FR2779286A1 - Voltage interrupter control circuit - Google Patents

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Abstract

The control circuit comprises an inductance (Lo), a means of interruption (I) and diode (D) mounted in series with an inductance (L) acted on in a controlled manner by a pre-saturation inductance winding (L1). A capacitor (C3) is mounted across the diode terminals. The current to the auxiliary winding is controlled to stop when the interrupter is open. The inductance (L) is formed in toroidal or similar form. The rate of change of current reduction on opening is slowed at a pre-set value using the pre-saturation winding.

Description

CIRCUIT DE COMMANDE A DECOUPAGE, NOTAMMENTCUT-OUT CONTROL CIRCUIT, ESPECIALLY

CONVERTISSEUR OU REGULATEUR DE TENSION  CONVERTER OR VOLTAGE REGULATOR

La présente invention est relative aux circuits de commande par découpage du type à moyens inductifs, interrupteur et diode. Elle concerne notamment avantageusement les convertisseurs ou régulateurs de tension qui mettent en oeuvre un découpage à Haute Fréquence, notamment à des fréquences de quelques centaines de KHz,  The present invention relates to control circuits by cutting of the type with inductive means, switch and diode. It particularly relates advantageously to voltage converters or regulators which implement high frequency cutting, in particular at frequencies of a few hundred KHz,

voir de l'ordre du MHz ou supérieures.  see in the order of MHz or higher.

Un exemple de circuit convertisseur/abaisseur classiquement connu  An example of a conventionally known converter / step-down circuit

est illustré sur la figure 1.is illustrated in figure 1.

Ce convertisseur comporte une diode D, dont la cathode est reliée  This converter comprises a diode D, the cathode of which is connected

d'une part à un interrupteur I et d'autre part à une inductance Lo.  on the one hand to a switch I and on the other hand to an inductance Lo.

Une tension U est appliquée aux bornes du sous-circuit que constituent la diode D et l'interrupteur 1, par l'intermédiaire d'un  A voltage U is applied to the terminals of the sub-circuit constituted by the diode D and the switch 1, via a

condensateur Cl monté en parallèle par rapport audit sous circuit.  capacitor C1 mounted in parallel with respect to said sub-circuit.

L'interrupteur I est commandé de façon à réguler la tension V entre l'anode de la diode D et l'extrémité de l'inductance L0 qui est opposée à la cathode de ladite diode D. Un condensateur de filtrage C2 est monté entre ladite extrémité et l'anode de la diode D. On a représenté sur le graphe de la figure 2 les courbes de l'intensité du courant traversant la diode D (courbe i) et de la tension appliquée à ladite diode D (courbe u) lorsque l'interrupteur I passe de l'état ouvert à  The switch I is controlled so as to regulate the voltage V between the anode of the diode D and the end of the inductance L0 which is opposite to the cathode of said diode D. A filtering capacitor C2 is mounted between said end and the anode of the diode D. The curves of the intensity of the current passing through the diode D (curve i) and of the voltage applied to said diode D (curve u) have been represented on the graph of FIG. 2. switch I goes from open state to

l'état fermé.closed state.

Lorsque l'interrupteur I est ouvert, le courant circule à travers la diode D (intensité de courant Io), tandis que la tension aux bornes de ladite diode  When the switch I is open, the current flows through the diode D (current intensity Io), while the voltage across the said diode

est nulle ou voisine de zéro (tension Uo).  is zero or close to zero (voltage Uo).

Lorsque l'on ferme l'interrupteur I et que la tension aux bornes de la diode D prend des valeurs o le courant dans ladite diode D est théoriquement nul, on constate en réalité que le courant traversant la diode prend d'abord une valeur inverse importante (pic de récupération inverse)  When the switch I is closed and the voltage at the terminals of the diode D takes values where the current in said diode D is theoretically zero, it can be seen in reality that the current passing through the diode first takes an inverse value significant (reverse recovery peak)

avant de relaxer jusqu'à la valeur nulle.  before relaxing to zero.

Il en résulte également des surtensions importantes aux bornes de la diode D. Le pic de courant et la surtension qui en résulte sont d'autant plus importants lorsque la vitesse de commutation de l'interrupteur est rapide, ce qui est le cas lorsque l'on travaille à des fréquences élevées. Or, dans de nombreux cas, on souhaite précisément pouvoir fonctionner à des fréquences élevées, pour augmenter le rendement et diminuer la taille de la  This also results in significant overvoltages at the terminals of the diode D. The current peak and the resulting overvoltage are all the more important when the switching speed of the switch is fast, which is the case when the we work at high frequencies. However, in many cases, it is precisely desired to be able to operate at high frequencies, to increase the efficiency and decrease the size of the

ou des inductances, ainsi que celle des condensateurs du circuit.  or inductors, as well as that of the circuit capacitors.

Généralement, pour résoudre le problème que pose cet effet de récupération inverse, on utilise des diodes Schottky qui se bloquent plus  Generally, to solve the problem posed by this reverse recovery effect, Schottky diodes are used which are more blocked

rapidement que des diodes ordinaires.  faster than ordinary diodes.

Toutefois, les diodes Schottky sont onéreuses et limitées en température et, pour des raisons de coûts, on souhaite pouvoir utiliser des diodes ordinaires, par exemple les diodes qui sont intégrées aux transistors MOSFET généralement utilisés comme interrupteurs dans les circuits convertisseurs. La solution selon l'invention est un circuit de commande par découpage, notamment convertisseur ou régulateur de tension, du type comportant des moyens inductifs, au moins un interrupteur et au moins une diode, caractérisé en ce que la diode est montée en série avec une  However, Schottky diodes are expensive and limited in temperature and, for cost reasons, it is desired to be able to use ordinary diodes, for example the diodes which are integrated into the MOSFET transistors generally used as switches in converter circuits. The solution according to the invention is a switching control circuit, in particular a voltage converter or regulator, of the type comprising inductive means, at least one switch and at least one diode, characterized in that the diode is connected in series with a

inductance saturable.saturable inductance.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront  Other characteristics and advantages of the invention will emerge

encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative  still from the description which follows. This description is purely illustrative

et non limitative. Elle doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles: - la figure 1, déjà analysée, représente un schéma d'un convertisseur conforme à un mode de réalisation connu; - la figure 2 est un graphe sur lequel on a porté l'intensité du courant traversant la diode, ainsi que la tension entre les extrémités de ladite diode lors de la fermeture de l'interrupteur du convertisseur de la figure 1; - la figure 3 est un schéma semblable à celui de la figure 1 d'un convertisseur conforme à un mode de réalisation possible de l'invention; - les figures 4a et 4b sont des graphes sur lesquels on a porté l'intensité du courant traversant la diode, ainsi que la tension entre les extrémités de ladite diode respectivement lors de la fermeture et de l'ouverture de l'interrupteur du convertisseur de la figure 3; - la figure 5 est une représentation schématique illustrant un mode de réalisation possible pour I'inductance saturable d'un convertisseur conforme  and not limiting. It should be read with reference to the appended figures in which: - Figure 1, already analyzed, shows a diagram of a converter according to a known embodiment; FIG. 2 is a graph on which the intensity of the current passing through the diode has been plotted, as well as the voltage between the ends of said diode when the converter switch of FIG. 1 is closed; - Figure 3 is a diagram similar to that of Figure 1 of a converter according to a possible embodiment of the invention; FIGS. 4a and 4b are graphs on which the intensity of the current passing through the diode has been plotted, as well as the voltage between the ends of said diode respectively when the switch of the converter is closed and opened. Figure 3; - Figure 5 is a schematic representation illustrating a possible embodiment for the saturable inductance of a conforming converter

à l'invention.to the invention.

Le convertisseur qui est illustré sur la figure 3 comporte les mêmes éléments que celui qui est illustré sur la figure 1, à savoir une diode D, un  The converter which is illustrated in FIG. 3 comprises the same elements as that which is illustrated in FIG. 1, namely a diode D, a

interrupteur 1, une inductance Lo et des condensateurs Cl et C2.  switch 1, an inductance Lo and capacitors Cl and C2.

Il comporte en plus de ces éléments une inductance L, qui est montée en série avec la diode D entre le point commun aux condensateurs  It comprises in addition to these elements an inductance L, which is mounted in series with the diode D between the point common to the capacitors

C1 et C2 et le point commun à l'interrupteur I et à l'inductance L0.  C1 and C2 and the point common to switch I and to inductance L0.

Cette inductance L est saturable avec un courant de saturation qui est une fraction du courant destiné à parcourir la diode dans son sens  This inductance L is saturable with a saturation current which is a fraction of the current intended to traverse the diode in its direction

passant (préférentiellement de l'ordre de 1/8ème à 1/1 0ème).  passing (preferably around 1 / 8th to 1/1 0th).

Avec un tel circuit à inductance saturable, les caractéristiques d'intensité et de tension appliquées à la diode D sont du type de celles  With such a saturable inductance circuit, the current and voltage characteristics applied to the diode D are of the type of those

illustrées sur les figures 4a et 4b.  illustrated in Figures 4a and 4b.

Notamment, ainsi qu'illustré sur la figure 4a, lorsque l'interrupteur I est ouvert, le courant circule à travers la diode D et l'inductance L est saturée. Lors de la fermeture de l'interrupteur 1, I'intensité du courant circulant dans la diode va diminuer avec une pente qui, tant que l'inductance L est saturée, est uniquement fonction de la valeur de Lo. En d'autres termes, I'intensité du courant décroît alors de la même façon que si l'inductance  In particular, as illustrated in FIG. 4a, when the switch I is open, the current flows through the diode D and the inductance L is saturated. When the switch 1 is closed, the intensity of the current flowing in the diode will decrease with a slope which, as long as the inductance L is saturated, is solely a function of the value of Lo. In other words, the intensity of the current then decreases in the same way as if the inductance

saturable L n'était pas présente.saturable L was not present.

Lorsque l'intensité du courant atteint la valeur is de désaturation, la pente de décroissance du courant est alors fonction à la fois de l'inductance Lo et de l'inductance L. Le courant diminue alors avec une pente plus faible qu'avant que l'intensité du courant n'atteigne la valeur is. Et le pic de récupération inverse atteint par l'intensité du courant est en valeur absolue moins important que  When the intensity of the current reaches the desaturation value is, the slope of decrease of the current is then a function of both the inductance Lo and the inductance L. The current then decreases with a lower slope than before the intensity of the current does not reach the value is. And the inverse recovery peak reached by the intensity of the current is in absolute value less important than

celui qui aurait été atteint en l'absence de l'inductance L saturable.  that which would have been reached in the absence of the saturable inductance L.

Par conséquent, la pente de croissance de la tension est plus limitée qu'en l'absence de l'inductance L. Pour limiter encore la valeur de la dérivée par rapport au temps de la tension, le circuit comporte avantageusement, ainsi qu'illustré en pointillés sur la figure 3, un condensateur C3 monté en parallèle par rapport à la  Consequently, the slope of growth of the voltage is more limited than in the absence of the inductance L. To further limit the value of the derivative with respect to the time of the voltage, the circuit advantageously comprises, as illustrated in dotted lines in FIG. 3, a capacitor C3 mounted in parallel with respect to the

diode D. On a alors en effet dV/dt = i/C3.  diode D. We then have indeed dV / dt = i / C3.

Avec le circuit qui vient d'être décrit, lors de l'ouverture de I'interrupteur I, la présence de l'inductance saturable L pourrait conduire à  With the circuit which has just been described, when the switch I opens, the presence of the saturable inductance L could lead to

une puissance dissipée très importante.  a very significant dissipated power.

Pour éviter une telle dissipation, on prévoit des moyens permettant de pré-saturer l'inductance L. A cet effet, I'inductance L est par exemple constituée par un tore ou une perle et est entourée par un enroulement auxiliaire parcouru par un courant permanent. C'est ce qui a été illustré sur la figure 5, sur laquelle on a représenté l'inductance L sous la forme d'un tore, l'enroulement secondaire ayant été référencé par L1, le courant qui circule dans celui-ci  To avoid such dissipation, means are provided for pre-saturating the inductor L. For this purpose, the inductor L is for example constituted by a torus or a pearl and is surrounded by an auxiliary winding traversed by a permanent current . This is what has been illustrated in FIG. 5, in which the inductance L has been represented in the form of a toroid, the secondary winding having been referenced by L1, the current flowing in it

par ips.by ips.

La saturation ainsi obtenue pour des intensités de courant négatives permet de diminuer la puissance dissipée. L'intensité is du courant de  The saturation thus obtained for negative current intensities makes it possible to reduce the dissipated power. The intensity is of the current of

saturation/désaturation se trouve quant à elle diminuée par la pré-  saturation / desaturation is reduced by the pre-

saturation de l'inductance L, mais ce dans une limite raisonnable.  saturation of inductance L, but within a reasonable limit.

En variante, pour éviter cette diminution de l'intensité du courant de saturation/désaturation, il peut être prévu de commander le courant dans l'enroulement auxiliaire uniquement pendant les phases des séquences de  Alternatively, to avoid this reduction in the intensity of the saturation / desaturation current, provision may be made to control the current in the auxiliary winding only during the phases of the sequences of

commande o l'interrupteur est ouvert.  command where the switch is open.

A titre d'ordre de grandeur, I'inductance L peut avoir une valeur  As an order of magnitude, the inductance L can have a value

inductive en l'absence de saturation de 1 pH.  inductive in the absence of saturation of 1 pH.

Elle peut être réalisée par un tore ou une perle d'un diamètre de quelques millimètres présentant une grande perméabilité, par exemple de l'ordre de 103. Le courant de saturation d'une telle perle ou d'un tel tore est  It can be produced by a torus or a pearl with a diameter of a few millimeters having a high permeability, for example of the order of 103. The saturation current of such a pearl or of such a torus is

alors de quelques Ampères pour une spire.  then a few Amps for a turn.

Dans l'exemple qui précède, on a décrit l'invention dans le cas d'un convertisseur abaisseur de tension. L'invention trouve bien entendu avantageusement application pour tout convertisseur de tension dans lequel un interrupteur est commuté à des fréquences élevées (convertisseur du type "Boost", transformateur, convertisseur élévateur de tension, etc...) et de façon plus générale pour tout circuit à découpage comportant des  In the above example, the invention has been described in the case of a step-down converter. The invention is of course advantageously applicable to any voltage converter in which a switch is switched at high frequencies ("Boost" type converter, transformer, step-up converter, etc.) and more generally for any switching circuit comprising

moyens inductifs, un ou plusieurs interrupteurs et une ou plusieurs diodes.  inductive means, one or more switches and one or more diodes.

Il est classique d'utiliser dans de tels systèmes deux transistors MOSFET en série utilisés l'un en tant qu'interrupteur, I'autre en tant que  It is conventional to use in such systems two MOSFET transistors in series used one as a switch, the other as

diode.diode.

Un circuit de ce type intégrera alors avantageusement deux inductances saturables associées respectivement à l'un et à l'autre des deux transistors, de façon à ce que le sous-circuit constitué par les deux transistors et ces inductances puisse être utilisé de façon réversible dans un  A circuit of this type will then advantageously integrate two saturable inductors associated respectively with one and the other of the two transistors, so that the sub-circuit formed by the two transistors and these inductors can be used reversibly in a

sens ou un autre.sense or another.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1. Circuit de commande par découpage, notamment convertisseur ou régulateur de tension, du type comportant des moyens inductifs (Lo), au moins un interrupteur (I) et au moins une diode (D), caractérisé en ce que la  1. Cut-out control circuit, in particular voltage converter or regulator, of the type comprising inductive means (Lo), at least one switch (I) and at least one diode (D), characterized in that the diode (D) est montée en série avec une inductance saturable (L).  diode (D) is connected in series with a saturable inductor (L). 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intensité du courant de saturation/désaturation de ladite inductance saturable est de l'ordre d'une fraction de l'intensité du courant destiné à parcourir la diode  2. Circuit according to claim 1, characterized in that the intensity of the saturation / desaturation current of said saturable inductance is of the order of a fraction of the intensity of the current intended to traverse the diode dans son sens passant.in its passing sense. 3. Circuit selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en  3. Circuit according to one of the preceding claims, characterized in ce qu'il comporte en outre un condensateur (C3) monté en parallèle entre  which it further comprises a capacitor (C3) mounted in parallel between les extrémités de la diode.the ends of the diode. 4. Circuit selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en  4. Circuit according to one of the preceding claims, characterized in ce qu'il comporte des moyens (L1) pour présaturer l'inductance saturable (L).  what it includes means (L1) to presaturate the saturable inductance (L). 5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un enroulement auxiliaire (L1) qui entoure l'inductance saturable (L) et dans lequel circule un courant qui réalise la présaturation de ladite inductance5. Circuit according to claim 4, characterized in that it comprises an auxiliary winding (L1) which surrounds the saturable inductance (L) and in which a current flows which carries out the presaturation of said inductance (L).(L). 6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour commander le courant dans l'enroulement auxiliaire de façon que ledit courant ne circule dans ledit enroulement que lorsque  6. Circuit according to claim 5, characterized in that it comprises means for controlling the current in the auxiliary winding so that said current flows in said winding only when l'interrupteur (I) est ouvert.the switch (I) is open. 7. Circuit selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que  7. Circuit according to one of claims 4 to 6, characterized in that l'inductance saturable (L) est un tore ou une perle en un matériau magnétique.  the saturable inductance (L) is a torus or a pearl made of a magnetic material. 8. Circuit selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en  8. Circuit according to one of the preceding claims, characterized in ce qu'il comporte deux transistors de type MOSFET reliés l'un à l'autre, I'un qui est utilisé comme élément formant diode, I'autre qui est utilisé comme élément formant interrupteur et en ce qu'il comporte deux inductances  that it comprises two MOSFET transistors connected to each other, one which is used as a diode element, the other which is used as a switch element and in that it comprises two inductors saturables en série avec l'un et l'autre des deux transistors.  saturable in series with either of the two transistors. 9. Convertisseur abaisseur de tension caractérisé en ce qu'il est  9. Step-down converter characterized in that it is constitué par un circuit selon l'une des revendications précédentes.  constituted by a circuit according to one of the preceding claims.
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