissance du courant dans le transistor lors de la fermeture. On évite ainsi des surintensités qui peuvent intervenir pour diverses raisons et notamment du fait de la décharge du condensateur C1 du circuit d'aide à la commutation à 11 ouverture 50.

I1 convient qu'aucune énergie ne soit stockée dans l'inductance L au moment de l'ouverture qui suit la fermeture pendant laquelle de l'énergie a été stockee dans cette inductance. Pou cela, il est prévu en parallèle sur cette inductance une resistance r et une diode d.

La présente invention se base sur une analyse de ces sous-systèmes 10 à 60 et D constituant un convertisseur classique et a pour objet de supprimer la source d'alimentation spécifique 40 pour le circuit de commande 30. Pour ce faire, la présente invention prévoit de modifier les circuits d'aide à la commutation de façon à en extraire une partie de l'énergie stockée et de s'en servir pour alimenter des condensateurs pouvant servir ensuite de source d'alimentation.

Ainsi, la présente invention prévoit un convertisseur comprenant un transistor de puissance commandé en commutation périodique par un circuit de commande, un circuit d'aide à la commutation à l'ouverture permettant de deriver le courant de charge pendant la coupure du transistor, ce convertisseur comprenant également des moyens d'alimentation pour alimenter le circuit de commande à partir de l'énergie stockée dans le circuit d'aide à la commutation à l'ouverture.Eu outre, l'invention prévoit, si un circuit aide à a la commutation à la fermeture est compris dans le convertisseur, des moyens pour alimenter le circuit de commande à partir de l'énergie stockée dans ce circuit d'aide à la commutation à la fermeture
Dans le cas d'un circuit d'aide a la commutation a l'ouverture comprenant un premier condensateur associe à une branche de charge, active pendant l'ouverture du transistor, et à une branche de de charge, active pendant la fermeture du transistor, le premier condensateur et ses branches de charge et de de charge étant sensiblement en parallèle sur le transistor, les moyens d'alimentation comprennent au moins un deuxième condensateur place dans au moins l'une des branches
Ces objets, caracteristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposes plus en detail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles
- les figures 1 a 5 representatives de le état de la technique et décrites précédemment représentent respectivement un echema sous forme de blocs des sous-systemes principaux consti tant un convertisseur 9 un premier mode de réalisatlon de source dsallmentation ;; un deuxième mode de réalisation de source d'alimentation 9 un circuit classique d'aide a la commutation à l'ouverture et un circuit classique d'aide a la commutation à la fermeture,
- la figure 6 représente sous forme de blocs un convertisseur selon la présente invention,
- la figure 7 représente un mode de réalisation de circuit d'aide à la commutation à l'ouverture et d'alimentation,
- la figure 8 représente un autre mode de réalisation de circuit d'aide à la commutation 9 l'ouverture et d'alimentation,
- la figure 9 représente un troisième mode de reallsation de circuit d'aide a la commutation à l'ouverture et d' alimentation,
- la figure 10 represente un mode de réalisation d'un circuit d'aide a la commutation à la fermeture et d'alimentation,
- la figure 11 représente un circuit selon la présente invention combinant des circuits d'aide à la commutation a -'ouverture et à la fermeture et d'alimentation,
- la figure 12 représente des courbes indiquant la puissance disponible pour l'alimentation d'un circuit de commande de base quand on utilise des circuits selon la présente invention.

La figure 6 represente sous forme de bloc la configuration générale d'un convertisseur selon la présente invention. On retrouve dans la figura 6 le transistor de puissance 10, la charge 20, le circuit de commande 30 et la diode roue libre
D illustres en figure 1. La différence essentielle entre le circuit selon l'invention et le circuit selon l'art antérieur est que, dans le circuit selon 11 invention, le bloc d'alimentation 40est supprime et remplacé par des alimentations en provenance de circuit d'aide à la commutation à l'ouverture 70 et 2 la fermeture 80 modifiés par rapport aux circuits classiques 58 et 60 i1Qustrés en figure 1.

La figure 7 représente un premier wode de réalisation de circuit d'aide à la commutation a l'ouverture et d'alimentation 70 selon la présente invention. Ce circuit comprend un condensateur C1 associe à une branche de charge comprenant en série une diode D1 et un condensateur C2 et une branche de décharge comprenant une diode D2 et une résistance R. Volontairement, de mimes réferences ont été utilisées pour les éléments C1, D1 et R en figure 7 et en figure 4 car ces éléments ont des fonctions analogues et des valeurs du même ordre de grandeur dans les deux cas.

La diode D1 est polarisée de façon à ce que la branche C1, D1, C2 constitue une branche de charge pour le condensateur C1 et le condensateur C2 quand le courant traversant le transistor 10 décroît lors d'une ouverture de ce transistor. La diode D2 est polarisée de façon à ce que la branche Cl, D2, R constitue une branche de décharge du condensateur C1 lors d'une fermeture du transistor de puissance. Une fois que le condensateur C2 a été chargé, il ne peut se décharger dans la boucle C2, R, D2, D1 en raison de la polarisation choisie pour les diodes D1 et D2. Ce condensateur C2 constitue donc un condensateur réservoir à partir duquel il est possible d'alimenter le circuit de commande.De préférence, une diode Zener Z est placée en parallèle avec le condensateur C2 pour fixer la valeur de la source d'alimentation. Si l'on cherche à avoir des tensions d'alimentation de l'ordre de 10 volts et que la tension +VA appliquée à la charge est de l'ordre de 200 volts, C2 sera sensiblement égal à 20C1 et C1 doit bien avoir sensiblement la même valeur que si C2 n'existait pas. Le condensateur C2 de forte valeur, mais toujours soumis à une polarisation de même sens, sera de préférence un condensateur électrolytique. Avec les choix présentés précédemment et une tension VA positive appliquée à la charge, la tension disponible aux bornes de C2 est positive par rapport a la tension de référence Ref; voisine de la tension d'émetteur du transistor 10.

ta figure 8 représente un deuxième mode de réalisation de la présente invention permettant d'obtenir une tension négative par rapport à une tension de référence. On retrouve le condensateur C1 associé à une branche de charge comprenant une diode D1 et à une branche de décharge comprenant en série une diode D2, une résistance R et un condensateur C3. Fendant l'ouverture du transistor de puissance, le condensateur Cl se charge mais pas le condensateur C3.C'est seulement lors de la fermeture suivante du transistor principal et de la de charge du condensateur C1 que le condensateur C3 se charge à travers la résistance R et la diode D20 Ensuite, les charges accumulées sur le condensateur C3 sont piégées en raison de la polarisation des diodes Dl et- D2. On obtient donc aux bornes du condensateur C3 une tension négative par rapport à la tension de réference. Cette tension est de préférence fixée par la prévision d'une diode Zener Z en parallèle sur le condensateur C3 qui peut être un condensateur eleetrolytique.

la figure 9 représente un circuit selon la pressente
Invention combinant les circuits selon les premier et second modes de réalisation précédemment decrits pour permettre l'obtention de tensons d'alimentation positives ou négatives par rapport à une tension de reference. te condensateur Cl est dans ce cas associé à une branche de charge comprenant la diode D1 et le condensateur C2 et à une branche de décharge comprenant la diode D2, la résistance
R et le condensateur C3. ta charge du condensateur C2 est completée pendant les périodes de charge du condensateur C1, c'esta-dire d'ouverture du transistor de puissance, et le condensateur C3 se recharge pendant les périodes de décharge du condensateur C1, c'est-à-dire de fermeture du transistor principal.

Comme dans les cas précédents, on peut associer aux condensateurs
C2 et C3 des diodes Zener Z en parallèle pour fixer les tensions d'alimentation positive et négative disponibles aux bornes de ces condensateurs.

Bien entendu, pour le calcul des divers éléments, on tiendra compte des connaissances acquises dans le domaine des circuits d'aide à la commutation à l'ouverture et notamment la constante de temps RC1 ou R(C1 + C3) sera choisie pour que le condensateur C1 se décharge complètement pendant les périodes de fermeture du transistor de puissance.

La figure 10 représente un mode de réalisation de la présente invention selon lequel on utilise un circuit d'aide à la commutation à la fermeture modifie 80 comme source d'alimentation.

De même que le circuit de la figure 5, ce circuit comprend l'inductance L destinée à limiter la vitesse de montée en courant à la fermeture. Cette inductance L est en parallèle avec une diode d et un condensateur C4 aux bornes duquel, à la suite de chaque ouverture, se trouve transférée l'énergie retenue par l'inductance.

La figure 11 représente un autre mode de réalisation de la présente invention dans lequel on utilise simultanément des circuits d'aide à la commutation a l'ouverture et à la fermeture comme source d'alimentation. Le circuit de la figure 11 constitue en quelque sorte une superposition des circuits des figures 9 et 10. Plus particulièrement, on y retrouve très exactement le circuit de la figure 9 dans lequel les mêmes éléments sont désignés par de mêmes références.Pour le circuit de la figure 10, on retrouve l'inductance L, la diode d, mais on remarquera qu'au lieu d'utiliser un condensateur supplémentaire C4, c'est le con densateur C2 du circuit de la figure 10 qui accumule les charges fournies par le circuit d'aide â la commutation à la fermeture et par le circuit d'aide a la commutation à 11 ouverture.

De façon générale, on trouve plus souvent des circuits d'aide à la commutation a l'ouverture associés à des convertisseurs que des circuits d'aide à la commutation a la fermeture.

Ainsi, on trouvera plus souvent des circuits selon la pressente invention utilisant des circuits d'aide à la commutation à l'ouverture que des circuits d'aide a la commutation à la fermeture modifies pour servir de source d'alimentation. Néanmoins, on notera l'înteret d'utiliser simultanement un circuit d'aide à i commutation à l'ouverture et un circuit d'aide a la commutation a la fermeture modifies comme source d'alimentation.Cet intérêt ressort des courbes de la figure B2 12 dans laquelle
la courbe 90 qui est sensiblement une droite horizontale indique que la puissance disponible aux bornes d'un circuit d'aide a la commutation à l'ouverture modifie selon l'invention ne dépend pratiquement pas de la puissance de sortie, c'est-à-dire du courant de sortie, pour une tension d'alimentation VA et une frequence de découpage determinées En effet, cette puissance repend essentiellement de la tension d'alimentation
- la courbe 91 indique la puissance nécessaire pour commander la base du transistor de puissance 10 en fonction de la puissance de sortie.Cette puissance nécessaire augmente quand la puissance de sortie, c'est-à-dire le courant de collecteur du transistor principal, augmente.

Ainsi, au-dela du point de croisement des courbes 90 et 91, toutes choses egales d'ailleurs, la puissance fournie par une alimentation associée a un circuit d'aide à la commutation a l'ouverture s'averse insuffisante Il est bien entendu possible de surdimensionner ce circult d'alimentation, mais cela n'est souvent pas souhaitable.

- La courbe 92 indique la puissance disponible sur un circuit d'alimentation selon l'invention associé à un circuit d'aide a la commutation à la fermeture. Cette puissance varie avec la puissance de sortie ; en effet elle dépend essentiellement du courant collecteur-émetteur traversant le transistor de puissance.

De façon générale, cette puissance est insuffisante pour de faibles courant de collecteur, ctest-à-dire pour de faibles puissances de sortie.

- La courbe 93 indique la superposition des courbes 90 et 92, cSest-à-dire la puissance disponible a la sortie de circuits d'alimentation associés à des circuits laide à la commutation à 11 ouverture et a la fermeture. On voit que cette courbe 93 reste facilement toujours suprieure à la puissance nécessaire pour alimenter la base représentée par la courbe 91.

On notera de surcrott que des calculs et ltexpérience montrent que, pour des conditions usuelles de fonctionnement d'un convertisseur, la puissance dissipée dans cette résistance R (figures 7, 8, 9, 11) lors de la fermeture, ctestUa-dire la puissance stockée dans le condensateur C est sensiblement la meme que la puissance dissipée dans la résistance 49 de la figure 3.

Ainsi, le dispositif selon l'invention aura les memes performances qu'une alimentation classique sans transformateur en réduisant les pertes thermiques environ de moitie.

Bien entendu, la prenante invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications. tes divers modes de réalisation particuliers illustres peuvent être superposés. Ils peuvent être également modifiés de façon classique pour prévoir leur association avec d'autres circuits classiques utilises en relation avec des transistors de puissance. De plus, on pourra prévoir des moyens auxiliaires pour faciliter l'alimentation de base au démarrage du circuit de commande alors que les circuits selon la présente invention associant des circuits d'aide à la commutation et une alimentation peuvent dans certains cas fournir -une puissance initiale insuffisante pour alimenter le circuit de
commande 30.

Claims

REVENDICATIONS.

1. Convertisseur comprenant un transistor de puissance (10) commande en commutation périodique par un circuit de commande (30), un circuit d'aide à la commutation à l'ouverture (70) permettant de dériver le courant de charge pendant la coupure du transistor, caractérisé en ce qutil comprend des moyens d'alimentation pour alimenter le circuit de commande a partir de l'énergie stockée dans le circuit d'aide à la commutation a l'ouverture.

2. Convertisseur selon la revendication 1 comprenant en outre un circuit d'aide à la commutation à la fermeture, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour alimenter le circuit de commande à partir de l'energie stockée dans le circuit d'aide à la commutation à la fermeture

3.Convertisseur selon la revendication 1 dans lequel le circuit d'aide à la commutation a- l'ouverture comprend un premier condensateur C1 associé a une branche de charge (D1...) à très faible constante de temps, active pendant l'ouverture du transistor, et à une branche de decharge (D2...), active pendant la fermeture du transistor, le premier condensateur et ses branches de charge et de décharge étant sensiblement en parallèle avec le transistor, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation comprennent au moins un deuxième condensateur (C2, C3) place dans au moins l'une des branches de charge ou de décharge.

4. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les circuits d'aide a la commutation a l'ouverture-et les moyens d'alimentation comprennent, entre des bornes reliées au collecteur et a l'émetteur du transistor de puissance, la conne'ion an serin d'un premier condensateur (Cl), d'une première diode (D1) polarisée pour conduire dans le meme sens que le tran s-stor et d'un deuxième condensateur (C2), le point de connexion entre le premier condensateur et la premiere diode étant relié a une borne externe du deuxieme condensateur par l'intermédiaire de la connexion en série d'une résistance (R) et d'une deuxième diode (D2) polarisée à l'inverse de la première.

5. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le deuxième condensateur est du type électrolytique.

6. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une diode stabilisatrice de tension (Z) est disposée en parallèle avec le deuxième condensateur.

7. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit d'aide à la commutation à l'ouverture et les moyens d'alimentation comprennent, entre des bornes reliées au collecteur et à l'metteur du transistor de puissance, la connexion en série d'un premier condensateur (C1) et d'une première diode (D1) polarisée pour conduire dans le même sens que le transistor, le point de connexion entre le premier condensateur et la première diode étant connecté à l'autre borne de la première diode par l'intermédiaire de la connexion en série d'une deuxième diode (D2) polarisée à l'inverse de la première, d'une résistance (R) et d'un troisième condensateur (C3) aux bornes duquel la tension d'alimentation est disponible.

8. Convertisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le troisième condensateur est du type électrolytique.

9. Convertisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une diode stabilisatrice de tension (Z) est disposée en parallèle avec le troisième condensateur.

10. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit d'aide à la commutation à l'ouverture et les moyens d'alimentation comprennent, entre des bornes reliées au collecteur et à l'émetteur du transistor de puissance, la connexion en série d'un premier condensateur (C1), d'une première diode (D1) polarisée pour conduire dans le meme sens que le transistor, et d'un second condensateur (C2), le point de connexion entre le premier condensateur et la première diode étant relié à la borne externe du deuxième condensateur par l'intermédiaire de la connexion en série d'une deuxième diode (D2) polarisée à l'inverse de la première, d'une résistance (R) et d'un troisième condensateur (C3).

11. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit d'aide a la commutation à la fermeture et les moyens d'alimentation comprennent une inductance (L) de faible valeur en série avec le transistor et, en parallele sur cette inductance, une diode (d) et un condensateur (C4) aux bornes duquel est disponible la tension d'alimentation.

12 Convertisseur comprenant un transistor de puissance commande en commutation periodique par un circuit de commande, caractérisé en ce qu > il comprend en combinaison des moyens selon las revendications 3 et 11.