FR2998116A1 - Circuit de mesure pour reguler un transformateur de tension continue - Google Patents

Abstract

Circuit de mesure pour réguler un convertisseur d'attention continue (100) comprenant un composant de commutation (120), une diode (124) en parallèle sur le composant de commutation, et une unité de mesure et de régulation (130) qui actionne (240) le composant de commutation (120) lorsqu'on atteint un évènement défini (230), détermine comme grandeur caractéristique la tension sur le composant de commutation (120) après l'actionnement de ce composant et exploite (260) cette tension, et modifie un paramètre de l'évènement prédéfini si la grandeur caractéristique se situe en dehors d'une plage de valeur autorisée (261). La plage de valeurs autorisée est définie par la tension de conduction de la diode (124) branchée en parallèle.

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un circuit de mesure pour réguler un transformateur de tension continue ainsi que le transformateur de tension continue et le procédé de régulation d'u tel trans- formateur. Etat de la technique Les transformateurs de tension continue sont utilisés ac- tuellement dans de nombreux domaines d'application tels que par exemple dans les téléphones mobiles, les systèmes de communication, les ordinateurs ou les tablettes. Un transformateur de tension continue est un dispositif qui reçoit une tension continue en entrée et la transforme en une tension continue de niveau plus élevé ou plus faible comme tension de sortie. Les transformateurs de tension continue garantissent que la tension de fonctionnement interne d'un appareil reste constante, indépendamment de l'état de charge de la batterie ou encore ils génèrent une tension de fonctionnement interne plus élevée que celle de la batterie. Par exemple, un appareil photo génère un flash avec une tension beaucoup plus élevée que la tension relativement faible de sa batterie.

Les transformateurs de tension continue existent dans différents modes de réalisation mais tous fonctionnent suivant le même principe. Un élément de commutation, par exemple un transistor, prélève des fractions d'énergie de la tension d'entrée. Le rapport entre le temps de branchement et le temps de coupure de l'élément de commu- tation déterminent ainsi le flux moyen d'énergie. Les transformateurs releveurs, c'est-à-dire des transformateurs de tension continue qui fournissent une tension de sortie plus élevée que la tension d'entrée, utilisent généralement une inductance reliée à la tension d'entrée. Chaque opération de branchement et de coupure, de l'énergie est pom- pée par l'inductance dans une capacité de sortie. Dans le cas des transformateurs résonnants qui sont une forme de réalisation particulière des transformateurs releveurs, on utilise un circuit résonnant pour brancher ou couper l'élément de commutation au passage par zéro de l'intensité ou de la tension. De façon caractéristique, le circuit résonnant est formé d'un montage en série ou en parallèle d'une inductance et d'une capacité. Il peut également comporter plusieurs inductances et capacités. En branchant l'élément de commutation, on relie le cir- cuit résonnant à la tension d'entrée et on l'excite. En coupant l'élément de commutation, l'inductance se décharge dans la capacité. Lorsque l'élément de commutation est de nouveau branché à l'instant approprié, le circuit résonnant est de nouveau excité et l'oscillation sera entretenue. A l'aide d'un transmetteur, par exemple d'un transformateur, on peut ainsi transmettre l'énergie du circuit résonnant à une capacité de sortie. La transmission de l'énergie se fait ainsi par l'excitation pério- dique du circuit résonnant et on transmettra d'autant plus de puissance que le circuit sera excité plus fréquemment. Par le branchement et la coupure à des instants de com- mutation optimum au passage par zéro de l'intensité ou de la tension ou du circuit résonant, on réduit considérablement les pertes par com- mutation, les perturbations radio et la contrainte électromécanique des différents composants. Mais si le branchement et la coupure ne se font pas au passage par zéro de l'intensité ou de la tension mais avant la fin de la période d'oscillation du circuit résonnant, on prélève de l'énergie au circuit résonant au lieu de lui en fournir ce qui se traduit par des pertes par commutation, par une réduction de la puissance de sortie et par une plus forte sollicitation électromécanique des différents composants. Pour les convertisseurs à résonance ou les convertisseurs de tension continue, de façon générale il est extrêmement important avant tout de commuter le branchement et la coupure à l'instant de commu- tation optimum. L'opération de coupure peut se faire lorsqu'on atteint le seuil supérieur de l'intensité. L'opération de branchement peut se faire directement à la fin d'un intervalle de temps fixe lorsqu'on atteint le seuil inférieur de l'intensité ou de la tension. Les seuils pour la tension ou pour l'intensité sont choisis en fonction des instants de commutation optimum. Il en résulte la difficulté que l'instant de commutation proprement dit de l'élément de commutation est inconnu du fait des tolérances inévitables des composants et des temps de retard par exemple pour la saisie des valeurs de mesure ou pour la commande de l'élément de commutation. Ainsi, on ne peut garantir que l'instant de commutation optimum et l'instant de commutation effectif coïncident, en d'autres termes, que l'opération de branchement et l'opération de coupure sont faites à des instants de commutation optimum.

But de l'invention La présente invention a pour but de développer un moyen permettant que le branchement et la coupure d'un convertisseur de tension continue se fasse à des instants optimum. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention a pour objet un circuit de mesure pour réguler un convertisseur de tension continue comprenant : un composant de commutation, une diode en parallèle sur le composant de commutation, et une unité de mesure et de régulation qui, * actionne le composant de commutation lorsqu'on atteint un évènement défini, * détermine comme grandeur caractéristique la tension sur le composant de commutation après l'actionnement de ce composant et exploite cette tension, * modifie un paramètre de l'évènement prédéfini si la grandeur caractéristique se situe en dehors d'une plage de valeurs autorisée, cette plage de valeurs autorisée étant définie par la tension de conduction de la diode branchée en parallèle. En d'autres termes, le circuit de mesure selon l'invention pour réguler un convertisseur de tension comporte un composant de commutation et une diode branchée en parallèle ainsi qu'une unité de mesure et de régulation. Le composant de commutation branche l'inductance du convertisseur de tension continue sur une tension d'entrée. L'unité de mesure et de régulation assure que l'instant de commutation effectif du composant de commutation coïncide avec l'instant de commutation optimum. Si l'unité de mesure et de régulation détecte qu'un évènement prédéfini arrive, elle actionne le composant de commutation. Ensuite, l'unité de mesure et de régulation surveille la tension appliquée au composant de commutation comme grandeur ca- ractéristique.

La grandeur caractéristique est influencée par l'instant de branchement. En exploitant la grandeur caractéristique, on peut en déduire la proximité entre l'instant de commutation effectif et l'instant de commutation optimum. Si la grandeur caractéristique se situe dans une plage de valeurs acceptable, donnée par la tension de conduction de la diode branchée en parallèle, l'instant de commutation optimum et l'instant de commutation effectif coïncident. Si la grandeur caractéristique ne se trouve pas dans la plage de valeur acceptable, l'instant de commutation optimum n'est pas atteint et on modifie les paramètres de l'élément prédéfini pour le passage suivant. Si par exemple dans le cas d'un convertisseur par résonance, le branchement du composant de commutation se fait exactement lors du passage par zéro de la tension du circuit résonnant, on évite pratiquement toute perte par branchement. Il n'y aura qu'une perte minimale liée à la tension de conduction de la diode branchée en parallèle. Si l'on surveille la tension du composant de commutation après le branchement, alors dans le cas d'un instant de commutation optimum, on mesurera une brève impulsion de tension négative liée à cette tension de conduction de la diode. La plage de valeurs autorisée est ainsi donnée par cette impulsion de tension négative. Si après le branchement on mesure une tension comme grandeur caractéristique qui ne correspond pas à la tension de conduction de la diode, l'instant de commutation optimum n'aura pas été atteint. L'instant de commutation effectif du composant de com- mutation est ainsi toujours inconnu mais toutefois il n'est pas néces- saire de le connaître de façon explicite. La formule « l'unité de mesure et de régulation actionne le commutateur » signifie que cette unité de mesure et de régulation lance la phase de commutation dès que l'on enregistre l'occurrence de l'évènement prédéfini. En surveillant la grandeur caractéristique, l'unité de mesure et de régulation reconnaît si l'instant de commutation effectif et l'instant de commutation optimum coïncident finalement ou non. Dans la négative, on modifie les paramètres de l'évènement prédéfini jusqu'à ce que la grandeur caractéristique se trouve dans la plage de valeurs autorisée c'est-à-dire jusqu'à ce que l'instant de commutation effectif et l'instant de commutation optimum coïncident. Cela garantit que le branchement ou la coupure se font à l'instant de commutation optimum sans qu'il soit nécessaire de recher- cher plus précisément l'instant de commutation effectif du composant de commutation. Dès que l'unité de mesure et de régulation a déterminé les paramètres correspondant à l'instant de commutation optimum, on peut ne plus surveiller la grandeur caractéristique. De même, il est pos- sible de continuer à surveiller la grandeur caractéristique à chaque ac- tionnement du composant de commutation. En outre la grandeur caractéristique pourra être surveillée seulement à des intervalles de temps prédéfinis ou après un nombre donné d'opérations de commutation.

De plus, on est ainsi indépendant des composants utili- sés tels que les condensateurs, les bobines ou les résistances et de la valeur de leurs capacités inductance ou résistance. Comme le circuit de mesure selon l'invention régule chaque convertisseur de tension continue à l'instant de commutation optimum propre à ce convertisseur de tension, on peut sans difficulté changer les composants et appliquer des tensions d'entrée différentes. De manière avantageuse, l'évènement prédéfini est le fait qu'une grandeur de mesure telle que la tension ou l'intensité atteint un seuil. Par exemple une tension pourra se déterminer aux bornes de la capacité d'un circuit résonnant ou encore au passage par zéro de la tension de la phase de commutation ou encore comme grandeur de mesure du composant de commutation. Dans ce cas, on fait varier le seuil comme paramètre de l'évènement, si la grandeur caractéristique est extérieure à la plage de valeur autorisée. L'évènement prédéfini est égale- ment atteint à la fin d'un intervalle de temps après que par exemple une grandeur de mesure ait atteint un seuil ou après le dernier actionne-ment du composant de commutation. Dans ce cas, on fait varier la durée de l'intervalle de temps comme paramètre de l'évènement. Selon un développement préférentiel de l'invention, le composant de commutation est un transistor, notamment un transistor MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur). De façon avantageuse, la diode branchée en parallèle est une diode body d'un transistor MOSFET. La plupart des transistors MOSFET ont la propriété d'avoir une diode interne, intégrée encore appelée « diode body » qui est branchée en parallèle sur le transistor MOSFET. Dans un transistor MOSFET, dans un substrat faiblement dopé (par exemple à dopage p) on a intégré deux régions fortement dopées (par exemple à dopage n+) qui constituent un branchement de source (entrée) et un branchement de drain (sortie). Le branchement de source et le branchement de drain sont séparés par un diélectrique auquel est relié le branchement de porte (électrode de commande). Le substrat forme ainsi un quatrième branchement à savoir le branchement en vrac. Dans la plupart des réalisations de transistor MOSFET, le branchement en vrac et le branche- ment de source sont reliés de manière interne. La jonction p-n ainsi formée entre le branchement en vrac et le branchement de source constituent la diode body. De façon avantageuse, on peut également surveiller comme grandeur caractéristique l'intensité du courant dans le compo- sant de commutation. De façon générale, on peut déterminer également une tension ou une intensité sur un composant quelconque du circuit de mesure comme grandeur caractéristique. On peut également envisager une température notamment la température du composant de commutation comme grandeur caractéristique à surveiller. Les pertes d'énergie produites par un branchement anticipé du composant de commutation sont transformées en énergies calorifiques et réchauffent le composant de commutation. Par la température du composant de commutation on détermine la qualité de l'instant de commutation optimum réalisé.

Selon un développement préférentiel de l'invention, le convertisseur de tension continue est un convertisseur releveur, notamment un convertisseur à résonance. Le circuit de mesure convient pour n'importe quelle forme de convertisseur de tension continue. On peut également utiliser le circuit de mesure pour d'autres types de re- dresseurs de courant dans lesquels l'actionnement des éléments de commutation est aussi d'une importance capitale pour l'instant de commutation optimum comme cela est par exemple le cas des redresseurs. Une unité de calcul selon l'invention par exemple la par- tie de branchement du réseau d'un ordinateur, d'un téléviseur ou d'un téléphone mobile est notamment réalisable du point de vue de la technique de programmation pour exécuter un procédé selon l'invention. L'implémentation du procédé sous la forme d'un programme est avantageuse car cela se traduit par un coût particulière- ment réduit notamment si l'appareil de commande qui exécute le procédé est également utilisé pour d'autres applications et qu'il existe, déjà. Des supports de données appropriés pour le programme d'ordinateur sont notamment des disquettes, des disques durs, des mémoires Flash, des mémoires EEPROM, des CD-ROM ou des DVD. Le téléchargement d'un programme par des réseaux d'ordinateurs (Inter- net, Intranet etc.) est également possible. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un circuit de mesure pour la régulation d'un convertisseur de tension continue et de son procédé de régulation re- présentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre schématiquement un mode de réa- lisation préférentiel d'un circuit de mesure selon l'invention pour réguler un convertisseur de tension continue, - la figure 2 est un schéma par blocs d'un mode de réa- lisation préférentiel d'un procédé selon l'invention de régulation d'un convertisseur de tension continue. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre un mode de réalisation préférentiel d'un circuit de mesure selon l'invention pour réguler un convertisseur de tension continue, selon une représentation schématique. Le convertisseur de tension continue est un convertisseur releveur comme convertisseur à résonance 100. Une tension d'entrée 101 est appliquée entre un pôle 102 et un pôle 103 mis à la masse. Les deux pôles 106, 107 fournissent en sortie, une tension 105 plus élevée que la tension d'entrée 101. Une bobine 110 et un premier condensateur appelé dans la suite « condensateur de résonance 140 » forme un circuit résonnant. A côté du condensateur de résonance, il y a un second condensateur appelé ci-après « condensateur de sortie 150. Un composant de commu- tation sous la forme d'un transistor MOSFET 120 notamment d'un transistor MOSFET N est prévu. Toutefois, dans le cadre de l'invention, on peut également utiliser un composant MOSFET P ou d'autres éléments de commutation appropriés. Le transistor MOSFET 120 a un branchement de drain 121, un branchement de grille 122 et un bran- chement de source 123. Le transistor MOSFET 120 a une diode body 124 branchée en parallèle. Les bornes 121-123 du transistor MOSFET sont reliées électriquement à une unité de mesure et de régulation 130. En outre une résistance de mesure 13 1 est branchée en série avec le transistor MOSFET 120. Deux autres points de mesure 132, 133 per- mettent à l'unité de mesure et de régulation 130 de déterminer l'intensité à l'aide de la résistance de mesure 131. L'unité de mesure et de régulation 130 actionne le com- posant de commutation sous la forme du transistor MOSFET 120 reliant ainsi la bobine 110 à la tension d'entrée 101. L'intensité du courant augmente linéairement en fonction du temps car selon la règle de Lenz, une tension est induite dans la bobine qui s'oppose à la variation du courant. Dès que l'intensité du courant que l'unité de mesure et de régulation 130 définit à l'aide de la résistance de mesure 131, atteint sa valeur maximale, l'unité de mesure et de régulation 130 bloque le transistor MOSFET 120 et coupe ainsi la bobine 110 de la tension d'entrée 101. Selon la règle de Lenz, la bobine 110 maintient le courant et se décharge dans le condensateur de résonance 140 et le condensateur de sortie 150. L'énergie électromagnétique stockée dans la bobine 110 se transforme ainsi en énergie électrique des condensateurs 140 et 150. Dès que la bobine 110 est complètement déchargée et que l'intensité du courant passe par zéro, le condensateur de résonance 140 se décharge. La diode 151 assure que le condensateur de sortie 150 ne peut se décharger. Le condensateur de résonance 140 se décharge alors dans la bobine 110.

La diode 151 garantit que le condensateur de sortie 150 ne se recharge pas en retour mais que la tension du condensateur de sortie 150 apparaisse comme tension de sortie 105 sur les pôles 106 et 107. Cela permet ainsi de toujours charger de l'énergie dans le conden- sateur de sortie 150 et donne une tension de sortie 105 plus élevée que la tension d'entrée 101. Dès que le condensateur de résonance 140 est complè- tement déchargé, c'est-à-dire lorsque la tension aux bornes du condensateur de résonance 140 passe par zéro, on débloque de nouveau le transistor MOSFET 120. L'expression « tension sur le condensateur de résonance 140 » désigne la tension entre le point de mesure 141 et la masse. Du fait du montage en parallèle du condensateur de ré- sonance 140 et du transistor MOSFET 120, la tension aux bornes du condensateur dé résonance 140 est identique à la tension aux bornes du transistor MOSFET 120 ; l'expression « tension aux bornes du transistor MOSFET 120 » désigne la tension entre la borne de drain 121 et la masse. L'unité de mesure et de régulation 130 détermine la tension aux bornes du transistor MOSFET 120 et la commutation dès que la tension atteint un seuil. Si la commutation effective se produit précisément à l'instant de commutation optimum, l'unité de mesure et de régulation 130 détecte dans un certain intervalle de temps après la commutation, une impulsion de tension négative entre le branchement de drain 121 et le point de mesure 132 sous la forme d'une tension de conduction de la diode body 124. Si l'unité de mesure et de régulation 130 ne détectait pas cette impulsion de tension, cela signifierait que l'instant de commutation optimal n'a pas été atteint et l'unité de mesure et de régulation 130 modifie le seuil pour l'opération de commutation suivante. La ten- sion aux bornes du transistor MOSFET 120 est ainsi définie comme grandeur caractéristique. La plage de valeurs de la grandeur caractéristique est donnée par la tension de conduction de la diode body 124.

Lorsque l'intensité déterminée par l'unité de mesure et de régulation 130 atteint de nouveau son maximum, l'unité 130 bloque de nouveau le transistor MOSFET 120. En variante, on peut également intégrer un convertisseur par exemple un transformateur dans le circuit de mesure. Par exemple, à la place de la bobine 110, on utilise un convertisseur. Il est ainsi possible à l'aide du convertisseur, d'augmenter ou d'abaisser en plus la tension continue. La figure 2 montre un mode de réalisation préférentiel d'un procédé selon l'invention pour réguler un convertisseur de tension continue représenté schématiquement par un bloc. Dans l'étape 200 du procédé on branche le composant de commutation. Lorsqu'on atteint un premier évènement prédéfini (étape 210) on coupe de nouveau le composant de commutation (étape 220).

Dans la figure 1, l'étape 210 est liée au fait d'atteindre la valeur maxi- male de l'intensité. Lorsqu'on atteint un second évènement prédéfini (étape 230) on débloque de nouveau le composant de commutation (étape 240). Dans l'exemple de la figure 1, l'étape 230 concerne le fait d'atteindre le seuil de la tension du transistor MOSFET 120. Comme indiqué par la référence 250, on coupe de nouveau le composant de commutation (étape 220) dès que l'on atteint de nouveau le premier évènement (étape 210). Après le branchement du composant de commutation (étape 240), alors dans l'étape 260, dans un intervalle de temps prédéfi- ni on détermine la tension aux bornes du composant de commutation comme grandeur caractéristique et on l'exploite. Dans l'exemple de la figure 1, dans l'étape 260 on détermine la tension aux bornes du transistor MOSFET 120. Si la grandeur caractéristique est à l'extérieur une plage de valeur autorisée définie par la tension de conduction d'une diode branchée en parallèle sur le composant de commutation, on fait varier les paramètres de l'évènement prédéfini dans l'étape 230 comme l'indique la référence 261. La surveillance de la grandeur caractéristique (étape 260) peut se faire ainsi après chaque branchement du composant de commutation (étape 240) ou par exemple après un nombre déterminé de coupure 240.5 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 100 Convertisseur à résonance 101 Tension d'entrée 102 Pôle 103 Pôle mis à la masse 105 Tension de sortie 106, 107 Pôles 110 Bobine 120 Transistor MOSFET 121 Branchement de drain 122 Branchement de grille 123 Branchement de source 124 Diode body 130 Unité de mesure et de régulation 131 Résistance de mesure 132 Point de mesure 133 Point de mesure 140 Condensateur de résonance 150 Condensateur de sortie 151 Diode 200-260 Etapes du procédé de régulation d'un convertisseur de tension continue25

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1°) Circuit de mesure pour réguler un convertisseur de tension continue (100) comprenant : un composant de commutation (120), une diode (124) en parallèle sur le composant de commutation et une unité de mesure et de régulation (130) qui, * actionne (240) le composant de commutation (120) lorsqu'on atteint un évènement défini (230), * détermine comme grandeur caractéristique la tension sur le composant de commutation (120) après l'actionnement de ce composant et exploite (260) cette tension, * modifie un paramètre de l'évènement prédéfini si la grandeur caractéristique se situe en dehors d'une plage de valeurs autorisée (261), cette plage de valeurs autorisée étant définie par la tension de conduction de la diode (124) branchée en parallèle.
2. 2°) Circuit de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on atteint l'évènement prédéfini (230) lorsque une grandeur de mesure atteint un seuil, un intervalle de temps est écoulé après que la grandeur de mesure ait atteint son seuil, ou un intervalle de temps est écoulé après l'actionnement du composant de commutation.
3. 3°) Circuit de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant de commutation (120) est un transistor notamment un transistor MOSFET.
4. 4°) Circuit de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que la diode (124) est la diode body du transistor MOSFET.355°) Circuit de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détermine comme grandeur caractéristique une tension, une intensité ou une température chaque fois notamment concernant le compo- sant de commutation (260). 6°) Circuit de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur de tension continue (100) est un convertisseur releveur notamment un convertisseur de résonance. 7°) Convertisseur de tension continue comportant un circuit de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8°) Procédé de régulation d'un convertisseur de tension continue (100) selon lequel on actionne (240) un composant de commutation (120) lorsqu'on atteint un évènement prédéfini (230), on définit comme grandeur caractéristique la tension du compo- sant de commutation (120) après l'actionnement de ce composant (120) et on exploite (260) cette grandeur caractéristique, on fait varier le paramètre de l'évènement prédéfini si la grandeur caractéristique se situe au-delà d'une plage de valeurs autorisée (261), et on définit la plage de valeurs autorisée par la tension de conduc- tion d'une diode (124) branchée en parallèle sur le composant de commutation (120). 9°) Unité de calcul exécutant un procédé selon la revendication 8. 10°) Programme d'ordinateur comportant des codes programmes commandant une unité de calcul pour exécuter un procédé selon la revendication 8 lorsque ce programme est appliqué par l'unité de calcul notamment selon la revendication 9.3511°) Support de mémoire lisible par une machine comportant l'enregistrement d'un programme d'ordinateur selon la revendication 10.5