FR2868623A1 - Circuit convertisseur a inductances couplees - Google Patents
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Abstract
Ce circuit de convertisseur à inductances L1 et L2 couplées a un noyau K ayant un entrefer S dissymétrique par rapport aux inductances.
Description
CIRCUIT CONVERTISSEUR A INDUCTANCES COUPLEES
La présente invention se rapporte à un circuit convertisseur ayant des inductances couplées, notamment à un convertisseur SEPIC. On utilise des convertisseurs de ce genre notamment dans des circuits de correction du facteur de puissance et de fait notamment dans des ballasts pour des lampes.
Ce que l'on appelle les convertisseurs SEPIC ont l'avantage, par rapport à d'autres concepts de convertisseurs, par exemple en comparaison de survolteurs, que la tension de sortie du convertisseur peut être réglée à volonté dans des limites relativement grandes, et notamment peut être aussi plus petite que l'amplitude d'une tension alternative d'alimentation. Le concept de circuit du convertisseur SEPIC est familier à l'homme du métier et ne sera donc pas énoncé ici d'une façon détaillée. Pour un complément, on se reportera toutefois aux diverses explications données au cours de cette description.
Par un convertisseur SEPIC, on peut charger un condensateur d'emmagasinage qui alimente en tension continue les parties de circuit suivantes. Le convertisseur SEPIC a en règle générale la fonction d'un circuit de correction de facteur de puissance, par lequel on empêche que le condensateur ne soit chargé par la tension alternative que lorsque la valeur instantanée de la tension alternative est plus haute que la tension s'appliquant au condensateur. On empêche ainsi qu'il y ait des courants de charge pulsée de brève durée au cours des maxima de la tension d'alimentation qui donneraient régulièrement un spectre d'harmoniques intense inadmissible.
Il est, en outre, connu d'effectuer dans des convertisseurs SEPIC ce que l'on appelle une compensation du courant d'ondulation. A cet effet, les deux inductances du convertisseur sont couplées et certaines conditions dans l'accord des inductances sont respectées. Par ce concept, on peut obtenir qu'il passe, dans l'une des deux inductances, une grande composante de courant continu et une très petite composante de haute fréquence.
La présente invention vise un convertisseur SEPIC amélioré ayant une compensation du courant d'ondulation.
L'invention a pour objet un circuit convertisseur SEPIC comprenant deux branches d'entrée, un commutateur entre la première branche d'entrée et la deuxième branche d'entrée, une première inductance dans la première branche d'entrée du côté d'entré de la borne du commutateur, un condensateur dans la première branche d'entrée du côté de sortie de la borne du commutateur, une deuxième inductance comprise entre la première et la deuxième branche d'entrée du côté de sortie du condensateur, une diode dans la première branche d'entrée du côté de sortie de la borne de la deuxième inductance, un deuxième condensateur entre la première et la deuxième branche d'entrée, dans lequel la première et la Io deuxième inductance ont un noyau commun ayant un entrefer et la deuxième inductance de compensation du courant d'ondulation correspond à peu près à l'inductance d'un circuit parallèle de la première et de la deuxième inductance, caractérisé en ce que l'entrefer est dissymétrique par rapport à l'enroulement dans la première et dans la deuxième inductance et est plus grand dans la ls zone de l'enroulement de la deuxième inductance.
L'invention se rapporte aussi à un appareil électronique ayant un circuit convertisseur de ce genre.
L'invention part du fait que dans le couplage, nécessaire à la compensation du courant d'ondulation, des deux inductances, on peut parler d'un noyau commun des inductances, même s'il est réalisé en plusieurs parties. Deux noyaux distincts du point de vue de la construction mais couplés dans le flux magnétique doivent donc être considérés ici comme deux parties d'un noyau commun. L'invention part, en outre, du fait qu'il est prévu, dans le noyau commun des deux inductances, un entrefer pour améliorer la possibilité de commande. Or, l'invention réside dans le fait que cet entrefer est dissymétrique par rapport aux deux inductances et, en fait, d'une façon telle que la première inductance est davantage traversée par le noyau que la deuxième inductance. Cela ne signifie pas nécessairement, comme on le montrera dans la suite, que l'entrefer soit dissymétrique par rapport au noyau lui- même.
Dans un mode de réalisation préféré, l'entrefer n'est pas entouré par l'enroulement de la première inductance, de sorte que celle-ci est donc complètement remplie par le noyau.
La première inductance a ainsi une inductance relativement 35 grande par rapport au nombre de spires. La première inductance peut recevoir ainsi un petit enroulement et prendre un volume de chambre petit en conséquence. Cela vaut même dans une certaine mesure lorsque la première inductance doit avoir une valeur relativement grande pour satisfaire aux conditions quantitatives de compensation du courant d'ondulation. Ces conditions peuvent être réduites au simple énoncé que la valeur de la deuxième inductance doit correspondre sensiblement à l'inductance efficace pour un montage en parallèle de la première et de la deuxième inductance. Lorsque, dans le cadre de cette invention, il est préféré d'utiliser un couplage relativement faible entre les deux inductances, de préférence un couplage de io l'ordre de 0,6 à 0,9, la première inductance doit donc avoir une valeur relativement grande. On peut ainsi se dispenser d'une dimension trop grande de construction.
Il se crée en outre dans l'invention, dans la première inductance, des pertes nettement plus petites que dans la deuxième inductance parce que, en conséquence de la compensation du courant d'ondulation, il ne passe dans la première inductance sensiblement pas de courant de haute fréquence. Toutefois, il passe des courants de haute fréquence dans la deuxième inductance et cela produit une chaleur perdue assez grande en conséquence. Il s'avère alors bon que l'enroulement de la deuxième inductance prenne un volume de chambre plus grand, de sorte que dans l'ensemble on peut viser un échauffement à peu près uniforme des deux enroulements, les différences d'échauffement n'étant en tout cas pas renforcées encore par la forme de construction.
Il est, en outre, préféré que les enroulements de la première et de la deuxième inductance soient séparés axialement, donc ne présentent pas de chevauchement, par exemple par le fait que l'enroulement partiel de la première inductance soit mis sur un enroulement partiel, se trouvant radialement plus à l'intérieur, de la deuxième inductance. Des agencements de ce genre sont certes possibles, mais compliquent la structure. Si, toutefois, on utilise un enroulement "en couche", il faut de préférence éviter que les parties d'enroulement de la première inductance "voient" l'entrefer, donc soient en contact direct avec lui. Bien au contraire, un contact direct de ce genre ne doit se produire que pour des parties de l'enroulement de la deuxième inductance ou d'autres inductances.
On a déjà mentionné que l'entrefer doit être relié dissymétriquement seulement pour ce qui concerne les inductances. Il est, en outre, préféré que l'inductance soit symétrique pour ce qui concerne le noyau lui-même et d'utiliser en conséquence des parties de noyau symétriques. Cela peut être obtenu au vu du volume de chambre plus petit de la première inductance que l'on vise. On peut ainsi obtenir une structure simple du noyau et on peut éviter des défauts éventuels lors de l'assemblage par confusion de demi-noyaux dissymétriques ou autres. En outre, l'uniformisation des pièces réduit les coûts.
Une autre mesure préférée consiste à utiliser pour la première lo inductance un fil simple et à utiliser le cordon HF, donc un conducteur à plusieurs brins, dans lequel les pertes en haute fréquence sont réduites et la résistance pour les composantes en haute fréquence sont diminuées (effet de peau) seulement dans la deuxième inductance. Le cordon HF est non seulement plus coûteux mais donne, à section transversale de conduction égale, aussi un volume de construction plus grand en raison des espaces intermédiaires inévitables et notamment de l'isolant entre les brins.
Dans l'invention, les deux inductances ne doivent pas, en outre, nécessairement être réalisées respectivement de manière uniforme. Il peut s'agir aussi respectivement d'une multiplicité d'inductances individuelles, par exemple d'un câblage sériel du côté primaire où il n'y a qu'une partie du couplage. Le couplage de l'inductance totale efficace (par exemple du côté primaire) est ainsi, d'une manière correspondante, plus petit.
Une application préférée réside, comme on l'a déjà mentionné ci-dessus, dans des circuits de correction du facteur de puissance, notamment dans des circuits de ce genre dans des ballasts électroniques pour des éléments produisant de la lumière. Par cela, on entend des lampes de types les plus divers, mais aussi des diodes électroluminescentes, y compris des lasers et d'autres éléments optoélectroniques produisant de la lumière. L'application de l'invention dans des ballasts de lampes, notamment pour des lampes à décharge à basse pression, est particulièrement préférée.
L'invention sera décrite dans ce qui suit au moyen d'un exemple de réalisation, les diverses caractéristiques pouvant être, au sens de l'invention, également prises en combinaison. On indiquera à titre de précaution que la description précédente et la description suivante décrivent aussi un procédé de fabrication des inductances, du circuit convertisseur et de l'appareil électronique, notamment du ballast, et un procédé pour les faire fonctionner.
La Figure 1 est un schéma fonctionnel d'un circuit convertisseur SEPIC suivant l'invention.
La Figure 2 représente un noyau en deux parties des inductances du convertisseur SEPIC de la Figure 1.
La Figure 3 représente la structure des inductances du convertisseur SEPIC de la Figure 1 ayant le noyau de la Figure 2.
La Figure 1 représente un circuit convertisseur SEPIC suivant io l'invention dans un ballast électronique pour une lampe à décharge à basse pression. On reconnaît à gauche qu'une tension alternative d'alimentation, par exemple une tension du réseau domestique habituel, est redressée par un pont redresseur à diodes. Il y a ainsi à la figure, sur la branche de conduction s'étendant horizontalement, en haut, un potentiel positif redressé et, en bas, un potentiel négatif redressé qui, en règle générale, est mis à la masse. La tension alternative redressée forme l'entrée du convertisseur SEPIC qui comporte les inductances L1 et L2, le condensateur Cl, la diode D1 redresseuse et le transistor Ti de commutation, et qui est régulée par le circuit RS de régulation. Les inductances ont un noyau K commun ayant deux constituants K1 et K2 de noyau. Sur la sortie dessinée à droite du convertisseur SEPIC, donc parallèlement à un condensateur C2 d'emmagasinage, est montée une branche RI qui est alimentée en une tension continue mise à disposition par le condensateur C2. La branche RI est un oscillateur à demi-pont habituel ayant deux transistors de commutation pour la production d'une tension alternative en haute fréquence par laquelle on peut faire fonctionner la lampe à décharge à basse pression. Comme des circuits de ce genre font partie de l'état de la technique et sont connus d'une manière générale, la branche est représentée ici seulement par une résistance.
Le condensateur C2 sert de condensateur d'emmagasinage et doit être chargé par le condensateur SEPIC à partir de la tension alternative redressée à une tension continue aussi constante que possible. Le courant absorbé en provenance du réseau doit suivre autant que possible sans perturbation le tracé sinusoïdal de la tension du réseau.
Par un fonctionnement de commutation alterné du transistor Ti 35 de commutation, l'inductance L1 est chargée à l'état passant à partir de la tension redressée du réseau jusqu'à un courant déterminé et est déchargée dans le condensateur Cl lorsque le transistor Ti de commutation est bloqué. De la même façon, l'inductance L2 est chargée pendant les durées pendant lesquelles le transistor Ti est à l'état passant et est déchargée dans les condensateurs C2 et Cl pendant les durées de blocage. (Il faut prendre garde à la polarisation de la diode D1). On obtient ainsi ce que l'on appelle un fonctionnement avec lacunes si les durées de blocage du transistor Ti de commutation sont suffisamment longues pour que le courant dans la diode D1 io redresseuse s'abaisse à zéro. Le condensateur Cl reste ainsi en moyenne sensiblement chargé à la valeur de la tension d'alimentation redressée instantanée. Par un bon rapport de cycle, donc par un rapport entre les durées pendant lesquelles le transistor est à l'état passant et les durées pendant lesquelles il est à l'état bloqué, et en tenant compte de la charge RI, on peut établir ainsi sensiblement n'importe quelle tension continue sur le condensateur C2, tension qui notamment peut être plus petite que l'amplitude de la tension du réseau. Le condensateur C2 d'emmagasinage ne doit donc pas être nécessairement un condensateur résistant particulièrement à la haute tension. Le condensateur Cl sert, dans une certaine mesure, à obtenir un découplage entre les deux inductances L1 et L2, de sorte que contrairement au survolteur, les tensions produites par l'inductance L1 ne s'additionnent pas à l'addition instantanée du réseau.
Les durées dans lesquelles le transistor est passant et celles dans lesquelles le transistor est bloqué donnent ensemble une durée de période et ainsi une fréquence de fonctionnement qui est donnée par le fonctionnement de commutation du transistor Ti de commutation, et ainsi par le circuit RS de régulation. Une fréquence typique de fonctionnement est de l'ordre de quelques dizaines de kHz jusqu'à environ 200 kHz.
Les deux inductances L1 et L2 sont couplées par un noyau K commun ayant deux parties K1 et K2 de noyau. Cette structure sera explicitée plus précisément dans ce qui suit au moyen des Figures 2 et 3. Le couplage sert, ensemble avec une certaine conception des inductances, à la compensation du courant d'ondulation, c'est-à-dire à supprimer dans une grande mesure des composantes de courant HF dans la première inductance L1. On peut ainsi obtenir que maintenant seule la deuxième inductance L2 "voit" des composantes de courant HF et qu'il passe sensiblement un courant continu dans la première inductance L1.
La Figure 2 est une vue en plan du noyau K en deux parties, tandis que la Figure 3 est une vue en élévation des deux inductances L1 et L2 avec le noyau K. Dans la partie inférieure de la Figure 3 à gauche et à droite, à l'extérieur, on peut voir les bornes habituelles d'un culot de broche pour les inductances L1 et L2.
On voit que le noyau K est formé, à l'exception d'un entrefer S prévu dans une hampe médiane, d'une manière analogue à un huit angulé ou, io autrement dit, comme deux lettres "E" tournées l'une vers l'autre en étant symétriques comme en un miroir. Sur la hampe médiane, sont enroulés les enroulements des deux inductances L1 et L2 qui sont désignés dans ce qui suit par les mêmes signes de référence L1 et L2. Les inductances sont ainsi couplées magnétiquement. Pour la compensation du courant d'ondulation, on s'efforce que la deuxième inductance L2 ait sensiblement la valeur que l'on mesure lorsque l'on monte les deux inductances L1 et L2 en parallèle (dans le même sens d'enroulement). Comme, dans le cas présent, on s'efforce d'avoir un couplage relativement faible entre les deux inductances L1 et L2 de l'ordre de 0,6 à 0,9, il faut que la première inductance L1 n'ait pas une valeur trop petite. Dans le cas présent, le facteur de couplage est d'environ 0,65 pour une inductance de couplage d'environ 370 pH, la première inductance L1 nominale étant de 765 pH et la deuxième inductance L2 nominale de 430 pH. L'inductance L1 1 1 L2 en parallèle mentionnée est de 425 pH.
Par une position dyssimétrique de l'entrefer S par rapport aux deux inductances L1 et L2, on peut obtenir l'inductance L1 souhaitée presque doublée, avec un nombre de spires relativement petit de 90 spires (89 spires pour L2).
Les enroulements des inductances L1 et L2 ne sont pas réalisés respectivement en couches pour que l'agencement reste simple, et les enroulements de la première inductance sont nettement à distance axialement de l'entrefer. Mais, en principe, déjà une distance radiale de l'entrefer donnerait l'effet suivant l'invention, par exemple lorsqu'une partie de l'enroulement de la première inductance L1 se trouverait radialement à l'extérieur d'une partie de l'enroulement de la deuxième inductance L2.
L'entrefer S se trouve, comme la Figure 3 le montre nettement par les lignes en tirets et conformément aux lignes verticales par rapport à la Figure 2, entièrement à l'intérieur de l'enroulement L2. L'entrefer S peut ainsi, d'une part, améliorer la possibilité de commande de la manière souhaitée et, d'autre part, réduire sensiblement seulement la deuxième inductance L2. En outre, le champ magnétique se dispersant dans la zone de l'entrefer S ne pénètre que dans les enroulements de l'inductance L2 et ne produit donc des pertes par courant de Foucauld qu'en cet endroit. Comme la première inductance L1 est parcourue, en outre, sensiblement par un courant continu, on peut y utiliser un fil simple, la dimension de construction étant, comme cela lo est représenté à la Figure 3, beaucoup diminuée, en dépit d'un nombre de spires presque identique. Comme les pertes HF se produisant dans la deuxième inductance L2 donnent un échauffement nettement plus intense, on obtient dans l'ensemble, en tenant compte du volume nettement plus petit de la première inductance L1, un échauffement à peu près uniforme de toute la structure.
On choisit en outre, pour des raisons de gain de place et pour simplifier la fabrication, une structure qui prévoit pour chaque inductance L1 et L2 seulement une chambre, les chambres étant séparées les unes des autres par les parois radiales représentées à la Figure 3.
Les Figures 2 et 3 illustrent notamment que la dissymétrie de l'entrefer S par rapport aux inductances L1 et L2 ne suppose pas nécessairement une dissymétrie de la structure du noyau. En fait, dans le cas présent, on utilise des moitiés K1 et K2 de noyau identiques qui sont symétriques l'une de l'autre comme en un miroir, de sorte que l'on peut éviter des erreurs par confusion de divers éléments constitutifs du noyau. L'entrefer a une dimension d'environ 2,2 mm dans la direction axiale, les dimensions totales du noyau sont d'environ 27 mm suivant un carré (voir la Figure 2). On dispose ainsi, dans un mode de construction tenant particulièrement peu de place et particulièrement simple, d'une solution la meilleure possible pour les inductances dans le convertisseur SEPIC de la Figure 1.
On ne manquera pas de mentionner qu'il est appliqué sur l'enroulement de l'inductance L2 un troisième enroulement qui n'est pas nécessaire d'abord pour le fonctionnement du convertisseur SEPIC et qui n'est pas destiné à la Figure 3. Il s'agit de seulement six spires qui peuvent produire une puissance d'alimentation pour le circuit RS de commande de la Figure 1 dès que du courant passe dans les inductances. Mais on peut songer bien entendu aussi à d'autres solutions d'alimentation. lo
Claims (11)
1. Circuit convertisseur SEPIC comprenant deux branches d'entrée, un commutateur (Ti) entre la première branche d'entrée et la deuxième branche d'entrée, une première inductance (L1) dans la première branche d'entrée du côté d'entrée de la borne du commutateur (Ti), un condensateur (Cl) dans la première branche d'entrée du côté io de sortie de la borne du commutateur (Ti), une deuxième inductance (L2) comprise entre la première et la deuxième branche d'entrée du côté de sortie du condensateur (Cl), une diode (Dl) dans la première branche d'entrée du côté de sortie de la borne de la deuxième inductance (L2), un deuxième condensateur (C2) entre la première et la deuxième branche d'entrée, dans lequel la première et la deuxième inductance (L1, L2) ont un noyau (K) commun ayant un entrefer (S) et la deuxième inductance (L2) de compensation du courant 20 d'ondulation correspond à peu près à l'inductance d'un circuit parallèle de la première et de la deuxième inductance (L1, L2), caractérisé en ce que l'entrefer (S) est dissymétrique par rapport à l'enroulement dans la première et dans la deuxième inductance (L1, L2) et est plus grand dans la zone de l'enroulement de la deuxième inductance (L2).
2. Circuit convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrefer (S) est entouré exclusivement par l'enroulement de la deuxième inductance (L2).
3. Circuit convertisseur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le couplage entre la première et la deuxième inductance Il (L1, L2) est compris entre 0,6 et 0,9 inclus.
4. Circuit convertisseur suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le volume de chambre de l'enroulement de la première inductance (L1) est plus petit que le volume de chambre de l'enroulement de la deuxième inductance (L2).
5. Circuit convertisseur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les enroulements de la première et de la deuxième inductance (L1, L2) sont séparés axialement.
6. Circuit convertisseur suivant l'une des revendications Io précédentes, caractérisé en ce que le noyau (K) est constitué de deux demi-noyaux (K1, K2) symétriques.
7. Circuit convertisseur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enroulement de la première inductance (L1) est constitué d'un fil simple et l'enroulement de la deuxième inductance (L2) est constitué d'un cordon HF.
8. Appareil électronique ayant un circuit convertisseur suivant l'une des revendications précédentes comme circuit de correction du facteur de puissance.
9. Appareil électronique suivant la revendication 8, qui est conçu comme ballast électronique pour un élément produisant de la lumière.
10. Ballast électronique suivant la revendication 9, qui est conçu pour l'alimentation d'une lampe à décharge à basse pression.
11. Appareil électronique suivant l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il est prévu sur le noyau (K) une troisième inductance 25 d'alimentation d'une commande électronique de l'appareil.
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