FR2803135A1 - Circuit a decoupage, notamment pour vehicule automobile, a filtrage ameliore - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un circuit de commande, notamment pour une charge dans un véhicule automobile, comprenant un circuit de découpage, au moins un filtre LC (F1), des moyens (20) s'opposant à la saturation de l'inductance (L1) de ce circuit LC, caractérisé en ce que ces derniers moyens (20) sont prévus pour prépolariser l'inductance dans un sens choisi.

Description

La présente invention concerne les circuits de commande à moyens de

découpage utilisés notamment dans les véhicules automobiles, par exemple pour alimenter des lève-vitres, des essuie-glaces, des boîtes de vitesse robotisées ou encore des systèmes de réglage de colonne de direction. A la figure 1, on a représenté un tel circuit, ici un circuit à modulation de largeur d'impulsion (PWM selon la terminologie anglophone) qui comporte classiquement une source 5 délivrant une tension d'alimentation Vbat, suivie d'un filtre passe-bas 10 puis d'un circuit de découpage 15 à deux sorties A et B, et des circuits de filtrage F1, F2 placés à ces deux sorties A et B. Une charge CH voit ses bornes connectées en sortie des

filtres Fl et F2.

Le circuit de découpage 15 (ou convertisseur), typiquement un pont d'interrupteurs formant une source de tension bidirectionnelle à découpage, (ici un pont en H), délivre sur les deux sorties A et B deux signaux à largeur

d'impulsion variable.

Les circuits de filtrage F1 et F2 ont pour rôle de réduire les perturbations électromagnétiques (CEM en anglais) générées par le découpage (bruit de découpage), notamment quand la charge CH est éloignée du circuit de découpage 15 (ce même type de filtre est également

utilisé à l'entrée de convertisseurs).

La charge CH se voit parcourue par une intensité I (intensité de charge) qui est sensiblement continue bien que pouvant changer de sens dans certaines applications, en fonction du signe d'une tension de commande. Selon un premier exemple classique, F1 et F2 sont tous deux formés par un circuit LC (tel que celui représenté à la figure 2 en référence à F1), dont la bobine L1 relie une sortie du circuit de puissance 15 à une borne de la charge CH, et dont le condensateur C1 relie cette même borne de la

charge CH à la masse.

Ces circuits connus restent peu satisfaisants, notamment quand la charge CH doit être alimentée dans les deux sens, comme par exemple pour les moteurs électriques de certaines applications, car le courant de charge I peut atteindre une valeur suffisamment élevée pour saturer la bobine L1, qui présente alors une inductance amoindrie, retirant au circuit LC son rôle de filtre. On obtient alors des perturbations électromagnétiques

particulièrement importantes aux bornes de la charge CH.

De plus, le condensateur Cl est alors relié en direct sur la sortie du circuit 15, diminuant le rendement de celui-ci, et, du fait que la tension découpée présente des créneaux hauts et des créneaux bas de durées

différentes, le condensateur Cl peut se charger à sa capacité maximale.

Pour cette raison, il est souvent nécessaire de limiter la capacité du condensateur Cl. Mais dans ce cas le filtre présente une impédance élevée, et, du fait qu'il est en série avec la charge CH, il forme un diviseur de tension. Par conséquent, le convertisseur 15 génère là encore des

perturbations électromagnétiques aux bornes de la charge CH.

On a bien proposé de placer des bobines ayant une inductance plus

élevée, mais elle sont coûteuses, encombrantes, dissipatrices de chaleur.

L'inductance peut attendre raisonnablement 10pH avec un courant de saturation de 15 à 20A et la capacité peut atteindre une valeur de 20 RLF maximum. On a proposé (fig.3) de disposer un circuit LC en sortie de chacune des deux branches d'un tel circuit de découpage et d'enrouler les bobines

des deux circuits autour d'un même noyau.

Chaque bobine est parcourue par un courant dont la moyenne est sensiblement le courant de charge. Les bobines induisent donc des champs magnétiques moyens ayant des sens opposés et des valeurs sensiblement

égales, quel que soit le sens du courant de charge.

Les champs magnétiques se compensent donc, en donnant un flux moyen nul, protégeant la bobine de la saturation. Ce type de circuit s'applique notamment lorsque la charge est inductive, et le noyau commun utilisé est par exemple un noyau toroïdal. Dans un tel dispositif, on place

nécessairement un condensateur de chaque côté de la charge.

Un tel dispositif nécessite des adaptations complexes et un grand

nombre de composants. Il reste donc assez coûteux.

La présente invention a pour but principal de résoudre les inconvénients précités, c'est à dire de proposer un circuit de commande à découpage, et filtrage amont ou aval, qui soit peu coûteux et produise un

filtrage efficace.

Un tel circuit est un circuit de commande, notamment pour une charge dans un véhicule automobile, comprenant un circuit de découpage, au moins un filtre LC, des moyens s'opposant à la saturation de l'inductance de ce circuit LC, caractérisé en ce que ces derniers moyens sont prévus

pour prépolariser l'inductance dans un sens choisi.

D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention

apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en

référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente un circuit selon l'état de la technique; - la figure 2 représente un circuit de filtrage selon une première variante de l'état de la technique; - la figure 3 représente un circuit de filtrage selon une seconde variante, à noyau commun, de l'état de la technique; - la figure 4 représente un circuit de filtrage selon une première variante de l'invention; - la figure 5 est un tracé de séquencement de commande de transistors d'un pont en H selon l'invention; - la figure 6 représente un pont en H selon l'invention dans une première phase correspondant à un courant de charge ayant un premier sens; - la figure 7 représente ce même pont en H dans une autre phase o le courant de charge a un sens opposé; - la figure 8 représente un circuit de filtrage selon une seconde variante de l'invention; - la figure 9 représente un circuit de filtrage selon une troisième variante de l'invention; Le circuit qui va être décrit maintenant (ici un circuit à modulation de largeur d'impulsion), reprend la structure générale du circuit de la figure 1 et on utilisera les mêmes références numériques pour les éléments similaires

déjà décrits.

Par ailleurs, on ne décrira que le filtre F1, le filtre F2 étant identique.

Tel que représenté sur la figure 4, le filtre F1 est, là encore, un circuit LC dont la bobine L1 relie la sortie A du circuit de puissance 15 à une borne C de la charge CH, cette même borne étant reliée à la masse par

l'intermédiaire d'un condensateur Cl.

Un enroulement auxiliaire Laux est enroulé en un même élément avec la bobine L1 autour d'un même noyau magnétique N. L'enroulement auxiliaire Laux est alimenté en permanence par un courant laux dirigé dans un sens allant de la charge CH vers le circuit de puissance 15. Cet enroulement auxiliaire induit donc un champ opposé à celui généré par la bobine L1 quand cette bobine L1 est parcourue par un

courant de charge I allant du circuit de puissance 15 vers la charge CH.

La bobine L1 est ainsi pré-polarisée dans un sens qui augmente le

seuil à partir duquel un tel courant 1, de sens sortant, sature la bobine L1.

La charge étant ici à caractère fortement inductif, le courant de

charge est particulièrement stable ici.

Le courant lax est ici un courant qui garde le même sens et la même grandeur au cours du temps, de sorte que la bobine L1 est, à l'inverse, plus facilement saturable par un courant de charge I de sens opposé, c'est à dire

venant de la charge CH et dirigé vers le circuit de puissance 15.

La prépolarisation réduit donc à l'inverse le seuil à partir duquel un

courant I rentrant sature la bobine L1.

Cette propriété est mise à profit dans le présent circuit.

Du fait qu'une même bobine L1 présente une inductance élevée (car désaturée) pour un courant sortant et une inductance faible (car saturée) pour un courant entrant, on obtient un filtrage efficace dans un sens et une liaison pratiquement directe de la charge CH sur le circuit de puissance 15

dans l'autre sens, à la fréquence de travail.

Un même filtre présente donc en amont une impédance (impédance d'entrée) qui est élevée, et en aval une impédance (impédance de sortie) qui est faible. Par simplification, lorsque le courant de charge I est dirigé dans le sens de la flèche de la figure 1, c'est à dire du filtre F1 vers le filtre F2, le filtre F1 est activé (car désaturé) et le filtre F2 présente une impédance minime (car saturé). Le filtre F2 ne constitue donc pas un diviseur de tension vis à vis de la sortie du filtre Fl. Le filtre F1 est donc particulièrement efficace, avec un rendement énergétique particulièrement elevé. On prévoit de plus que, des sorties A et B du circuit de puissance 15, seule celle qui délivre une intensité moyenne sortante est le siège d'une tension découpée, la sortie rentrante étant, elle, reliée à la masse à travers

le circuit de découpage 15 et des condensateurs.

Ainsi, en permanence, une sortie du circuit de puissance 15 présente

une tension découpée, et l'autre sortie est reliée à la masse.

Une telle disposition est facilement obtenue en connectant les filtres F1 et F2 sur des bornes diagonalement opposées du pont en H et avec un séquencement de tensions de commande de transistors du pont en H tel

que représenté à la figure 5.

Sur la figure 5, on a représenté quatre signaux de commande des quatre transistors T1, T2, T3, T4 d'un pont en H tel que celui représenté aux

figures 6 et 7.

Sur ces figures, le pont 15 est un pont en H classique, dont la barre horizontale porte en série la charge CH et les circuits de filtrage F1 et F2, et dont les branches verticales portent chacune deux transistors, placés respectivement de part et d'autre d'une borne d'un filtre, l'un des transistors pouvant relier cette borne à la masse et l'autre pouvant relier cette borne à

la tension d'alimentation.

Dans la première phase du tracé de la figure 5, les transistors T1 et T2 de la branche de gauche commutent en opposition de phase, tandis que, sur l'autre branche, le transistor T4 reste immobile et fermé, reliant à la masse la borne correspondante du filtre F2. Le transistor T3, placé entre cette même borne et la tension d'alimentation est lui ouvert. Ainsi, le filtre F1, situé à gauche, est alimenté par une tension découpée tandis que le filtre F2, situé à droite, est relié à la masse par le pont en H. Un courant I

traverse la charge CH de gauche à droite.

Dans la deuxième phase du tracé de la figure 5, les transistors T1 et T2 de la branche de gauche restent immobiles, le transistor T2 côté masse étant fermé et l'autre transistor T1 côté alimentation étant ouvert, reliant le filtre F1 à la masse. Les transistors T3 et T4 de la branche de droite commutent, eux, en opposition de phase, fournissant sur le filtre F2 une tension découpée. Un courant I traverse alors la charge CH de droite à gauche. Comme on l'a représenté sur la figure 5, on veille, lors de commutations correspondantes de deux transistors d'une même branche, à respecter un léger temps mort t entre les signaux de commandes de commutation des deux transistors, ce temps mort t correspondant à un état intermédiaire o les deux transistors de la branche reçoivent tous deux un signal de commande d'ouverture. On s'assure ainsi que l'on ne puisse établir un court circuit entre l'alimentation et la masse, malgré un retard d'un des transistors entre la réception de son signal d'ouverture et son ouverture effective. La tension aux bornes de la charge CH et l'intensité dans la charge CH sont proportionnelles au rapport de la durée des créneaux hauts sur la durée des créneaux bas à l'instant considéré. L'intensité est donc d'autant plus élevée que sur la sortie qui est le siège de la tension découpée, les

créneaux hauts sont longs par rapport aux créneaux bas.

Le rapport des durées des créneaux est, par l'intermédiaire d'un aménagement de commande non représenté, proportionnel à une tension de commande V. De plus, selon que V est positif ou négatif, c'est A ou B qui

est le siège de la tension découpée.

Outre le gain de rentabilité énergétique, les perturbations électromagnétiques sont particulièrement réduites du fait qu'une seule des bornes du circuit 15 est perturbée. L'efficacité du filtre qui est activé, du point de vue des perturbations électromagnétiques, est en outre particulièrement améliorée par la mise à la masse de la borne opposée de

la charge CH.

On notera qu'un courant de retour s'installe dans la bobine reliée à la masse et le condensateur correspondant se décharge à travers cette bobine. La bobine, saturée pendant cette phase, permet donc une décharge très rapide du condensateur correspondant, d'o une mise à la masse quasi

instantanée de la borne correspondante de la charge CH.

Une borne de la charge CH est donc mise quasi instantanément à la masse à travers le circuit de puissance 15 pendant que l'autre borne de la charge CH passe à un potentiel positif par l'intermédiaire d'un filtre actif, à

forte impédance.

Le filtre proposé ici présente l'avantage de ne faire appel qu'à une simple bobine dont on ne cherche pas à éviter en permanence la saturation

par une structure complexe.

On utilise préférentiellement un nombre de spires de la bobine auxiliaire qui est important, supérieur à celui du bobinage de la bobine L1, afin d'obtenir un champ suffisant avec un courant laux faible. On règle le

courant laux et on modifie si besoin la prépolarisation.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 8, la prépolarisation de la bobine L1 est obtenue à l'aide d'un aimant permanent 20. On choisit un aimant 20 dont le champ magnétique désature le noyau de la bobine L1 lorsque le courant moyen I est sortant, et dont le champ magnétique provoque la saturation du noyau lorsque le courant

moyen I est rentrant.

Selon une autre mode de réalisation représenté à la figure 9, on prépolarise les bobines L1 et L2 des deux circuits de filtrage F1 et F2 et on

utilise un même condensateur C3 pour les deux circuits de filtrage.

Ce condensateur C3 est placé en parallèle de la charge CH, entre les deux bobines L1 et L2. Pour la charge CH comme pour le condensateur C3, ses bornes se voient reliées respectivement à la borne de sortie de

chacune des bobines L1 et L2.

Lorsqu'une bobine L1, précédemment parcourue par un courant moyen sortant du circuit 15, se voit ensuite connectée à la masse par le circuit 15, la borne du condensateur C3 qui lui est reliée est elle-même mise à la masse quasi instantanément (car la bobine L1, alors saturée, devient

passante), et l'unique condensateur C3 se décharge quasi-instantanément.

Le condensateur C3 devient donc disponible quasi instantanément pour remplir sa fonction de filtrage avec l'autre bobine L2 qui devient sortante. Il relie la bobine L2 à la masse, à la façon des circuits LC

habituels, ici à travers la bobine saturée L1 et le circuit de puissance 15.

Lors d'un changement de sens du courant de charge 1, les bobines

L1 et L2 se comportent à l'opposé.

Cette variante de l'invention est particulièrement intéressante en ce qu'elle permet de n'adopter qu'un seul condensateur, les condensateurs

étant particulièrement coûteux, en particulier plus coûteux que les bobines.

Les présents filtres selon l'invention ont été décrits en sortie d'un circuit de puissance. Ils peuvent cependant être utilisés en entrée de ces

derniers (en entrée ou en sortie d'un convertisseur).

Ainsi, selon une variante, on réalise le circuit passe-bas 10, placé entre la source de tension 5 et le circuit du découpage 15, pour filtrage d'une consommation impulsionnelle par le circuit 15, sous la forme d'un circuit LC muni de moyens de prépolarisation de sa bobine. Ces moyens de prépolarisation appliquent un champ constant, opposé à celui induit par le

courant d'alimentation moyen qui va de la bobine 5 au circuit 15.

Ces moyens sont typiquement réalisés de façon similaire à ceux décrits précédemment, et on évite, là encore, une saturation de cette bobine par le courant d'alimentation du pont en H avec des moyens simples et peu coûteux.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Circuit de commande, notamment pour une charge dans un véhicule automobile, comprenant un circuit de découpage, au moins un filtre LC (10, F1, F2), des moyens (20, Laux) s'opposant à la saturation de I'inductance (L1, L2) de ce circuit LC, caractérisé en ce que ces derniers moyens (20, Laux) sont prévus pour prépolariser l'inductance dans un sens choisi.

2. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de découpage (15) est prévu pour délivrer un signal découpé sur deux sorties différentes (A, B), en ce qu'il comprend un filtre LC sur chacune de ces sorties (A, B) et en ce que les moyens de prépolarisation (20, Laux) sont prévus pour protéger de la saturation une inductance (L1, L2) d'au moins un des circuits LC si le courant (I) dans celle-ci est sortant vers la charge (CH) et pour saturer cette inductance (L1, L2) si le courant (I)

dans celle-ci est rentrant depuis la charge (CH).

3 Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de découpage (15) est prévu pour ne fournir un signal découpé que sur l'une

de ses sorties (A, B) à la fois.

4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3,

caractérisé en ce que le circuit de découpage (15) est prévu pour relier à la

masse celle de ses deux sorties (A, B) qui est le siège du courant rentrant.

5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de découpage (15) est prévu pour délivrer un signal découpé sur l'une ou

l'autre de ses sorties (A, B) selon le signe d'une tension de commande (V) .

6. Circuit selon l'une quelconque des revendications 2 à 5,

caractérisé en ce que les deux circuits LC (F1, F2) ont un élément capacitif

(C3) en commun.

7. Circuit selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'élément capacitif (C3) est placé de manière à ce que ses bornes soient

reliées à celles de la charge (CH).

8. Circuit selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, en

combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de découpage (15) est un pont en H muni de moyens pour commander: a) une commutation en opposition de phase de deux commutateurs (T1, T2, T3, T4) d'une branche du pont, et simultanément b) un maintien d'une sortie du pont (15) à la masse par la fermeture

d'un commutateur (T2, T4) de l'autre branche du pont.

9. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes,

caractérisé en ce que le circuit de découpage (15) est un pont en H et en ce qu'il est muni de moyens de commande des commutateurs du pont qui sont prévus pour que, lors d'une commutation quasi-simultanée de deux commutateurs (T1, T2, T3, T4) d'une même branche, les deux commutateurs reçoivent pendant un court instant (t), tous deux un signal de

commande d'ouverture.

10. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit LC (10) est placé en amont du circuit de découpage (15) et en

aval d'une source d'alimentation (5) du circuit de découpage (15).

11. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes,

caractérisé en ce que les moyens de prépolarisation (20, Laux) comprennent

un aimant permanent (20).

12. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 10,

caractérisé en ce que les moyens de prépolarisation (20, Laux) comprennent

une bobine d'induction ( Laux).

13. Procédé de commande, notamment d'une charge (CH) d'un véhicule automobile, dans lequel on découpe un signal d'alimentation, dans lequel on filtre un signal à l'aide d'un filtre LC (F1, F2, 10) et dans lequel on s'oppose à une saturation de l'inductance (L1, L2) de ce circuit LC, caractérisé en ce que l'on prépolarise (20, Laux) l'inductance (L1, L2) dans

un sens choisi.

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'on délivre sur deux bornes (A, B) deux signaux découpés, on filtre ces signaux à l'aide de deux filtres LC (10, F1, F2), et on prépolarise au moins une des inductances (L1, L2) de ces deux circuits LC (10, F1, F2) pour la protéger de la saturation si le courant (I) dans celle-ci est sortant vers la charge (CH) et pour la saturer si le courant (I) dans celle-ci est rentrant depuis la charge (CH).