FR2523741A1 - Switching regulator circuit for variable load - uses thyristors to switch different voltage levels to load circuit - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour éliminer les perturbations liées aux fluctuations de la charge dans les alimentations à découpage comportant un circuit magnétique avec une inductance primaire couplée à une inductance secondaire. The present invention relates to a method and a device for eliminating disturbances linked to load fluctuations in switching power supplies comprising a magnetic circuit with a primary inductance coupled to a secondary inductance.
En conversion d'énergie, les circuits magnétiques constituent un type de composant souvent négligé, ce qui amène une saturation du matériau, d'où une incapacité à traduire une variation linéaire de flux. Ceci entraine un accroissement énorme de courant dans les organes de découpage, généralement constitués par des transistors, lorsque la charge est variable et que la puissance est constante ou peu fluctuante. Il s'ensuit des perturbations sur le réseau et un risque de détérioration des organes de découpage. In energy conversion, magnetic circuits constitute a type of component that is often overlooked, which leads to saturation of the material, hence an inability to translate a linear variation in flux. This leads to a huge increase in current in the cutting devices, generally constituted by transistors, when the load is variable and the power is constant or little fluctuating. This results in disturbances on the network and a risk of deterioration of the cutting members.
La présente invention a pour but principal de remédier à ces inconvénients et, pour ce faire, elle a pour objet un procédé qui se caractérise essentiellement en ce qu'il consiste à adapter automatiquement la valeur de l'inductance secondaire en fonction de -la tension aux bornes de la charge, afin d'assurer un transfert total de l'énergie magnétique pour chaque période de la fréquence de découpage. The main object of the present invention is to remedy these drawbacks and, to do this, it relates to a method which is essentially characterized in that it consists in automatically adapting the value of the secondary inductance as a function of the voltage. across the load, to ensure total transfer of magnetic energy for each period of the switching frequency.
Grâce à cette disposition, on obtient une démagnétisation complète du circuit à chaque période de la fréquence de découpage, ce qui permet d'éliminer les inconvénients mentionnés plus haut. Thanks to this arrangement, a complete demagnetization of the circuit is obtained at each period of the switching frequency, which makes it possible to eliminate the drawbacks mentioned above.
Un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre d'éléments de commutation, connectés en parallèle entre la charge et différentes prises intermédiaires de l'inductance secondaire, et un circuit de commande à seuils de tension pour commander successivement lesdits éléments de commutation en fonction de la tension aux bornes de la charge. A device for implementing this method is characterized in that it comprises a certain number of switching elements, connected in parallel between the load and various intermediate taps of the secondary inductance, and a threshold control circuit voltage for successively controlling said switching elements as a function of the voltage across the load.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les éléments de commutation sont constitués par des thyristors. In a particular embodiment of the invention, the switching elements are constituted by thyristors.
De préférence, le dispositif selon l'invention comprend également un circuit de régulation automatique pour compenser les variations lentes de la tension aux bornes de l'inductance primaire. Preferably, the device according to the invention also comprises an automatic regulation circuit to compensate for the slow variations in the voltage across the terminals of the primary inductor.
Ce circuit de régulation comporte un circuit magnétique auxiliaire de faible puissance connecté en parallèle sur le circuit principal et dont la charge est constante, la tension aux bornes de ladite charge étant utilisée comme tension d'asservissement de la commande de découpage, afin d'assurer un transfert d'énergie constant malgré les fluctuations du réseau. This regulation circuit comprises an auxiliary magnetic circuit of low power connected in parallel on the main circuit and the charge of which is constant, the voltage across said charge being used as the control voltage of the switching control, in order to ensure constant energy transfer despite network fluctuations.
Le procédé selon l'invention peut également s'appliquer avantageusement au cas où l'inductance primaire et l'inductance secondaire sont combinées en une seule inductance dite de filtrage. I1 existe en effet de nombreuses structures dans fesquelles la fonction filtrage est obtenue au moyen d'une cellule comportant une inductance et un condensateur. Or, si la tension de sortie est très fluctuante, l'inductance de filtrage risque de se saturer, ce qui diminue évidemment l'efficacité du filtrage. The method according to the invention can also advantageously be applied to the case where the primary inductor and the secondary inductor are combined into a single so-called filtering inductor. There are indeed numerous structures in which the filtering function is obtained by means of a cell comprising an inductance and a capacitor. However, if the output voltage is very fluctuating, the filtering inductance may become saturated, which obviously reduces the efficiency of the filtering.
Conformément à l'invention, on adapte automatiquement la valeur de l'inductance de filtrage en fonction de la tension aux bornes de la charge, pendant la phase de restitution de l'énergie magnétique. According to the invention, the value of the filtering inductance is automatically adapted as a function of the voltage across the load, during the phase of restitution of the magnetic energy.
A cet effet, on utilise un certain nombre d'éléments de commutation, avantageusement constitués par des thyristors, qui se trouvent connectés en parallèle entre la charge et différentes prises intermédiaires de l'inductance de filtrage dans la phase de restitution de l'énergie magnétique, et un dispositif de commande à seuils de tension pour commander successivement lesdits éléments de commutation en fonction de la tension aux bornes de la charge. For this purpose, a number of switching elements are used, advantageously constituted by thyristors, which are connected in parallel between the load and various intermediate taps of the filtering inductor in the phase of restitution of magnetic energy. , and a voltage threshold control device for successively controlling said switching elements as a function of the voltage across the load.
Plusieurs formes d'exécution de l'invention sont décrites ci-après à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est le schéma d'une alimentation à découpage conforme à l'invention, destinée à l'alimentation d'une lampe à arc du type flash
- les figures 2a à 2c représentent respectivement l'allure du courant primaire, l'allure du courant secondaire et l'allure de la tension de commande d'un thyristor, pour une période de la fréquence de découpage
- la figure 3 représente l'allure du courant primaire avec une tension d'alimentation sinusoidale
- la figure 4 représente l'allure de la tension de charge du condensateur de stockage d'énergie
- la figure 5 est le schéma du circuit de régulation destiné à compenser les variations lentes de la tension d'alimentation ; et
- la figure 6 est le schéma d'une autre application de l'invention à la fonction de filtrage.Several embodiments of the invention are described below by way of examples, with reference to the accompanying drawings in which
- Figure 1 is the diagram of a switching power supply according to the invention, for the supply of an arc lamp of the flash type
- Figures 2a to 2c respectively represent the shape of the primary current, the shape of the secondary current and the shape of the control voltage of a thyristor, for a period of the switching frequency
- Figure 3 shows the shape of the primary current with a sinusoidal supply voltage
- Figure 4 shows the shape of the charging voltage of the energy storage capacitor
- Figure 5 is the diagram of the regulation circuit intended to compensate for the slow variations of the supply voltage; and
- Figure 6 is the diagram of another application of the invention to the filtering function.
L'alimentation à découpage représentée sur la figure 1 comprend tout d'abord un circuit magnétique avec une inductance primaire Lp couplée à une inductance secondaire Ls. De façon connue en soi, un transistor de découpage Tr, commandé par un découpeur K, est inséré dans le circuit primaire. Ce circuit est alimenté à partir du réseau alternatif par l'intermédiaire d'un pont de redressement à diodes, mais sans aucun filtrage. The switching power supply shown in Figure 1 first comprises a magnetic circuit with a primary inductance Lp coupled to a secondary inductance Ls. In a manner known per se, a cutting transistor Tr, controlled by a cutter K, is inserted in the primary circuit. This circuit is supplied from the AC network via a diode rectifier bridge, but without any filtering.
Les impulsions de commande engendrées par le découpeur K sur la base du transistor de découpage Tr sont à fréquence élevée, par exemple 25kHz, afin de limiter les dimensions des bobinages du circuit magnétique. The control pulses generated by the cutter K on the basis of the cutting transistor Tr are at high frequency, for example 25 kHz, in order to limit the dimensions of the windings of the magnetic circuit.
Lorsque le transistor conduit, le courant primaire Ip a l'allure représentée sur le diagramme de la figure 2a. Il s'agit d'une impulsion de courant de durée 2, e étant la durée de conduction du transistor. Lorsque le transistor ne conduit plus, une impulsion de courant de durée T- Z est restituée au secondaire, T étant la période de la fréquence de découpage. Le courant secondaire Is a ainsi l'allure représentée sur le diagramme de la figure 2b. When the transistor is conducting, the primary current Ip has the shape shown in the diagram in FIG. 2a. It is a current pulse of duration 2, e being the conduction duration of the transistor. When the transistor no longer conducts, a current pulse of duration T-Z is restored to the secondary, T being the period of the switching frequency. The secondary current Is thus has the appearance shown in the diagram in FIG. 2b.
Dans l'application envisagée ici, l'alimentation à découpage est destinée à alimenter une lampe à arc au xénon X du type flash, c'est-à-dire une lampe à décharge rapide en régime récurrent. Ce type de lampe nécessite, pour sa mise en oeuvre, la charge préalable d'un condensateur C de forte valeur pendant l'intervalXe de temps entre chaque ionisation provoquée de la lampe. Le déclenchement de la lampe est assuré ici par une source basse fréquence BF. In the application envisaged here, the switching power supply is intended to supply a xenon arc lamp X of the flash type, that is to say a rapid discharge lamp in recurrent regime. This type of lamp requires, for its implementation, the prior charge of a capacitor C of high value during the time interval between each induced ionization of the lamp. The lamp is triggered here by a low frequency LF source.
Le procédé conforme à l'invention consiste à adapter automatiquement la valeur de l'inductance secondaire Ls en fonction de la tension Us aux bornes de la charge, tension qui est évidemment extrêmement variable dans le cas d'une lampe de type flash, afin d'assurer un transfert total de l'énergie magnétique pour chaque période de la fréquence de découpage et d'obtenir ainsi une démagnétisation complète du circuit. The method according to the invention consists in automatically adapting the value of the secondary inductance Ls as a function of the voltage Us at the terminals of the load, voltage which is obviously extremely variable in the case of a flash type lamp, in order to '' ensure a total transfer of magnetic energy for each period of the switching frequency and thus obtain complete demagnetization of the circuit.
Le transfert d'énergie par période de la fréquence de découpage s'exprime par
Lorsque l'énergie est restituée au secondaire, la tension sur ce dernier est imposée pendant la durée T- 2 par la constante de temps élevée de la charge. Le temps de démagnétisation est donc défini par la loi de Lenz, soit
d'où
from where
De la relation de transfert d'énergie, on déduit
d'où
Si l'on suppose maintenant # constant, on peut poser
from where
If we now assume # constant, we can ask
2 constante, de sorte que l'on obtient en définitive la relation suivante:Ls=k Us
La mise en oeuvre du procédé de l'invention consiste donc à carter la valeur de l'irAtance secondaire Ls au moyen d'un dispositif de cannande comprenant plusieurs seuils de tension éeeelori par rapport à la tension secondaire Us, chaque seuil provoquant la commande de la valeur d'une inductance propre à satisfaire la relation : Ls = Us . bien entendu, comme il s'agit d'une osmonde par sauts d'inductance, cette relation sera maintenue à une valeur limite, afin d'obtenir la dénre3étisation complète du circuit.2 constant, so that we finally get the following relation: Ls = k Us
The implementation of the method of the invention therefore consists in charting the value of the secondary irAtance Ls by means of a cannand device comprising several thresholds of voltage eeelori compared to the secondary voltage Us, each threshold causing the control of the value of an inductance suitable for satisfying the relation: Ls = Us. of course, as it is an inductance jump osmonde, this relation will be maintained at a limit value, in order to obtain complete denre3etisation of the circuit.
A est effet, on prévoit sur l'inductance secondaire Ls un certain nombre de prises inerme qui sont reliées à la charge par l'intermédiaire d'éléments de cwnstation de puissance unidirectionnels ne pouvant admettre de courant que lorsque le transistor de découpage ne ne conduit plus, c'est-à-dire perdant la phase de restitution de l'énergie mX > étique. To this effect, provision is made on the secondary inductance Ls for a number of unarmed sockets which are connected to the load by means of unidirectional power station elements which can only admit current when the switching transistor is not conducting plus, that is to say losing the phase of restitution of the mX> ethical energy.
Dans l'exemple de réalisation particulier décrit ici, les éléments de commutation sont au nombre de trois. Les deux premiers sont constitués par des thyristors Th1 et Th2, tandis que le troisième est constitué par une simple diode D. Les gachettes des deux thyristors sont reliées à un dispositif de commande 00K à seuils de tension, sensible à la tension de sortie Us aux bornes de la lampe X. In the particular embodiment described here, there are three switching elements. The first two are constituted by thyristors Th1 and Th2, while the third is constituted by a simple diode D. The triggers of the two thyristors are connected to a control device 00K with voltage thresholds, sensitive to the output voltage Us aux lamp terminals X.
Pour une faible valeur de la tension de sortie Us, seule la diode
D est en service et assure la démagnétisation du circuit dans le temps (T-i?). For a low value of the output voltage Us, only the diode
D is in service and ensures the demagnetization of the circuit over time (Ti?).
Ensuite, pour une valeur supérieure de la tension Us, le thyristor Th1 est déclenché au moyen d'une impulsion de tension engendrée sur sa gachette par le dispositif à seuils COM. Cette impulsion a l'allure représentée sur le diagramme de la figure 2c et elle est synchronisée sur la fréquence de découpage, grâce à une liaison de synchronisation S prévue entre le découpeur K et le dispositif à seuils COM. On notera que lorsque le thyristor Th1 conduit, la diode D est automatiquement soumise à un potentiel inverse qui ne lui permet plus de conduire.Then, for a higher value of the voltage Us, the thyristor Th1 is triggered by means of a voltage pulse generated on its trigger by the threshold device COM. This pulse has the appearance shown in the diagram of FIG. 2c and it is synchronized on the switching frequency, thanks to a synchronization link S provided between the cutter K and the device with thresholds COM. It will be noted that when the thyristor Th1 conducts, the diode D is automatically subjected to an inverse potential which no longer allows it to conduct.
Pour une valeur encore supérieure de la tension Us, le thyristor
Th2 est déclenché par le dispositif à seuils ZOOM. La diode D et le thyristor Th sont alors polarisés en inverse et ne peuvent plus conduire, même si la commande de gachette est maintenue sur Th1, ceci étant la conséquence directe de la répartition des potentiels aux bornes de l'inductance secondaire.For an even higher value of the voltage Us, the thyristor
Th2 is triggered by the ZOOM threshold device. The diode D and the thyristor Th are then reverse biased and can no longer drive, even if the gate control is maintained on Th1, this being the direct consequence of the distribution of the potentials at the terminals of the secondary inductance.
L'application rigoureuse du procédé de démagnétisation selon l'invention permet à l'inductance primaire Lp de réaliser à chaque impulsion un prélèvement d'énergie proportionnel à la tension du réseau, sans bouche d'asservissement. principale. Il s'agit d'une automodulation d'énergie instantanée liée à la tension sinusoidale du réseau d'alimentation, et ceci malgré la très forte variation de la tension aux bornes de la charge, qui peut être facilement dans un rapport de dix. The rigorous application of the demagnetization method according to the invention allows the primary inductance Lp to carry out at each pulse a sampling of energy proportional to the network voltage, without a control mouth. main. It is an instantaneous self-modulation of energy linked to the sinusoidal voltage of the supply network, and this despite the very large variation of the voltage across the load, which can be easily in a ratio of ten.
Par suite, le réseau de distribution d'énergie n'est pas dégradé, le courant sur celui-ci étant prélevé selon une loi sinusoidale et en phase avec la tension du réseau, comme illustré par le diagramme de la figure 3. Consequently, the energy distribution network is not degraded, the current thereon being taken according to a sinusoidal law and in phase with the network voltage, as illustrated by the diagram in FIG. 3.
De même, la puissance prélevée sur le réseau est constante, la charge sur le condensateur C répondant à cette condition puisqu'elle est de la forme Uc = Y-E, , comme illustré par le diagramme de la figure 4. L'enveloppe du courant sinusoïdal est donc constante. Similarly, the power taken from the network is constant, the charge on capacitor C meeting this condition since it is of the form Uc = YE, as illustrated by the diagram in Figure 4. The envelope of the sinusoidal current is therefore constant.
Cependant, il arrive souvent que le réseau ne soit pas parfait. However, it often happens that the network is not perfect.
Dans ce cas, et pour s'affranchir des variations lentes du secteur, on peut prévoir un circuit de régulation REG permettant d'obtenir une information
5 proportionnelle à l'énergie transférée sur la charge.In this case, and to overcome slow variations in the sector, it is possible to provide a REG regulation circuit making it possible to obtain information
5 proportional to the energy transferred to the load.
Ce circuit REG est représenté en détail sur la figure 5 et se compose essentiellement d'un circuit magnétique de faible puissance comportant une inductance primaire L1 couplée à une inductance secondaire L2. L'inductance
L1 est connectée en parallèle sur l'inductance primaire Lp du circuit magnétique principal par l'intermédiaire d'une diode D1, tandis que l'inductance L2 est branchée sur une charge constante constituée de deux résistances R1 et R2, par l'intermédiaire d'une diode D2 et d'un condensateur C1.This REG circuit is shown in detail in FIG. 5 and essentially consists of a low power magnetic circuit comprising a primary inductance L1 coupled to a secondary inductance L2. Inductance
L1 is connected in parallel to the primary inductor Lp of the main magnetic circuit via a diode D1, while the inductor L2 is connected to a constant load made up of two resistors R1 and R2, via d 'a diode D2 and a capacitor C1.
Ainsi, le même transistor de découpage Tr commande les deux circuits magnétiques, la diode D1 ayant pour but de rendre la restitution d'énergie du circuit magnétique auxiliaire L1/L2 indépendante de l'état de charge du con densateur C destiné à alimenter la lampe flash X. Thus, the same switching transistor Tr controls the two magnetic circuits, the diode D1 having the aim of making the energy restitution of the auxiliary magnetic circuit L1 / L2 independent of the state of charge of the capacitor C intended to supply the lamp flash X.
L'inductance L2 restitue son énergie accumulée pendant la durée (T-e) par la diode D2 et l'intégrateur C1, R1 + R2. La charge R1 + R2 étant constante, la tension aux bornes de R2 est l'image de la tension moyenne UR issue du redressement secteur pour t constant. Cette tension aux bornes de R2 est donc appliquée au circuit de contre-réaction du découpeur K afin de modifier la durée t en fonction des fluctuations du secteur et d'assurer ainsi un transfert d'énergie constant vers le condensateur C. Par suite, celui-ci sera toujours chargé à la même valeur à l'instant précédant la décharge. The inductance L2 restores its energy accumulated during the duration (T-e) by the diode D2 and the integrator C1, R1 + R2. The load R1 + R2 being constant, the voltage across R2 is the image of the average voltage UR resulting from the mains rectification for t constant. This voltage at the terminals of R2 is therefore applied to the feedback circuit of the cutter K in order to modify the duration t as a function of fluctuations in the sector and thus ensure a constant energy transfer to the capacitor C. Consequently, that -this will always be loaded at the same value at the instant before the discharge.
Le procédé de démagnétisation selon l'invention peut également s'appliquer avantageusement à la fonction de filtrage. Il existe en effet de nombreuses structures dans lesquelles la fonction de filtrage est obtenue au moyen d'une cellule comportant une inductance L et un condensateur C, comme dans l'exemple représenté sur la figure 6. The demagnetization method according to the invention can also advantageously be applied to the filtering function. There are indeed many structures in which the filtering function is obtained by means of a cell comprising an inductance L and a capacitor C, as in the example shown in FIG. 6.
Dans cette application, la fonction de l'inductance de filtrage L est double. Le même enroulement sert à limiter le courant dans la phase de conduction du transistor de découpage Tr1 commandé par le découpeur K1, puis restitue son énergie lorsque celui-ci est bloqué. In this application, the function of the filter inductor L is twofold. The same winding is used to limit the current in the conduction phase of the cutting transistor Tr1 controlled by the cutter K1, then restores its energy when the latter is blocked.
Or, pour les applications où la tension de sortie aux bornes de la charge P est très fluctuante, et peut notamment être sensiblement inférieure à la tension nominale, l'inductance de filtrage nécessite une période de démagnétisation relativement longue, ce qui la conduit à saturation. However, for applications where the output voltage at the terminals of the load P is very fluctuating, and may in particular be significantly lower than the nominal voltage, the filtering inductor requires a relatively long demagnetization period, which leads to saturation. .
Conformément à l'invention, et comme dans l'exemple décrit plus haut, une diode D et deux thyristors Th1 et Th2 commandés par un dispositif à seuils de tension COM sont connectés à des prises intermédiaires de l'induc tances de filtrage L. Le dispositif à seuils COM, en relation avec la tension de sortie, adapte la valeur de l'inductance dans la phase de restitution, de marnière à conserver un temps de démagnétisation constant. On évite ainsi à l'inductance de subir le passage d'une composante continue excessiye en courant, risquant de la saturer, ce qui permet de maintenir l'efficacité du filtre malgré des variations importantes de courant. In accordance with the invention, and as in the example described above, a diode D and two thyristors Th1 and Th2 controlled by a device with voltage thresholds COM are connected to intermediate sockets of the filtering inductors L. The COM threshold device, in relation to the output voltage, adapts the value of the inductance in the restitution phase, so as to maintain a constant demagnetization time. This avoids the inductance from undergoing the passage of an excessive DC component in current, risking saturating it, which makes it possible to maintain the efficiency of the filter despite significant variations in current.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8204775A FR2523741A1 (en) | 1982-03-19 | 1982-03-19 | Switching regulator circuit for variable load - uses thyristors to switch different voltage levels to load circuit |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| CL | Concession to grant licences | ||
| ST | Notification of lapse |