FR2878382A1 - Convertisseur continu-continu a plusieurs sorties - Google Patents
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Abstract
Ce convertisseur continu-continu (CDC) présente plusieurs étages (En) et est alimenté à partir d'une source de tension primaire (Uin).Il comporte :- des moyens inductifs de stockage d'énergie électrique,- des premiers moyens de hachage de la tension primaire,- des moyens de commutation associés à chaque étage (En) du convertisseur (CDC), ainsi que- des moyens de commande (RG) pour les moyens de hachage et de commutation (SW),La tension de référence de chaque étage (E2, E3) du convertisseur (CDC) correspond à la tension de sortie de l'étage inférieur (E1, E2), le premier étage (E1) ayant une première tension de référence telle par exemple une masse.Les moyens de commutation associés aux étages (En) du convertisseur sont commandés à la même fréquence.
Description
La présente invention concerne un convertisseur continu-continu à
plusieurs sorties.
Dans le domaine de l'électronique, il peut être nécessaire de disposer de plusieurs tensions d'alimentation différentes alors qu'une seule batterie de tension donnée est disponible. C'est par exemple le cas pour un autoradio ou un système de navigation dans un véhicule automobile. L'autoradio, par exemple, est alimenté par la batterie du véhicule qui délivre une tension donnée, qui est actuellement de l'ordre de 12V. Toutefois, les divers systèmes à l'intérieur de l'autoradio requièrent des tensions d'alimentation distinctes, par exemple 3, 3V, 5V, 8V et 8,5V.
Une solution classique pour obtenir des tensions d'alimentation multiples à partir d'une même source utilise des régulateurs linéaires. Toutefois, dans des systèmes de puissance élevée (comme par exemple les autoradios actuels) cette solution provoque des chutes de tension à des courants élevés et nécessite donc de prévoir une dissipation thermique importante qui est incompatible avec des exigences de fiabilité, de faible encombrement et de coût réduit.
Il est aussi connu d'utiliser, dans un système nécessitant plusieurs tensions d'alimentation à partir d'une même source, un convertisseur continu-continu. Un tel convertisseur fonctionne sur le principe du découpage de la tension de la source pour obtenir les tensions d'alimentation souhaitées.
Le document EP-1 429 222 décrit un tel convertisseur n'utilisant pas de transformateur intermédiaire. Le dispositif décrit dans ce document comporte un premier interrupteur découpant un courant de charge d'une inductance et d'un condensateur et un second interrupteur est manoeuvré en opposition de phase avec le premier pour permettre la recirculation du courant de l'inductance. Le réglage fin de la tension de sortie est réalisé par un circuit d'asservissement agissant sur la fréquence de commutation des interrupteurs. Le convertisseur décrit dans ce document de l'art antérieur ne présente cependant qu'une seule tension de sortie.
Le document WO-02/03534 révèle quant à lui un convertisseur continucontinu présentant plusieurs tensions de sortie. Le dispositif décrit dans ce document utilise une même inductance pour tous les étages de sortie. Chacun de ces étages comporte un interrupteur de découpage et un circuit d'asservissement complexe est prévu pour commander chacun de ces interrupteurs à une fréquence, ou à un rapport cyclique, qui lui est propre.
Le dispositif décrit dans ce dernier document est d'un coût de revient élevé, du fait notamment de la présence des commutateurs pilotés individuellement. En outre, compte tenu des nombreuses fréquences de commutation utilisées, ce dispositif présente un rayonnement délicat à éliminer.
La présente invention a alors pour but de fournir un convertisseur continu-continu à plusieurs sorties, plus simple, et donc plus facile à réaliser que les dispositifs de l'art antérieur. De préférence, un tel convertisseur présente un rayonnement électromagnétique facile à éliminer.
A cet effet, l'invention propose un convertisseur continu-continu à plusieurs étages à partir d'une source de tension primaire comportant des moyens inductifs de stockage d'énergie électrique, des premiers moyens de hachage de la tension primaire, des moyens de commutation associés à chaque étage du convertisseur ainsi que des moyens de commande pour les moyens de hachage et les moyens de commutation.
Selon l'invention, la tension de référence de chaque étage du convertisseur correspond à la tension de sortie de l'étage inférieur, le premier étage ayant une première tension de référence telle par exemple une masse, et les moyens de commutation associés aux étages du convertisseur sont commandés simultanément et à la même fréquence.
Dans un tel convertisseur, tous les étages sont commandés à une même fréquence. De ce fait, l'asservissement de ce dispositif est simplifié puisqu'un seul dispositif de commande est nécessaire, indépendamment du nombre d'étages du convertisseur. En outre, puisqu'une seule fréquence de commutation est utilisée, le rayonnement électromagnétique du convertisseur est limité et peut facilement être filtré. Un convertisseur selon l'invention est de ce fait bien adapté au domaine des autoradios. II trouve toutefois également des applications dans d'autres domaines techniques.
Dans une première forme de réalisation, les premiers moyens de hachage de la tension primaire comportent un commutateur qui est en position fermée lorsque les moyens de commutation associés aux étages du convertisseur sont en position ouverte et inversement. Le convertisseur présente alors un fonctionnement en deux phases: une première phase de charge des moyens inductifs et une seconde phase de décharge de ces moyens inductifs.
Une forme de réalisation préférée d'un convertisseur selon l'invention prévoit que ce dernier comporte un premier étage et des étages secondaires, que chaque étage comporte une inductance, et que l'inductance du premier étage est directement reliée à la source de tension primaire par les moyens de hachage. Dans cette forme de réalisation, les moyens de commutation associés à un étage secondaire sont par exemple disposés entre la sortie de l'inductance de l'étage inférieur et l'entrée de l'inductance de l'étage.
Dans cette même forme de réalisation, on peut aussi prévoir que chaque étage secondaire comporte des moyens de découplage en parallèle avec l'inductance de l'étage correspondant de manière à découpler cet étage secondaire de la tension de référence du premier étage. A titre d'exemples, ces moyens de découplage d'un étage secondaire comportent une capacité de découplage ou bien une diode.
Dans une variante de réalisation d'un convertisseur continu-continu selon l'invention, celui-ci comporte par exemple également un régulateur linéaire en sortie de chacun des étages.
La présente invention concerne également un dispositif d'alimentation en tension d'un appareil électronique et/ou un système électronique, caractérisés en ce qu'ils comportent un convertisseur continu-continu tel que décrit ci-dessus.
Des détails et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui suit, faite en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma de 1principe montrant un convertisseur à trois étages selon l'invention, La figure 2 est un schéma électrique d'un convertisseur continu-continu selon l'invention à deux étages dans un premier état de commutation, La figure 3 représente le convertisseur de la figure 2 dans un second état de commutation, La figure 4 est un schéma électrique d'un convertisseur continu-continu selon l'invention à trois étages, et La figure 5 est un schéma électrique d'une variante de réalisation du convertisseur de la figure 4.
La figure 1 représente schématiquement un convertisseur CDC de type continu-continu présentant une tension d'entrée Uin et fournissant trois tensions de sortie Vout1, Vout2 et Vout3. Chacune de ces sorties alimente un régulateur de tension linéaire, respectivement VR1, VR2 et VR3. Ce convertisseur CDC comporte trois étages de conversion El, E2 et E3, des moyens de hachage et de commutation SW ainsi qu'un circuit d'asservissement RG commandant notamment les moyens de hachage et de commutation SW.
Comme on peut le voir sur la figure 1, le premier étage El, ou étage primaire, est relié à la masse. Sa tension de sortie Vouit1 est définie par rapport à cette masse. Les autres étages de conversion E2, E3 ont quant à eux comme tension de référence la tension de sortie de l'étage inférieur. Ainsi l'étage de conversion E2 a comme tension de référence Vout1 tandis que l'étage de conversion E3 a comme tension de référence Vout2.
Le circuit d'asservissement RG régule la commutation des moyens de hachage et de commutation SW en fonction de la tension de sortie Voutl de l'étage primaire El.
Le convertisseur CDC de la figure 1 comporte trois étages. Un convertisseur selon l'invention peut toutefois comporter un nombre d'étages différents. Il peut comporter deux étages (comme représenté sur les figures 2 et 3) ou bien un nombre plus important d'étages (quatre ou plus).
La description ci-après est faite en référence aux figures 2 et 3 qui représentent un convertisseur à deux étages, c'est-à-dire la forme de réalisation "élémentaire" d'un convertisseur selon l'invention.
On reconnaît sur les figures 2 et 3 un étage primaire et un étage secondaire. L'étage primaire comporte une inductance L1, un condensateur Cl, une résistance R1 et un interrupteur S2. Le condensateur Cl est monté entre la masse et une borne, appelée borne de sortie, de l'inductance LI. La résistance RI est montée en parallèle aux bornes de Cl. L'interrupteur S2 est quant à lui monté entre l'autre borne de l'inductance LI, ou borne d'entrée de l'inductance L1, et la masse.
L'étage secondaire comporte quant à lui une inductance L2, un condensateur C2, une résistance R2, un interrupteur S2a ainsi qu'une capacité de découplage C2a.
La capacité de découplage C2a est montée en série avec l'inductance L2. La borne de l'inductance L2 se trouvant du côté de la capacité de découplage C2a est appelée borne d'entrée de l'inductance L2. L'autre borne de l'inductance L2 est appelée borne de sortie de l'inductance L2. La capacité de découplage C2a est montée entre les bornes d'entrée des inductances LI et L2. L'interrupteur S2a est quant à lui monté entre la borne de sortie de l'inductance L1 et la borne d'entrée de l'inductance L2. La capacité C2 est montée entre les bornes de sortie des inductances L1 et L2 tandis que la résistance R2 est montée entre la borne de sortie de l'inductance L2 et la masse.
De même que la tension de sortie Voutl correspond à la tension à la borne de sortie de l'inductance LI, la tension de sortie Vout2 de l'étage secondaire correspond à la tension de la borne de sortie de l'inductance L2 de l'étage secondaire.
La borne d'entrée de l'inductance LI de l'étage primaire est alimentée par l'intermédiaire d'un interrupteur SI à la source de tension Uin. Le commutateur Si permet ainsi de réaliser le hachage de la tension de la source Uin.
Le fonctionnement de ce convertisseur est décrit ci-après.
La figure 2 montre ce convertisseur au cours d'une première phase appelée phase de charge. Au cours de cette phase de charge, l'interrupteur SI est fermé tandis que les interrupteurs S2 et S2a sont ouverts. Comme il ressort de la figure 2, au cours de cette phase de charge, le courant en provenance de la source Uin charge l'inductance LI. II' charge également, à travers la capacité de découplage C2a, l'inductance L2.
La figure 3 montre le convertisseur de la figure 2 dans une seconde phase appelée phase de décharge. Les interrupteurs S1, S2 et S2a commutent simultanément pour passer de leurs positions représentées sur la figure 2 aux positions de la figure 3. L'interrupteur SI est alors en position ouverte tandis que les interrupteurs S2 et S2a sont en position fermée. L'inductance LI fournit alors du courant tout d'abord au condensateur Cl mais également, par l'intermédiaire de l'interrupteur S2a qui est en position fermée, à l'étage secondaire. Dans ce second étage du courant est ainsi fourni par l'inductance L2, et aussi par LI, au condensateur C2.
La fréquence de commutation est adaptée à la tension Voutl que l'on souhaite obtenir. Dans le convertisseur représenté sur les figures 2 et 3, la tension Vout2 est alors sensiblement le double de la tension Voutl. On obtient ainsi à partir de la tension de la source Uin deux tensions continues Voutl et Vout2 sans utilisation de transformateur.
Les interrupteurs utilisés sont par exemple des commutateurs MOSTEC (connus également sous le nom anglais "MOSFET switch").
La figure 4 montre comment il est possible d'obtenir une troisième tension de sortie Vout3. Sur cette figure, les références des figures 2 et 3 sont reprises pour désigner des éléments semblables.
Dans la forme de réalisation de la figure 4, on retrouve l'étage primaire et l'étage secondaire des figures 2 et 3. Un second étage secondaire, ou troisième étage, avec une tension de sortie Vout3 est réalisé. La structure de ce troisième étage est la réplique de la structure du second étage par rapport à l'étage primaire. Ainsi, on retrouve dans ce troisième étage une capacité de découplage C3a montée en série avec une inductance L3 comportant une borne d'entrée, se situant du côté de la capacité du découplage C3a et une borne de sortie. La capacité de découplage C3a est montée entre les bornes d'entrée de l'inductance L1 et de l'inductance L3. On retrouve ici également un interrupteur S3a monté entre la borne de sortie de l'inductance L2 et la borne d'entrée de l'inductance L3. Un condensateur C3 est monté quant à lui entre les bornes de sortie de l'inductance L3 et de l'inductance L2 de l'étage inférieur. Enfin une résistance R3 est montée entre la masse et la borne de sortie de l'inductance L3. La tension de sortie Vout3 correspond à la tension de la borne de sortie de l'inductance L3.
Il est inutile de reprendre ici dans le détail le fonctionnement de ce convertisseur. II correspond au fonctionnement du convertisseur des figures 2 et 3. On trouve ici une tension de sortie Vout2 valant sensiblement le double de la tension de sortie Vout1 tandis que la tension de sortie Vout3 correspond sensiblement au triple de la tension de sortie Vout1.
Dans les systèmes électroniques, les tensions d'alimentation souhaitées ne sont pas forcément des multiples d'une tension de base. L'invention permet aussi d'obtenir une tension Vout2 différente de 2*Voutl. On peut par exemple remplacer la capacité de découplage C2a par un autre composant électronique.
Les capacités de découplage Cria permettent de découpler chaque étage secondaire de la masse lorsque l'interrupteur S2 de l'étage primaire est fermé. Cette fonction de découplage peut être obtenue à l'aide par exemple d'une diode ou d'un transistor. La forme de réalisation de la figure 5 montre ainsi un schéma dans lequel les capacités de découplage Cna ont été remplacées par des diodes Dn (D2 et D3). Dans un tel montage les diodes induisent une chute de tension et on obtient alors une tension de sortie Vout2 inférieure à 2*Voutl. De même la tension de sortie Vout3 est inférieure à 3*Vout1. Il ressort ainsi clairement que l'on peut adapter les tensions de sortie des divers étages d'un convertisseur selon l'invention.
Les convertisseurs décrits ci-dessus permettent de disposer de multiples tensions de sortie étagées et d'utiliser des régulateurs de tension linéaires présentant une faible chute de tension entre leur entrée et leur sortie (chute de tension appelée également "dropout"). Ainsi, peu de chaleur est à dissiper tout en bénéficiant malgré tout d'une alimentation précise et de qualité. On remarque notamment l'absence d'une ondulation résiduelle importante telle celle obtenue avec des alimentations à découpage classiques.
Peu d'énergie sous forme de chaleur devant être dissipée, il est inutile de prévoir des radiateurs de taille importante. L'invention permet ainsi de réaliser des 25 économies en terme de poids, d'encombrement et de coût. On remarque également que les convertisseurs décrits n'utilisent pas de transformateurs. Ceci contribue également à cette économie de poids, d'encombrement et de coût.
L'invention permet également d'obtenir un convertisseur bon marché. On remarque en effet qu'un seul circuit d'asservissement est nécessaire alors que dans les 30 dispositifs multi-étagés de l'art antérieur un circuit d'asservissement par étage est prévu.
L'utilisation d'un seul circuit d'asservissement présente également un autre avantage. Etant donné qu'une seule fréquence de commutation est utilisée, le rayonnement électromagnétique du circuit est limité. Ce rayonnement est ainsi facile à filtrer ce qui présente un avantage certain pour l'alimentation de dispositif tel un récepteur 35 radio.
La structure des convertisseurs décrits permet d'éviter des croisements de tension. En effet Voutn reste toujours inférieur à Vout(n+ 1). Ainsi, même lors des phases de démarrage et d'arrêt, le rapport entre les différentes tensions de sortie est conservé.
Il apparaît également à l'homme du métier que la structure d'un convertisseur continu-continu selon l'invention permet un fonctionnement même lorsque la tension de la source d'entrée Uin est inférieure à la tension de sortie la plus élevée souhaitée (c'est-à-dire Vout3 dans le cas des figures 4 et 5).
Comme déjà indiqué plus haut, un convertisseur selon l'invention peut présenter le nombre de sortie souhaitée (deux, trois, quatre ou plus) sans nécessiter de surcoût très important.
La stabilité des tensions de sortie des étages secondaires dépendent de la régulation de la tension de sortie de l'étage primaire. Bien entendu, les composants des étages secondaires influent également sur la stabilité des tensions de sortie des étages secondaires. Il est alors possible d'utiliser un système, tel par exemple un diviseur, pour les sorties des étages secondaires.
La présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-dessus à titre d'exemples non limitatifs. Elle concerne également toutes les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.
Claims (10)
1. Convertisseur continu-continu (CDC) à plusieurs étages (En) à partir d'une source de tension primaire (Uin) comportant des moyens inductifs (Ln) de stockage d'énergie électrique, des premiers moyens de hachage (Si) de la tension primaire, des moyens de commutation (S2, S2a, S3a) associés à chaque étage (En) du convertisseur (CDC) ainsi que des moyens de commande (RG) pour les moyens de hachage (Si) et les moyens de commutation (S2, S2a, S3a), caractérisé en ce que la tension ide référence de chaque étage (E2, E3) du convertisseur (CDC) correspond à la tension de sortie de l'étage inférieur (El, E2), le premier étage (El) ayant une première tension de référence telle par exemple une masse, et en ce que les moyens de commutation (S2, S2a, S3a) associés aux étages (En) du convertisseur sont commandés simultanément et à la même fréquence.
2. Convertisseur continu-continu selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers moyens de hachage de la tension primaire comportent un commutateur (Si) qui est en position fermée lorsque les. moyens de commutation (S2, S2a, S3a) associés aux étages (En) du convertisseur sont en position ouverte et inversement.
3. Convertisseur continu-continu selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un premier étage (El) et des étages secondaires (E2, E3), en ce que chaque étage (En) comporte une inductance (Ln), et en ce que l'inductance (L1) du premier étage est directement reliée à la source de tension primaire (Uin) par les moyens de hachage (SI).
4. Convertisseur continu-continu selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de commutation (S2a, S3a) associés à un étage secondaire (E2, E3) sont disposés entre la sortie de l'inductance (L1, L2) de l'étage inférieur (El, E2) et l'entrée de l'inductance (L2, L3) de l'étage (E2, E3).
5. Convertisseur continu-continu selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque étage secondaire (E2, E3) comporte des moyens de découplage (C2a, C3a) en parallèle avec l'inductance (L2, L3) de l'étage (E2, E3) correspondant de manière à découpler cet étage secondaire de la tension de référence du premier étage (El).
6. Convertisseur continu-continu;selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de découplage d'un étage secondaire (E2, E3) comportent une capacité de découplage (C2a, C3a).
7. Convertisseur continu-continu selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de découplage d'un étage secondaire (E2, E3) comportent une diode 35 (D2, D3).
8. Convertisseur continu-continu selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un régulateur linéaire (VRn) en sortie de chacun des étages (En).
9. Dispositif d'alimentation en tension d'un appareil électronique, caractérisé 5 en ce qu'il comporte un convertisseur continu-continu (CDC) selon l'une des revendications 1 à 8.
10. Système électronique, notamment autoradio, caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur continu-continu (CDC) selon l'une des revendications 1 à 8.
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| Title |
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| BETTEN J: "ADD AN AUXILIARY VOLTAGE TO A BUCK REGULATOR", EDN ELECTRICAL DESIGN NEWS, CAHNERS PUBLISHING CO. NEWTON, MASSACHUSETTS, US, vol. 47, no. 24, 31 October 2002 (2002-10-31), pages 108, XP001143015, ISSN: 0012-7515 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2934439A1 (fr) * | 2008-07-25 | 2010-01-29 | Continental Automotive France | Dispositif convertisseur continu-continu |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2878382B1 (fr) | 2008-03-21 |
| DE112005000731T5 (de) | 2008-04-03 |
| WO2006056363A1 (fr) | 2006-06-01 |
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